劉欣欣，古松，常曉蕾，王新龍

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621000)

廢舊鉆桿制備短跨橋涵研究

劉欣欣，古松，常曉蕾，王新龍

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621000)

[摘要]隨著石油產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，鉆井公司產(chǎn)生廢舊鉆桿的數(shù)量也與日俱增，將廢舊鉆桿應(yīng)用于鉆井的其他工程對于鉆井公司來說意義重大。提出了利用鉆井工程中產(chǎn)生的廢舊鉆桿制備短跨橋涵。相對于目前已有的將鉆桿簡單平鋪起來制作2~3m的梁橋，可將跨徑擴(kuò)大至6m和8m。針對2種跨度進(jìn)行有限元分析計(jì)算分析，分別分析了不同鉆桿布置形式、抱箍間距等情況對橋梁撓度的影響，并給出2種跨徑下適合于鉆井工程大噸位車輛通過的最優(yōu)鉆桿排列方式和抱箍的布置位置。對8m跨徑的布置形式進(jìn)行了全橋整體模型的驗(yàn)算,給出了此情況下可行且比較經(jīng)濟(jì)的布置方案，證明了在理論上將廢舊鉆桿應(yīng)用于制作短跨橋涵是可行的，此種橋梁具有很大的推廣意義。

[關(guān)鍵詞]鉆桿；橋梁；石油；鉆井；撓度

從20世紀(jì)50年代初開始，石油鉆井技術(shù)由經(jīng)驗(yàn)鉆井步入科學(xué)化鉆井時(shí)期，鉆探深度和數(shù)量不斷增加。目前，鉆探深度普遍超過4000m，中國海油深水半潛式鉆井平臺(屬國際第六代海上半潛式鉆井平臺)最大鉆井深度達(dá)到12000m[1]。但石油鉆探工程中鉆桿的工作壽命普遍較低，有相當(dāng)一部分鉆桿在進(jìn)尺不多于1000m就失效了[2]，每年報(bào)廢的鉆桿數(shù)量龐大，基于此，考慮將廢舊鉆桿應(yīng)用于鉆前工程中的短跨橋梁，其應(yīng)用不僅有利于清潔生產(chǎn)綠色制造，也有利于資源的回收利用。另外，鉆井公司的車輛，一般噸位較大，如果鉆桿橋能夠安全的應(yīng)用于鉆井的各個(gè)工程，該橋梁將具有很大的推廣意義和應(yīng)用價(jià)值。

1車輛荷載的確定

考慮鉆前工程的橋涵一般地處偏僻，人跡罕至，橋梁公路等級可采用Ⅱ級公路[3]，但橋涵承受的荷載情況與公路Ⅱ級有較大差別。鉆井工程中車輛多為重車，若采用規(guī)范的車輛荷載取值，會出現(xiàn)所設(shè)計(jì)橋梁在鉆前工程中，較大車輛荷載作用下承載力不足的情況，因此有必要根據(jù)鉆前工程的實(shí)際情況確定車輛荷載的取值。通過調(diào)研，運(yùn)輸設(shè)備主要自重為：柴油機(jī)自重30t/臺，泥漿泵自重30t/臺，泥漿循環(huán)罐自重10t/個(gè)。因此，確定上部結(jié)構(gòu)汽車荷載為100t。鉆前工程橋梁跨徑多為3～10m，該種類型的橋梁力學(xué)反應(yīng)多以局部效應(yīng)為主，因此，選用車輛荷載單軸重25t、集中荷載的加載方式。

2荷載工況

鉆桿的強(qiáng)度較高，但橫截面尺寸較小，因此剛度較小，在荷載作用下?lián)隙容^大。因此，通過將鉆桿疊合在一起作為一片縱梁以提高其抗彎剛度，達(dá)到提高橋梁承載力、降低橋梁撓度的目的。但具體的鉆桿組合形式、布置方式以及橫梁的形式、截面尺寸和間距等都需要通過進(jìn)一步研究確定。筆者采用有限元軟件對這些影響因素進(jìn)行了探究，得到對提高鉆桿橋承載力最有效的方式，并設(shè)計(jì)出橋梁的結(jié)構(gòu)形式，最后通過大量試算得到最經(jīng)濟(jì)、有效的結(jié)構(gòu)布置方案。

圖1　荷載工況

由于汽車荷載在橋梁上為隨機(jī)分布的空間荷載，因此，需對汽車荷載在橋梁上運(yùn)行的所有工況進(jìn)行模擬，得到橋梁在汽車荷載作用下跨中撓度分布，進(jìn)而用得到的最不利工況，對橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)。對此情況，需要模擬荷載從左向右移動直至荷載對稱于橋面的所有工況，以得到在移動荷載作用下各鉆桿跨中撓度分布，以對鉆桿橋的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。荷載工況如圖1所示。

