陡立岩壁高层排架基础钢栈桥力学性能理论计算方法

王冠平

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

摘 要：阐述了高陡边坡治理中陡立岩壁高层钢排架基础钢栈桥稳定分析的内部构件力学性能的理论计算方法。采用理论分析方法对影响钢栈桥的主要因素进行分析，确定各种荷载工况，对结构的模型进行简化。选取最不利荷载工况，分析确定钢栈桥内力的计算方法和计算公式、钢栈桥基础构件强度、整体稳定、局部稳定以及刚度的分析计算方法和计算公式，并在工程实例中验证，为类似工程的设计计算及施工提供依据。

关键词：钢栈桥;陡立岩壁;刚度;稳定性；计算方法

0 前 言

近年来，国家基础建设项目越来越多，对施工安全要求越来越高。很多交通、水利、水电等工程修建在高山峡谷中，经常遇到陡立边坡岩层因卸荷、徐变或地震影响造成不稳定现象，为防止施工过程中可能形成的块石坠落对施工人员、设备、建筑物造成危害，需采取被动防护网对块石进行拦截；在基础设施运行期间，为防止基础设施或建筑物由于塌方或掉块等地质灾害造成的破坏，需要对边坡上松动岩体或者危岩进行清理、锚固或采取其它治理措施；针对高陡边坡，通常采用以钢栈桥为基础的高层钢排架组合结构为边坡加固治理提供作业面。该组合结构属临时设施，由施工单位自行设计并需进行安全验算，因其结构复杂、危险性较大、安全验算繁冗，本文重点探讨钢栈桥和高层钢排架组合结构体系安全验算前期各构件内力、强度、刚度及稳定性的理论计算方法，以期达到简化计算、优化设计的目的。

1 钢栈桥和高层钢排架组合结构选型

钢栈桥是整个组合结构的核心，其选型对结构体系有重要的影响，一般选择既具有较好的力学性能，又便于施工的梁桁体系；高层钢排架选择常规的扣件式脚手架,见图1。

图1 陡立岩壁钢栈桥及高层钢排架示意图

小跨度时，钢栈桥结构选择图2形式，大跨度时，中间D点处加立杆[1]。

图2 小跨度时的结构形式图

2 钢栈桥稳定影响因素及荷载计算

2.1 影响结构体系稳定的因素分析

对于陡立岩壁钢栈桥基础和高层排架体系，要建立系统的计算理论和计算方法，首先要分析对结构的受力性能和稳定性有影响的指标，并确定控制性的指标，这些指标主要包括结构形式、结构高度、跨度、恒载、活载及荷载组合方式等[2-3]。钢栈桥基础主要影响因素包括钢栈桥的结构形式、跨度以及其上高层钢排架的作用。

2.2 荷载计算

荷载主要包括恒荷载和活荷载，荷载的大小是影响结构受力最重要的因素。钢栈桥恒载主要包括钢栈桥结构的自重、栈桥上部铺设的钢板重量及高层排架及其上的恒载；活荷载主要包括施工时堆料荷载、施工荷载，对高层排架还要考虑风荷载，必要时还需要考虑地震作用的影响；由于栈桥桥面有铺板，因此可以考虑将脚手架等荷载等效为分布荷载进行结构的内力计算。

3 钢栈桥力学性能计算

栈桥结构体系主要包括栈桥主体架、上部纵梁、钢板、防护栏杆以及支撑组成。其力学性能计算包括内力计算、强度验算、稳定性验算、刚度验算和位移验算等内容[4-6]。

3.1 栈桥梁内力计算

(1) AB杆弯矩：

Mmax=

(1)

(2) AB杆剪力：

FS,max=

(2)

(3) EC杆轴力：

FN,max=

(3)

(4) A支座水平方向反力：

FX=- (拉力)

(4)

(5) A支座竖向反力：

FY=

(5)

(6) B支座水平方向反力:

FX= (压力)

(6)

(7) B支座竖向反力：

FY=

(7)

(8) 钢板传递纵梁压力：

F=l1l2q

(8)

式中：l1为板的跨度即纵梁的间距，当梁的间距不同时，可以取其中的较大值；l2为钢栈桥架的间距；q是分布在板上的均布荷载，作用在板上的集中力可以根据荷载等效的原则换算成均布荷载[7]。

3.2 钢栈桥强度验算

(1) 横梁AB杆强度：

σ=+≤f

(9)

式中：N为杆件所受的轴力；Mx为杆件所受的弯矩；An为杆件的截面净面积，对未开孔的截面即为截面面积；Wnx为槽钢截面的截面模量；f为钢材的抗弯强度设计值；γx为与截面模量相应的截面发展系数，对工字形截面γx=1.05，当绕y轴弯曲时γy =1.2；对于箱形截面 γx=γy=1.05[8]。

(2) 斜撑及斜拉杆的强度：

σ=≤f

(10)

3.3 钢栈桥稳定性验算

(1) 横梁的稳定性验算：

≤13

(11)

式中：l1为纵梁侧向支撑间的距离;b1为翼缘宽度。

(2) 弯矩作用平面内整体稳定验算:

+≤f

(12)

式中：N为所计算构件段范围内的轴心压力；Mx为所计算构件段范围内的最大弯矩；φx为弯矩作用平面内轴心受压构件整体稳定系数；W1x为在弯矩作用平面内对较大受压边缘的毛截面模量；γx为与截面模量相应的截面发展系数，可查截面塑性发展系数表获得[9-10]；为考虑抗力分项系数的欧拉临界力；βmx为等效弯矩系数。

(3) 斜梁的稳定性验算：

λx=

(13)

σ=

(14)

