孙世鑫，邹纯帅

（1.东北林业大学工程咨询设计研究院有限公司，黑龙江 哈尔滨 150036；2.哈尔滨市众泰众利建筑工程技术咨询有限公司，黑龙江 哈尔滨 150000）

钢栈桥是指为完成桥梁施工而临时设置满足大型汽车运输和施工的钢结构设施。东北地区冬季时间长，除了汽车、风荷载及水流力，静冰压力加上施工和设计中存在各种不安全隐患，使钢栈桥在高寒地区力学性能问题尤显突出。

近年来，许多学者对钢栈桥基本力学性能做了大量研究。刘麟乾、朱永红对钢栈桥的设计方法和施工步骤程序进行了介绍，并对贝雷梁极限状态下的承载能力和正常使用状态下的变形进行了验算。马明、黄登侠对钢栈桥各部件强度进行验算，并介绍了竖向荷载、风荷载、潮流荷载及波浪作用选取标准及应用。张振勤结合桃花岛大桥工程实例，论述了钢栈桥的设计方案、顺序与方法，提出了利用钢管及角钢设立平联及纵联保证墩位下桩基整体受力的稳定方案。姜枫、朱艳峰采用MIDAS Civil有限元分析软件分析了钢栈桥在水流力、风力和车辆荷载共同作用下的力学性能指标。盛朝亮对贵州省六盘水市钟山区钢栈桥进行计算，计算了钢栈桥的强度、稳定和变形，均满足工程设计的要求。王岩松结合国内外桥梁设计规范，对北方寒冷地区钢筋混凝土桥梁实际工程进行冰压力计算分析。根据静冰压力计算结果和破坏实例得出结论，冰压力荷载计算对桥墩基础设计起到了决定作用。

以上学者对钢栈桥的基本力学性能以及普通桥梁在静冰压力作用下的力学性能进行了大量研究，但对钢栈桥在冰压力作用下的安全性分析研究较少。以黑龙江省牡丹江神洞大桥为工程背景，对钢栈桥各构件的组合应力、剪应力及轴力等进行了有限元分析计算，进而对钢栈桥在冰压力作用下的安全性进行分析。

1 工程概况

神洞大桥位于黑龙江省东南部牡丹江东宁市中东部，该地域受海陆巨大热力差异的影响，形成海洋（半湿润型）中温带季风气候特征，年平均气温6.1℃，历史最低气温-33℃，冬季时间长，河流形成冰层较厚。施工临时钢栈桥采用装配式公路钢桥，全长162m，跨径18×9m，钢栈桥宽度为7.0m，栏杆布置在两侧，由钢管桩组成下部基础结构，上部为贝雷梁，贝雷梁钢材采用Q345，其余杆件均采用Q235钢材。

2 钢栈桥承载力有限元分析

为了对钢栈桥在服役期间的承载能力进行研究，运用有限元软件MIDAS Civil对钢栈桥各构件的组合应力、剪应力、轴力等进行有限元分析。

2.1 有限元模型建立

为保证计算精度及运算速度，运用有限元软件MIDAS Civil对钢栈桥采用梁单元进行有限元建模分析。钢栈桥整体有限元模型如图1所示。钢材的容许应力如表1所示。

图1 神洞大桥施工钢栈桥有限元模型

表1 钢材容许应力表

2.2 各项荷载计算

有限元模型中按规范要求施加的恒荷载主要为钢板桥面系、贝雷梁及墩顶分配梁等结构自重，钢材容重取76.98kN/m3，施工阶段自重系数取-1.0。该栈桥主要供通行车辆、各种施工机械设备及项目部车辆等通行，活载按公路I级计算，其车道荷载标准值qk=10.5kN/m。钢栈桥跨径为9m，集中载Pk按表2公式计算，Pk=2×（9+130）=278kN。