3有限元分析

圖2　橋梁平面圖　　　　　　　　　　　圖3　荷載加載點(diǎn)

為探究鉆桿及橫梁的剛度及間

距對橋梁性能的影響，先建立簡易橋梁模型探究改變橫梁剛度(橫截面尺寸)，橫梁間距，縱梁剛度(鉆桿的組合方式)，縱梁橫橋向布置方式(均勻布置、邊部加密)4種情況下橋梁的撓度變化規(guī)律，得出規(guī)律后即可對橋梁進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。將橋梁的原始簡易模型設(shè)為：縱向12根鉆桿等間距布置，間距為300mm，其上等間距布置5根H型鋼橫梁，H型鋼尺寸為H200×200，間距為1000mm。橋梁的平面尺寸為4.4m(縱向)×3.3m(橫向)，構(gòu)件平面布置如圖2所示。此平面布置僅作為縱、橫梁的剛度及布置方式對橋梁承載力的影響規(guī)律研究之用。

模型的有限元模型采用beam188單元，材料均為Q235鋼，彈性模量為210GPa,泊松比為0.3?？v、橫梁的橫截面都通過慣性矩等效轉(zhuǎn)換成矩形截面，即縱梁等效成橫截面為155mm×130mm的矩形截面梁，橫梁等效成橫截面為75mm×60mm的矩形梁?？v橫梁間的節(jié)點(diǎn)處施加RX、RY、RZ、DX、DZ (縱梁方向)約束，按簡支梁進(jìn)行端部支撐條件處理。由于跨中撓度是其彎矩造成的，為了簡化計(jì)算，本次模擬采用等抗彎剛度的矩形截面代替實(shí)際截面。

橋梁的荷載工況為在跨中從第1根鉆桿至第4根鉆桿之間依次施加間距為1.8m，荷載大小為250kN的集中荷載[3]。由于橋梁結(jié)構(gòu)對稱，這樣可以模擬出車輛在橋梁上行駛的所有工況，荷載加載點(diǎn)如圖3所示。所得結(jié)果為在不同荷載工況下的每根鉆桿的跨中撓度。

3.1橫梁剛度、布置方式對橋梁撓度的影響

為探究橫梁剛度對縱梁跨中撓度的影響，通過改變橫梁橫截面大小來改變橫梁剛度。筆者模擬計(jì)算了6種布置方式，布置方式1為縱橫梁尺寸不變，且梁間間距都不變時(shí)的情況，即橫梁間距1000mm，縱梁間距300mm，布置方式2到5是改變橫梁剛度的情況，橫梁慣性矩從跨中位置開始依次增大(同一位置并排擺放2個(gè))，其中布置方式5為所有橫梁慣性矩均增大，布置方式6將橫梁間距調(diào)整為200mm。為了方便起見，將上述布置方式依次命名為橫梁布置1到6。

(1) PMSM采用逆變器供電時(shí),電流和徑向氣隙磁密波形都出現(xiàn)許多毛刺,在開關(guān)頻率附近存在幅值較大的電流諧波,增加了高頻段結(jié)構(gòu)共振的可能性。

模擬結(jié)果如圖4所示，由圖4可以看出，增大橫梁剛度，使得縱梁內(nèi)力重分布，縱梁跨中撓度沿橫向變化的線性增強(qiáng)，更加穩(wěn)定。單純地增大跨中橫梁的剛度，對減小縱梁跨中撓度的效果很小，即使跨中橫梁截面慣性矩變化很大，對縱梁跨中撓度的改變也是很小的，故單純增大跨中橫梁剛度并不可取。當(dāng)同時(shí)增大跨中橫梁與次跨中橫梁的剛度時(shí)，縱梁跨中撓度變化稍明顯，但是撓度減小的幅度也不是很大。而當(dāng)單純地減小橫梁間距時(shí)，帶來的影響微乎其微，此種方式也不可取。總的來說，靠改變橫梁剛度或間距，對減小縱梁跨中撓度效果不明顯。

3.2縱梁剛度對橋梁撓度的影響

為了探究縱梁剛度對橋梁跨中撓度的影響，筆者通過將部分縱梁截面增大一倍，即將2個(gè)鉆桿上下拼接的方式以增大其截面抗彎剛度，從邊梁開始對稱向中梁變化截面(每次只變對稱的兩根梁截面)，為了方便說明分別將變換縱梁剛度后的6種橋梁定義為剛度布置1到6(剛度布置6為所有截面均增大一倍)。用矩形截面等抗彎剛度替代后，截面的尺寸從60mm×120mm，增加到120mm×180mm。

