李郁林 成瀅 封斌

摘要：為研究貝雷梁鋼便橋的上部結(jié)構(gòu)及下部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)受力特性，采用有限元軟件Midas/Civil對某貝雷梁加鋼管柱鋼便橋進(jìn)行建模分析，得到分配梁、貝雷梁、鋼管柱等應(yīng)力參數(shù)，根據(jù)容許應(yīng)力法，對各構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算。計(jì)算結(jié)果表明，原方案支座處貝雷梁豎桿應(yīng)力超限，采取加強(qiáng)措施后，應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：鋼便橋; 貝雷梁; 有限元分析; 承載能力極限

中圖分類號：U445.35文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

現(xiàn)行主流的橋梁施工方案中，鋼便橋常被作為工程施工和運(yùn)輸?shù)闹饕R時(shí)結(jié)構(gòu)，被用以確保施工所需人員、材料及設(shè)備的進(jìn)出，其對施工的正常進(jìn)行及質(zhì)量保障起到了重要的作用［1-3］。以往研究表明，貝雷架作為一種用途較多的支承構(gòu)件，由于其采用的單銷連接方式，使得其在實(shí)際工程具有便于拆裝、維護(hù)及運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢，因此采用該種支架的貝雷梁鋼便橋在橋梁設(shè)計(jì)及建設(shè)中得到了廣泛的使用［4-5］。

針對貝雷梁鋼便橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析，王其林［6］采用有Midas/Civil對某下承式貝雷梁鋼便橋的受力分析結(jié)果表明，該橋主桁梁的剪切與彎曲應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在貝雷梁下弦桿處。侯孝振［7］對某跨河施工臨時(shí)貝雷鋼便橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)算分析結(jié)果也表明，貝雷梁支撐點(diǎn)位置豎桿軸力較大，應(yīng)在施工時(shí)重點(diǎn)關(guān)注，并加強(qiáng)監(jiān)控。徐波等［8］針對下承式貝雷梁鋼便橋的梁架組合形式研究表明，較貝雷梁單層三排貝布置方式，采用雙層兩排的布置方式更優(yōu)，能夠顯著減小結(jié)構(gòu)主梁的豎向位移。因此有必要針對貝雷梁鋼便橋的上部結(jié)構(gòu)（主要為貝雷梁）及下部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)受力及安全性進(jìn)行計(jì)算分析。

本文以某全長為78 m的貝雷梁鋼便橋?yàn)楣こ瘫尘?，采用有限元軟件Midas/Civil建立有限元模型，對該橋在不同荷載下的受力特性進(jìn)行分析，并提出相關(guān)的設(shè)計(jì)參考建議。

1工程概況

本鋼便橋全長78 m，采用貝雷梁、工字鋼支架搭設(shè)，橋?qū)? m，單車道，共1聯(lián)，主要用于走行混凝土運(yùn)輸車等重載施工車輛（55 t），兼作施工平臺。鋼便橋下部采用A630×8 mm鋼管樁基礎(chǔ)，每排為3樁，間距2.45 m，排距12～15 m，其中，③、④、⑤、⑥位于水中，②位于岸坡，①、⑦位于岸上，如圖1和圖2所示。鋼管樁頂部設(shè)置雙拼40a工字鋼橫梁，縱向梁部采用普通型貝雷梁，為12 m+12 m+15 m+15 m+12 m+12 m連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)，貝雷梁頂設(shè)置I20a工字鋼，間距30 cm，其上滿鋪8 mm厚壓花鋼板。本鋼便橋貝雷梁采用16 Mn鋼，其他型鋼采用Q235鋼，材料力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

該鋼便橋按鋼管樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，樁側(cè)摩擦力和樁端阻力采用了JTG 3363-2019《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》及JGJ 94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》提供的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)如表2所示。

2設(shè)計(jì)荷載及組合

對于該橋的荷載取值，參考相關(guān)規(guī)范，主要從永久作用與可變作用出發(fā)，并以此計(jì)算得到相應(yīng)的荷載組合。其中恒載根據(jù)材料容重和體積計(jì)算，具體實(shí)現(xiàn)方法通過Midas軟件根據(jù)有限元模型設(shè)定的截面和尺寸自行計(jì)算施加。

活載的取值則根據(jù)實(shí)際情況選取，主要考慮幾部分：

（1）移動(dòng)荷載考慮混凝土運(yùn)輸車等重載施工車輛（55 t），采用車道面加載。車輛荷載按照車道中心加載，橫向車輪按照J(rèn)TG D60-2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》設(shè)置。

（2）對位于水中的鋼管柱，考慮流水壓力作用，根據(jù)JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》式（1）計(jì)算。

P=KAγν22g（1）

式中：各符號參見JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，形狀系數(shù)K取0.8，重力加速度取9.81 m/s2，流速v取1.5 m/s。通過計(jì)算可得到水中鋼管樁單樁的流水壓力為P=3.33 kN。