式中：λx为细长比;ix为回转半径;lx为杆件计算长度。

3.4 栈桥梁刚度验算

(1) 栈桥杆件刚度验算：

λx=≤[λ]

(15)

λy=≤[λ]

(16)

式中：l0x、l0y分别为构件对主轴x轴、y轴的计算长度；ix、iy分别为截面对主轴x轴、y轴的回转半径。

(2) 横梁、斜撑刚度x轴的长细比λx计算：

λx=<>λ]=150

(17)

(3) 横梁、斜撑刚度y轴的长细比λy计算：

λy=<>λ]=150

(18)

3.5 钢栈桥位移验算

(1) 横梁位移验算:

υ≤

(19)

(2) 主梁位移验算:

υ≤[υT]=l/400

(20)

3.6 纵向梁验算

(1) 纵向梁内力计算

跨内最大弯矩(AB):

Mmax=0.078(1.2q1l2+1.4q2l2)

(21)

支座最大弯矩(B支座):

Mmax=0.106(1.2q1l2+1.4q2l2)

(22)

结构最大剪力:

VS,max=0.606ql

(23)

(2) 纵向梁强度验算

1) 抗弯强度:

σ=≤f

(24)

式中：Mx为杆件所受的弯矩；An为杆件的截面净面积，对未开孔的截面即为截面面积；γx为与截面模量相应的截面发展系数；Wnx为槽钢截面的截面模量；f为钢材的抗弯强度设计值[11]。

2) 抗剪强度:

τ=≤fv

(25)

(3) 纵向梁稳定性验算

1) 可不验算的条件：

≤13

(26)

2) 稳定性验算公式：

≤f

(27)

式中：φb=·，由于φb大于0.6，因此应该用计算的来代替φb的值。

(4) 纵向梁位移验算

1) 最大挠度:

fmax=0.67

(28)

2) 主梁位移:

υ≤[υT]=l/400

(29)

3.7 锚筋桩验算

抗拔承载力:

Rt=0.8 π d1lf

(30)

式中：d1为锚筋桩的等效直径，可根据面积相等原则求得；f为砂浆和岩石间的粘结强度特征值，根据工程实际的地质情况选取[12-13]。

4 实例验证

利用上述钢栈桥力学性能计算公式，对新疆某水电站边坡危岩体治理工程、甘肃某水电站左岸缆机平台上部F29沟下游塌滑区支护工程中钢栈桥及高层排架结构的钢栈桥内力、强度、稳定性、刚度和位移进行反演验证，验证结果均满足相关规范的指标要求[14-15]，两项目实施期间，钢栈桥基础稳固，脚手架运行安全可靠，使用过程中未发生安全事故。

5 结 语

在陡立岩壁钢栈桥和高层钢排架组合结构体系的设计、应用中分析和简化的钢栈桥力学性能计算公式，不仅能够大幅减少计算工程量、缩短计算过程，而且降低了施工单位设计、验算钢栈桥和高层钢排架组合结构体系力学性能的难度，达到简化计算、优化设计的目的，同时也起到降低造价、节约成本的作用。适用于水电站项目、边坡工程、勘探施工便道钢栈桥的力学性能理论计算，特别适用于危险性较大的高陡边坡治理工程高层钢排架基础钢栈桥力学性能理论计算。

参考文献:

[1] 王国周,瞿履谦.钢结构[M].北京：清华大学出版社，2001.

[2] 陈绍藩,顾强.钢结构基础[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.

[3] 赵风华.钢结构设计原理[M].北京：高等教育出版社，2005.

[4] 赵根田,孙德发.钢结构[M].北京：机械工业出版社，2005.

[5] 沈祖炎,陈扬骥,陈以一.钢结构基本原理[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2000.

[6] 《钢结构设计手册》编委会.钢结构设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.

[7] 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑结构荷载规范：GB50009-2012[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[8] 中华人民共和国建设部.钢结构设计规范:GB50017-2003[S].北京：中国计划出版社，2003.

[9] 中华人民共和国建设部.建筑结构可靠的设计统一标准:GB50068-2001[S].北京：中国建筑工业出版社，2001.

[10] 《建筑结构静力计算手册》编写组.建筑结构静力计算手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2011.

[11] 邱继生,郭玉霞.结构力学[M].西安：西北工业大学出版社，2016.

[12] 肖湘.建筑结构[M].重庆：西南交通大学出版社，2014.

[13] 林宗凡.建筑结构原理及设计[M].北京：高等教育出版社，2008.

[14] 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范:JGJ130-2011[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[15] 王宇辉.脚手架施工与安全[M].北京：中国建筑工业出版社，2008

The Theoretical Calculation Method for Mechanical Performance of Steel Trestlewith High Bent Foundation on Steep Rock Wall

WANG Guanping

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China)

Abstract:The theoretical calculation method for the mechanical performance of the internal members in analysis of the stability of the steel trestle with high steel bent foundation on the steep rock wall in high slope treatment is described. The loading conditions are determined and the structural model is simplified. The most unfavorable loading condition is selected to analyze and determine the calculation methods and formulas for the internal forces of the steel trestle as well as the analyzing and calculation methods and formulas for strength, the integrated stability, local stability and rigidity of the foundation members of the steel trestle. Furthermore, those are verified in engineering practice. They provide design calculation and construction of similar projects with basis.Key words:steel trestle; steep rock wall; rigidity; stability; calculation method

文章编号：1006-2610(2017)04-0041-04

收稿日期：2017-07-15

作者简介：王冠平(1967- ),男，山东省微山县人，高级工程师，主要从事水利水电工程施工技术管理工作.

科研项目：中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司科研课题(2016002).

中图分类号：U213.158;U448.18

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1006-2610.2017.04.011