表2 集中载Pk取值

2.3 边界条件设定

两片贝雷梁之间连接释放梁端约束，下横梁与钢管桩桩顶节点设为共节点固结，贝雷梁与上、下横梁对应节点设为固结。墩底固接，为了偏于安全考虑，墩底位置设在河川底以下2.4m的位置，即整个墩长6m，由于土的约束作用将墩底设为固接。

2.4 有限元计算结果

根据上述荷载及边界条件设置情况，对钢栈桥进行有限元计算分析。

贝雷梁弦杆、腹杆最大应力计算结果如图2所示，结构大部分应力处于26.3～90.3MPa之间，最大应力出现在贝雷梁斜杆与竖杆连接处，为198MPa＜f1=305MPa；横梁、分配梁、钢管桩和连接系最大应力计算结果如图3所示，结构大部分应力处在13.3～65.5MPa之间，最大应力出现在分配梁跨中，为108MPa＜f2=215MPa。造成上述最大应力可能是因为结构在进行有限元计算时，荷载使该位置出现了应力集中现象，应力明显增大，但总体满足要求。

图2 Q345钢材的最大应力计算结果（MPa）

图3 Q235钢材的最大应力计算结果（MPa）

横梁最大组合应力为108MPa＜f2=215MPa，剪应力为51MPa＜fv=125MPa；贝雷梁上下弦杆最大轴力为104kN<560kN；竖杆最大轴力为85kN＜210kN；斜杆最大轴力为70kN<171kN；桩顶分配梁最大组合应力64MPa＜f2=215MPa，最大剪应力为30MPa＜fv=125MPa；钢管桩最大组合应力为50MPa＜f2=215MPa；联结系横杆最大组合应力为83MPa＜f2=215MPa，最大剪应力为5MPa＜fv=125MPa。经过验算，所有构件截面内力及应力均符合规范要求。

3 冰压力下施工钢栈桥安全性分析

为了研究冰压力作用下钢栈桥的安全性，按规范要求在钢管桩上施加静冰压力荷载，受模型中钢管桩与上部结构连接方式影响，冰压力对上部结构几乎不产生影响。

3.1 冰压力计算

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2015），冰对桩或墩产生压力标准值可按下式计算：

式中，Fi为冰压力标准值（kN），m为桩对墩迎冰面形状系数，CI为冰温系数，本文取CI=1.0，b为桩或墩迎冰面投影宽度（m），t为计算厚度（m），Rik为冰的抗压强度标准值（kN/m2），可取当地冰温0℃时的冰抗压强度，本文取Rik=750kN/m2。假定冰厚取0.12m，因此可计算冰压力Fi=85.7kN。

根据实际水位，将冰压力施加到模型中，如图4所示。

图4 冰压力模型

3.2 计算结果

钢管桩采用Q235钢材，其最大应力计算结果如图5所示。

图5 钢管桩的最大应力计算结果（单位：MPa）

由图可知，最大应力为196MPa＜f2=215MPa，满足要求，但与强度设计值很接近，因此可以判断，当冰厚大于0.12m时，墩底应力将超过强度设计值，小于0.12m时，应力满足要求，即当冰压力小于86kN时，钢栈桥体系安全。

4 结语

本文对钢栈桥的基本力学性能进行研究，运用有限元软件对钢栈桥各构件所受的应力、剪力及轴力等进行计算分析，接着，对钢栈桥在冰压力作用下的安全性进行计算，得到如下结论：（1）钢栈桥整体受力计算结果满足要求。横梁最大应力，贝雷梁上、下弦杆及竖杆、斜杆最大轴力，分配梁最大应力，钢管桩最大应力，联结系横杆最大应力等均满足要求。（2）冰压力对上部结构几乎不产生影响，考虑0.12m厚冰压力作用时钢管桩受到最大应力为196MPa＜f2=215MPa，满足要求，但与强度设计值接近。由此判断，静冰压力作用下，当冰厚大于0.12m时，冰作用位置应力将超过强度设计值，此时施工不安全。