劉揚(yáng)勇，李婷，于曉巖，常聰聰

（中交四航局港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510000）

近年來(lái)，隨著我國(guó)旅游業(yè)和游艇產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，人們對(duì)游艇碼頭的需求日益增長(zhǎng)，游艇碼頭的建設(shè)也呈現(xiàn)飛速發(fā)展的態(tài)勢(shì)。目前，國(guó)內(nèi)游艇碼頭以浮橋結(jié)構(gòu)為主，由于陸地或者固定碼頭與浮橋結(jié)構(gòu)之間通常存在一定高差，且浮橋高程會(huì)隨著水位的變化而變化，因此通常采用一端支承在岸，另一端通過(guò)滾輪支座連接浮橋的聯(lián)系橋結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)從陸地到浮橋的連通銜接。

目前，國(guó)內(nèi)有關(guān)游艇碼頭的文獻(xiàn)大部分側(cè)重定位樁、浮橋結(jié)構(gòu)、平面布置、選址布局等方面的研究，關(guān)于游艇碼頭聯(lián)系橋方面的研究尚少。例如，魏志民[1]對(duì)聯(lián)系橋結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)優(yōu)化的進(jìn)行了探討及研究，但文中未涉及聯(lián)系橋結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算及分析。本文以某游艇碼頭工程為例，利用MIDAS 有限元分析軟件對(duì)聯(lián)系橋的結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算及分析，探討聯(lián)系橋各構(gòu)件的受力特征并分析不同荷載組合對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，為類似工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 工程概況

某碼頭工程聯(lián)系橋長(zhǎng)16m、寬2m，最低通航水位時(shí)坡度為1：4，一端通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)支座固定在過(guò)渡墩臺(tái)，另一端通過(guò)帶限位軌道的滾輪支座放置于浮橋，其平、立面見(jiàn)圖1、2。

圖2 聯(lián)系橋結(jié)構(gòu)立面圖

聯(lián)系橋由縱梁、端梁、縱梁制安、龍骨、面板、扶手欄桿及各連接件通過(guò)螺栓或者焊接組成。為了減輕自重，聯(lián)系橋材料采用鋁合金，雖然鋁合金單價(jià)比鋼材貴，但其密度大小約是鋼材三分之一左右，因此相同體積的鋁合金價(jià)格與鋼材相差不大。同時(shí)，鋁合金與鋼材相比，有著更易加工與維修、耐腐蝕性能更好、且更美觀等優(yōu)點(diǎn)，因此常用于長(zhǎng)度為10～20m 的游艇碼頭聯(lián)系橋結(jié)構(gòu)[1]。

2 模型建立

2.1 材料參數(shù)

主梁及扶手結(jié)構(gòu)均采用牌號(hào)6063-T6 的鋁合金型材，橋面鋪設(shè)防腐、防滑木板。鋁合金的主要物理性能指標(biāo)見(jiàn)表1，構(gòu)件規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 鋁合金的主要物理性能指標(biāo)表

表2 構(gòu)件規(guī)格參數(shù)表

2.2 荷載條件

聯(lián)系橋主要承受橋自重、橋面的人群荷載及作用在橋側(cè)面的水平向風(fēng)荷載。根據(jù)《游艇碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 165-7-2014）[2]規(guī)定，聯(lián)系橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人群荷載標(biāo)準(zhǔn)值取為4kpa。

根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》（JTS 144-1-2010）[3]，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按下式計(jì)算:

在式中，WK為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kpa）；為風(fēng)荷載體型系數(shù)，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）[4]規(guī)定，聯(lián)系橋結(jié)構(gòu)本文按2 榀平行桁架計(jì)算；為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；為基本風(fēng)壓（kpa）。

2.3 計(jì)算荷載組合

（1）1.2×自重。

（2）1.2×自重+1.4×人群荷載。

（3）1.2×自重+1.4×人群荷載+1.4×風(fēng)荷載。

2.4 模型簡(jiǎn)述

（1）聯(lián)系橋主梁及扶手結(jié)構(gòu)均采用等效的梁?jiǎn)卧M，橋面采用等效的板單元模擬。各梁?jiǎn)卧g采用彈性連接，板單元與梁?jiǎn)卧g也采用彈性連接，模擬各部件之間的相互作用。由于聯(lián)系橋一端可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，另一端可自由轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)，故支承條件視為鉸接。