（3）驗(yàn)算鋼管柱承載能力時(shí)，考慮上部結(jié)構(gòu)傳來的以及自身的風(fēng)荷載，采用公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范中的方法計(jì)算?？傻玫絾胃摴苤茱L(fēng)荷載為1.51 kN/m，上部結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載為1.85 kN/m。

采用上述計(jì)算所得到的永久作用與可變作用下的橫載與活載數(shù)值，并參照公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行荷載組合，取基本組合和標(biāo)準(zhǔn)組合，具體為：

驗(yàn)算強(qiáng)度的荷載組合：1.2恒載+1.4活載。

驗(yàn)算剛度的荷載組合：恒載+活載。

3結(jié)構(gòu)受力分析

本文采用有限元軟件Midas/Civil建立有限元模型，以此計(jì)算得到各節(jié)點(diǎn)處的最大應(yīng)力及位移，從而對該貝雷梁鋼便橋的結(jié)構(gòu)受力特性及安全性進(jìn)行分析研究。

3.1上部結(jié)構(gòu)

該橋上部結(jié)構(gòu)主要由工字鋼分配梁、工字鋼橫梁以及貝雷梁組成，上部結(jié)構(gòu)有限元模型如圖3所示，模型采用桿單元建立，橋面板與橫梁、橫梁與縱梁之間均采用剛性連接，橫梁下鋼柱簡化為支座，鋼管柱單獨(dú)分析。

3.1.120a工字鋼分配梁

間距30 cm的20a工字鋼有限元模型如圖4所示，其中上部結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的最大正應(yīng)力與剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)20a工字鋼的最大正應(yīng)力為62.0 MPa，最大剪應(yīng)力為19.5 MPa，均小于鋼材容許應(yīng)力，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

3.1.240a工字鋼橫梁

鋼管樁頂部設(shè)置的雙拼40a工字鋼橫梁各節(jié)點(diǎn)的豎向撓度如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)最大豎向撓度為0.62 mm，小于規(guī)范要求的6000/500=12 mm，滿足安全需求。鋼橫梁底部支反力，即鋼管樁頂部豎向力計(jì)算結(jié)果如圖6所示，其中最大支反力為500.6 kN。

同時(shí)由表3可知，20a工字鋼的最大正應(yīng)力為70.0 MPa，最大剪應(yīng)力為47.03 MPa，均小于鋼材容許應(yīng)力，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

3.1.3貝雷梁計(jì)算結(jié)果

貝雷梁主要由斜撐、豎桿、弦桿組成，利用Midas計(jì)算可得到各個(gè)構(gòu)件的應(yīng)力，同樣該貝雷梁各構(gòu)件處的最大正應(yīng)力與剪應(yīng)力分析計(jì)算結(jié)果如表3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)貝雷梁豎桿、弦桿的最大正應(yīng)力和最大剪應(yīng)力均小于容許應(yīng)力，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

而支座處豎桿由于所受剪力較大，剪力由支點(diǎn)處豎桿承擔(dān)，使得豎桿最大壓應(yīng)力約為209 MPa（圖7），超過豎桿8號工字鋼的容許應(yīng)力，需作加強(qiáng)處理。加強(qiáng)采用10號槽鋼，位置為各鋼管柱支點(diǎn)中心線兩側(cè)的貝雷梁豎桿處，如圖8所示。加強(qiáng)后，貝雷梁豎桿最大正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖9所示，最大正應(yīng)力約為140 MPa，小于鋼材容許應(yīng)力，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

3.2下部結(jié)構(gòu)

該橋的下部結(jié)構(gòu)采用鋼管樁作為上部結(jié)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)，對上部結(jié)構(gòu)的正常使用和安全有重要作用，本設(shè)計(jì)對鋼管樁進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算分析，主要計(jì)算其穩(wěn)定性、入土深度以及貫入度。

3.2.1壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算

由上部結(jié)構(gòu)的計(jì)算可知，標(biāo)準(zhǔn)組合下邊支點(diǎn)鋼管樁最大支反力為315 kN，中支點(diǎn)鋼管樁最大支反力為501 kN；基本組合下邊支點(diǎn)鋼管樁最大支反力為430 kN，中支點(diǎn)鋼管樁最大支反力為681 kN。

根據(jù)樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范以及本鋼管柱的設(shè)計(jì)參數(shù)可得到其長細(xì)比λ=46.11，穩(wěn)定系數(shù)為φ=0.927，故其穩(wěn)定應(yīng)力大小σ=N/（φA）=47.09 MPa，小于185 MPa，滿足壓桿穩(wěn)定要求。