加載采用兩點(diǎn)集中荷載，第1次加載位置見圖1(a)中標(biāo)示位置，2個(gè)加載點(diǎn)的中點(diǎn)橫坐標(biāo)為1.90m，荷載大小均為250kN，方向垂直橋面向下。將加載點(diǎn)中心位置向右依次遞增0.15m，得到6組不同加載位置。根據(jù)對稱性，該6組加載位置基本能模擬汽車在橋面行駛時(shí)施加于橋梁上的荷載。

計(jì)算結(jié)果如圖5所示，圖5中各條線代表該組合下的最大撓度值(荷載最不利布置即按圖1(a)布置時(shí)的撓度)。不難看出，增大縱梁剛度的方式對于減小跨中撓度是相當(dāng)有效的，然而增大不同縱梁截面剛度帶來的效果差異較大：剛度布置1相對于原始橋梁，其跨中撓度最大值減小了55%左右；剛度布置2相對布置1跨中撓度最大值減小30%左右；剛度布置3相對于布置2，減小比例為23%左右；布置情況4對于布置3，減小比例為15%左右；而剛度布置情況5和6，相對于之前橋梁減小比例均僅為10%左右，效果不明顯。

圖4　不同橫梁剛度、布置方式下各鉆桿的跨中撓度　　　　　　　　圖5　增大縱梁剛度跨中撓度情況對比

由圖5可知，增大縱梁剛度的方式對于減小跨中撓度是相當(dāng)有效的，然而增大不同縱梁截面剛度帶來的效果差異較大，增大外邊緣縱梁的剛度效果是最為明顯的，由外向內(nèi)效果遞減。在變化縱梁剛度時(shí)，橋梁剛度分布不均勻，會引起橋梁的內(nèi)力重分部，橋梁跨中撓度值隨節(jié)點(diǎn)位置變化線性有所減弱。若要解決此問題，可以通過增大橋面平面的剛度得以實(shí)現(xiàn)，如增大橋面厚度、增大橫梁剛度、減小橫梁間距等。以上措施可以減小由縱梁局部剛度變化造成的內(nèi)力重分部帶來的影響。

3.3改變縱梁(鉆桿)間距對橋梁撓度的影響

圖6　不同組合下鉆桿布置圖

圖7　不同縱梁間距下各鉆桿跨中撓度

由計(jì)算結(jié)果(見圖7)可看出，每一種鉆桿布置下，最不利的荷載布置都是荷載工況1，即荷載布置在邊部(第1根鉆桿處)。通過向兩邊加密邊部鉆桿，鉆桿橋的最大撓度有所減小，分別為65.5、63.304、62.05、59.09mm，撓度減小最大幅度為9.8%，加密邊部鉆桿對減小橋梁最大撓度效果不明顯。且橋梁中部的兩根鉆桿撓度變化較大(第6、7根鉆桿處)，橋梁在偏心荷載作用下易在此橫梁處扭斷。因此，撓度變化均勻，大致呈線性的等間距布置形式有明顯的優(yōu)點(diǎn)。

3.4計(jì)算結(jié)果分析

1)通過以上的有限元模擬對比分析，對提高橋梁整體性能最有效的方法為增大縱梁剛度。當(dāng)控制橫梁的布置不變，把所有鉆桿截面疊放增大一倍時(shí)，橋梁撓度由最初的65.5mm降低至10.691mm，相對于橋梁初始撓度減小了83.68%，增大截面法對減小橋梁撓度，提高橋梁整體性能效果顯著。

2)控制縱梁的布置不變，把所有橫梁截面疊放增大2倍，橋梁的最大撓度由最初的65.5mm降低至46.631mm，相對于橋梁初始撓度減小了28.81%。此法對降低橋梁撓度，使縱梁受力更加合理有一定效果，但效果不明顯，但提高橫梁剛度能使得縱梁受力更加趨于均勻，可以減小縱梁的最大撓度及最小撓度之間的差值。

3)當(dāng)鉆桿由橫向間距300mm均勻布置變?yōu)檫叢裤@桿加密為間距100mm，中部鉆桿間距1.8m時(shí)，橋梁最大撓度由最初的65.5mm降至59.09mm，相對于橋梁初始撓度減小了9.8%。且當(dāng)橋梁承受最不利荷載作用時(shí)，中部2根鉆桿撓度變化較大，因此加密承受車輛集中荷載的邊部鉆桿的間距，對提高橋梁整體性能效果不明顯。