（2）聯(lián)系橋所受人群荷載等效為橋面板單元上的壓力面荷載，風(fēng)荷載等效為聯(lián)系橋一側(cè)梁?jiǎn)卧系木級(jí)毫奢d。

（3）根據(jù)以上模型構(gòu)建思路，基于MIDAS 有限元軟件建立整個(gè)聯(lián)系橋的三維模型見(jiàn)圖3。

圖3 聯(lián)系橋三維模型示意圖

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 強(qiáng)度計(jì)算

聯(lián)系橋各構(gòu)件的內(nèi)力、應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 聯(lián)系橋構(gòu)件計(jì)算結(jié)果表

3.2 整體穩(wěn)定性計(jì)算

聯(lián)系橋各構(gòu)件除了應(yīng)滿足強(qiáng)度要求外，還應(yīng)滿足整體穩(wěn)定性要求。根據(jù)《鋁及鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50429-2007）[5]，在最大剛度平面內(nèi)，受彎構(gòu)件整體穩(wěn)定性應(yīng)滿足：

在式中，MX為繞強(qiáng)軸作用的最大彎矩；為受彎構(gòu)件的整體穩(wěn)定系數(shù)；WCX為對(duì)強(qiáng)軸受壓邊緣的有效截面模量。

軸心受壓（受拉）構(gòu)件整體穩(wěn)定性應(yīng)滿足：

壓彎構(gòu)件整體穩(wěn)定性應(yīng)滿足：

根據(jù)表3 的計(jì)算結(jié)果，聯(lián)系橋縱梁方通構(gòu)件承受的彎矩計(jì)算值最大，扶手方通承受的軸力計(jì)算值最大，故對(duì)其整體穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 聯(lián)系橋整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表(MPa)

3.3 撓度計(jì)算

根據(jù)《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50429-2007），主體結(jié)構(gòu)的構(gòu)件的撓度容許值為l/250，其中l(wèi) 為跨度或者支點(diǎn)間距離。聯(lián)系橋結(jié)構(gòu)最大撓度值為0.037m<16/250=0.064m，撓度設(shè)計(jì)值小于允許值，滿足撓度允許要求。

3.4 結(jié)果分析

根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果得知，聯(lián)系橋構(gòu)件強(qiáng)度、整體穩(wěn)定性及構(gòu)件變形均滿足規(guī)范要求，聯(lián)系橋各構(gòu)件的組合應(yīng)力云圖見(jiàn)圖4。不難看出，扶手方通的組合應(yīng)力最大，主要是由于構(gòu)件變形條件約束導(dǎo)致軸力作用較大，其截面尺寸較小，故應(yīng)力最大。而縱梁方通跨度最大，承受的彎矩作用也最大，是聯(lián)系橋自重及人群荷載作用的結(jié)果，但設(shè)計(jì)截面較大，故應(yīng)力較?。粡慕Y(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)角度考慮，主梁的應(yīng)力較小將使得結(jié)構(gòu)整體更可靠。同時(shí)縱梁制安的存在減小了縱梁的跨中最大彎矩，因此本工程在兩根縱梁方通之間設(shè)置的眾多縱梁制安構(gòu)件是合理的。

圖4 聯(lián)系橋各構(gòu)件的組合應(yīng)力云圖

以縱梁方通的計(jì)算結(jié)果為例，三個(gè)荷載組合下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5?？芍?，人群荷載是影響聯(lián)系橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全和整體穩(wěn)定的主導(dǎo)控制荷載，風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較小。原因在于聯(lián)系橋風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算中風(fēng)荷載體型系數(shù)按照2 榀桁架計(jì)算，加之風(fēng)壓高度變化系數(shù)也不大導(dǎo)致最終計(jì)算的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值較人群荷載小很多。同時(shí)風(fēng)壓作用面太小，聯(lián)系橋整體受風(fēng)荷載作用影響不大。因此，在一般接近地面高程且基本風(fēng)壓不大的類似工程中，聯(lián)系橋的設(shè)計(jì)可忽略風(fēng)荷載的影響。

圖5 縱梁方通構(gòu)件在不同荷載組合下的應(yīng)力對(duì)比圖

關(guān)于聯(lián)系橋結(jié)構(gòu)的緊固件連接強(qiáng)度、焊縫強(qiáng)度及臨近焊縫的鋁合金構(gòu)件焊接熱影響區(qū)強(qiáng)度，讀者應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程需求，按照《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50429-2007）相關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用MIDAS 有限元分析軟件對(duì)游艇碼頭聯(lián)系橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行詳細(xì)分析計(jì)算，按照《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)聯(lián)系橋構(gòu)件強(qiáng)度、整體穩(wěn)定性及變形要求進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果符合規(guī)定。通過(guò)對(duì)聯(lián)系橋各構(gòu)件的受力特征分析，總結(jié)聯(lián)系橋的主要受力構(gòu)件及不同荷載對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的影響，對(duì)聯(lián)系橋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有積極的指導(dǎo)意義。