3.2.2橫向和豎向荷載共同作用下穩(wěn)定性驗(yàn)算

根據(jù)本設(shè)計(jì)實(shí)際情況可知，橫橋向中間單排樁剛度最小，需考慮風(fēng)力及流水壓力對排樁的水平作用。梁部風(fēng)荷載按加載長度15 m（單排柱所承擔(dān)的橫向阻風(fēng)長度）計(jì)算，簡化為集中力作用于柱頂部分，采用Midas建立有限元模型進(jìn)行計(jì)算，位移計(jì)算結(jié)果如圖10所示。計(jì)算時(shí)偏安全地按照鋼管樁頂部自由考慮，此時(shí)鋼管樁可看作懸臂體系，由計(jì)算結(jié)果過可知，在最不利風(fēng)和流水荷載作用下柱頂產(chǎn)生的位移為7.8 mm，小于10140/400=25.35 mm，對整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響較小，表明本設(shè)計(jì)在各個(gè)工況下的穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

3.2.3鋼管樁入土深度計(jì)算

本次施工采用鋼管樁按閉口錘擊入土，樁長從局部沖刷線算起。根據(jù)JGJ 94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，采用式（2）計(jì)算。

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+λpqpkAp（2）

式中各參數(shù)含義參照規(guī)范，其中，樁的周長u取1.978 m，λp取1.0，地質(zhì)參數(shù)參照施工圖資料，結(jié)合規(guī)范選取，具體參數(shù)見表2。通過反復(fù)計(jì)算，取中支點(diǎn)鋼管樁入土深度為20 m，樁底標(biāo)高為16.2 m，樁端進(jìn)入第4號地層粉細(xì)砂中1.4 m，可求得Quk=1817.9 kN，Ra=Quk/2=908.9 kN>681 kN。即選用此入土深度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2.4貫入度計(jì)算

根據(jù)格爾塞萬諾夫打樁公式，計(jì)算打樁時(shí)最后10擊的下沉量e，即為貫入度見式（3）。

e=n×A×Q×Hm×p×（m×p+n×A）×Q+K2×qq+Q（3）

式中：e為貫入度；n根據(jù)材料和樁帽，取n=2.0；A樁支撐面積，為15 600 mm2；Q為落錘重量，D60取Q=6500 kN；m為安全系數(shù)，對于臨時(shí)結(jié)構(gòu)，取m=1.5；P為樁設(shè)計(jì)承載能力，取1 817 kN；K為恢復(fù)系數(shù)，取K=0；q為樁和樁帽的重量，按樁長27 m計(jì)算，q=27×0.0156×78.5=33.064 kN。

通過上述計(jì)算可得貫入度為5.11 cm。鋼管柱施工時(shí)可以樁底標(biāo)高控制為主，貫入度控制為輔。

4結(jié)論

本文利用有限元軟件Midas/Civil對某連續(xù)鋼便橋進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，得到了鋼便橋各個(gè)構(gòu)件的應(yīng)力分布，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對部分構(gòu)件進(jìn)行了加固，使得設(shè)計(jì)滿足工程需求，并得到結(jié)論：

（1）對于鋼便橋的設(shè)計(jì)計(jì)算而言，可以利用有限元軟件Midas/Civil，分別計(jì)算上、下部結(jié)構(gòu)，得到各個(gè)構(gòu)件的應(yīng)力，根據(jù)應(yīng)力是否超限選擇合適的設(shè)計(jì)更改方案。

（2）橋梁支座處所受剪力較大，采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)時(shí)，該處構(gòu)件易成為薄弱點(diǎn)，需作局部加強(qiáng)處理。

（3）鋼管柱設(shè)計(jì)施工時(shí)，宜同時(shí)計(jì)算入土深度和貫入度，以便實(shí)際施工時(shí)以樁底標(biāo)高控制為主，貫入度控制為輔，提高施工進(jìn)度。

參考文獻(xiàn)

［1］王鐵.鋼便橋設(shè)計(jì)施工技術(shù)［J］.江西建材，2015（19）：188-190.

［2］曾珍明.鋼便橋設(shè)計(jì)及施工分析［J］.建筑技術(shù)開發(fā)，2020，47（23）：111-112.

［3］藍(lán)偉鋒.手算與有限元分析結(jié)合在鋼便橋驗(yàn)算中的運(yùn)用［J］.中國水運(yùn)，2022（8）：52-55.

［4］蔡桂標(biāo).貝雷架鋼便橋設(shè)計(jì)及關(guān)鍵施工技術(shù)［J］.廣東土木與建筑，2022，29（5）：89-92.

［5］喬中美.貝雷架鋼便橋設(shè)計(jì)與施工技術(shù)分析［J］.交通世界，2021（21）：24-25.

［6］王其林.大跨度下承式鋼便橋結(jié)構(gòu)受力分析［J］.居舍，2021（30）：69-70.

［7］侯孝振.基于MIDAS Civil的某跨河鋼便橋設(shè)計(jì)驗(yàn)算有限元分析［J］.安徽建筑，2021，28（7）：176-177.

［8］徐波，鄭偉佳，吳炎奎，等.下承式貝雷梁鋼便橋應(yīng)用［J］.西北水電，2022（3）：96-99.

［作者簡介］李郁林（1994—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)闃蛄嚎辈煸O(shè)計(jì)。