綜上分析，可以采用增大縱梁截面的方法提高橋梁整體性能，使其撓度在荷載作用下符合規(guī)范要求。同時(shí)，適當(dāng)增加橫梁剛度以調(diào)節(jié)縱梁受力。對于鉆桿的布置選用受力呈線性分布的均勻布置形式。為了保證鉆桿的穩(wěn)定性及考慮連接件的設(shè)計(jì)制作將3根鉆桿疊合在一起形成一個(gè)“品”字形作為一片疊合縱梁。

4鉆桿橋整體模型驗(yàn)算

最終確定布置方案為縱向?yàn)槊?根鉆桿按品字型綁在一起的疊合梁組，每根鉆桿尺寸為外徑140mm，內(nèi)徑120mm[4]。橫向通過焊接槽鋼充當(dāng)橫梁的作用。筆者對跨徑為6m和8m的橋進(jìn)行了計(jì)算。為了統(tǒng)一模型尺寸，疊合梁與橫梁的橫截面都通過慣性矩等效轉(zhuǎn)換成了矩形截面梁。荷載施加按照最不利狀況，即2個(gè)大小分別為25t的集中力，施加在疊合梁跨中，且一個(gè)力在端部疊合梁上方，另一個(gè)力在靠近中部的疊合梁上方，約束情況為疊合梁兩端簡支。由于疊合梁上面是鋼板，力的加載位置在鋼板上，為了簡化模型，于是在跨中建立一塊扁平梁(截面尺寸為100mm×10mm)代替鋼板的作用，力加載在該扁平梁上，這樣更加貼近實(shí)際使用的情況。

下面給出8m長鉆桿橋的模擬情況：

鉆桿布置1——疊合梁8組，間距460mm，橫梁12排，間距740mm。

鉆桿布置2——疊合梁12組，間距300mm，橫梁12排，間距740mm。

鉆桿布置3——疊合梁7組，間距500mm，橫梁6排，橫梁間距1500mm。

綜合上面幾種布置情況，根據(jù)撓度和鋼材用量的權(quán)衡，鉆桿布置3的布置方案最優(yōu)，即7組疊合梁，間距500mm，6排橫梁，間距1500mm，有一端橫梁距內(nèi)排橫梁距離2000mm。

5鉆桿橋設(shè)計(jì)

圖8　8m跨橋型鉆桿布置圖

圖9　支座抱箍布置圖

通過對多種結(jié)構(gòu)布置方案的比選得到最終的鉆桿橋布置，即承重縱梁為外徑140mm，壁厚20mm的廢舊鉆桿，鉆桿以3個(gè)為一組疊合起來形成一個(gè)“品”字形作為一片縱梁，其橫向間距為0.5m，在端部及其中部等截面用抱箍連接件約束。驗(yàn)算通過的8m跨橋型結(jié)構(gòu)見圖8、9。

兩片“品”型縱梁間距為500mm，抱箍連接件縱橋向間距為1.5m，除中間布置抱箍外，兩端也分別布置端抱箍(通過預(yù)埋螺栓與支座連接)，在抱箍兩側(cè)對稱焊接兩塊耳板作為一個(gè)抱箍連接件整體，其中支座抱箍于橋墩用預(yù)埋件連接；拼裝時(shí)在抱箍連接件件上焊接10#槽鋼(規(guī)格為100mm×48mm)作為橫隔板；最后在橋面鋪設(shè)厚度為10mm的鋼板作為橋面鋼板。

6結(jié)語

經(jīng)上述分析可知，將廢舊鉆桿應(yīng)用于短跨橋涵的制作是可行的，按照筆者設(shè)計(jì)的鉆桿布置方式，可以將鉆桿橋的跨度擴(kuò)大至8m，相對于目前的應(yīng)用情況來說有了較大的提高。另外，對于普通的交通橋梁來說，由于其車輛荷載相對于鉆井工程來說較小，其撓度和應(yīng)力情況將會比筆者分析的更加安全，因此筆者給出的鉆桿布置方式，不僅適用于鉆井工程中大噸位車輛通行，對于一般交通的應(yīng)用也更具有推廣意義。

[參考文獻(xiàn)]

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[4]API SPEC 5D-1999，鉆桿規(guī)范(第4版)[S].

[編輯]計(jì)飛翔

[引著格式]劉欣欣，古松，常曉蕾，等.廢舊鉆桿制備短跨橋涵研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2015,12(13)：60~64.

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)13-0060-05

[中圖分類號]U443.3

[作者簡介]劉欣欣(1989-)，男，碩士生，現(xiàn)主要從事結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方面的研究工作；E-mail:38673368@qq.com。

[基金項(xiàng)目]四川省教育廳科研項(xiàng)目(15ZA0122)；長安大學(xué)開放實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(2014GL052008)。

[收稿日期]2014-12-14