下承式貝雷梁鋼便橋應(yīng)用

徐 波,鄭偉佳,吳炎奎,陳 印

(中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司,鄭州 450001)

0 前 言

貝雷架作為一種萬(wàn)用型的支承構(gòu)件，用單銷連接，拆裝、運(yùn)輸方便，構(gòu)件易于替換，可以多次重復(fù)使用，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式、跨徑、支承方式進(jìn)行組合來(lái)提供支撐，在工程施工中應(yīng)用十分廣泛，尤其在橋梁工程建設(shè)中發(fā)揮了重要作用。鋼便橋主梁(貝雷桁架)通常采用雙排單層、三排單層、雙排雙層、三排雙層等斷面組合形式進(jìn)一步增加橋梁的跨越和承載能力[1]。因此，在貝雷梁鋼便橋設(shè)計(jì)執(zhí)行過(guò)程中，對(duì)橋梁選型、梁架組合進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化比選，在滿足結(jié)構(gòu)使用性能的同時(shí)減少貝雷架的使用量，加快支撐材料的周轉(zhuǎn)，具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)踐意義。

本文以海外公路項(xiàng)目臨時(shí)用橋的施工為工程依托，利用項(xiàng)目現(xiàn)有貝雷架材料作為設(shè)計(jì)橋梁主梁構(gòu)件，通過(guò)Midas/Civil有限元軟件建立橋梁結(jié)構(gòu)仿真模型，對(duì)橋型結(jié)構(gòu)、梁架布設(shè)組合進(jìn)行分析，確定滿足施工要求的鋼便橋經(jīng)濟(jì)配設(shè)形式，同時(shí)為橋梁架設(shè)施工過(guò)程提供必要的技術(shù)支持，可為類似橋梁、臨時(shí)支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

本項(xiàng)目位于南美洲玻利維亞圣克魯斯省，該地區(qū)為熱帶草原氣候，分旱雨兩季，季節(jié)變化明顯，常年高溫。Surutu鋼便橋工程是項(xiàng)目部與當(dāng)?shù)卣セ莺献鞯某晒?，?xiàng)目所用原材石料需要經(jīng)此橋進(jìn)行運(yùn)輸。由于河道較寬，河床較淺且疏于清理，致使初期建設(shè)完成的4跨共計(jì)134 m的鋼便橋在雨期不能滿足通行要求，應(yīng)當(dāng)?shù)卣髮?duì)其進(jìn)行擴(kuò)延，總長(zhǎng)達(dá)201 m。限于缺少原設(shè)計(jì)規(guī)格尺寸構(gòu)件，不能及時(shí)調(diào)配等客觀因素影響，新建橋跨只能采用現(xiàn)有3 m×1.5 m貝雷架代替，橋跨結(jié)構(gòu)如圖1所示。一期橋梁結(jié)構(gòu)斷面如圖2所示。

圖1 Surutu鋼便橋橋跨結(jié)構(gòu) 單位：m

圖2 一期橋梁結(jié)構(gòu)典型斷面 單位：m

2 鋼便橋有限元分析模型

現(xiàn)場(chǎng)施工可以調(diào)撥足額的標(biāo)準(zhǔn)貝雷架，但缺少加強(qiáng)弦桿組件。擴(kuò)延橋段為雙跨布置，可以選擇連續(xù)梁橋型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。單跨縱向一排擬采用11片貝雷架進(jìn)行模擬。根據(jù)現(xiàn)有施工條件及前期工程經(jīng)驗(yàn)初步擬定仿真模擬流程如圖3所示。擬采用主梁斷面布設(shè)形式如圖4所示。

圖3 初擬方案仿真模擬流程

圖4 3種擬采用主梁斷面布設(shè)形式

通過(guò)有限元分析軟件建立不同初擬橋型與配設(shè)方案組合的結(jié)構(gòu)有限元模型，模擬重載車輛移動(dòng)荷載工況下不同組合結(jié)構(gòu)的受力性能及位移情況。

2.1 模型建立

本文采用梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬貝雷架弦桿、腹桿及橫向聯(lián)系梁，用桁架單元模擬貝雷架橫向支撐架，各節(jié)段之間在上下弦桿端頭用銷子連接，因此釋放梁端約束，即繞y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。在橋梁端部及主梁與橫梁連接處設(shè)支承及彈性連接，并設(shè)橫向聯(lián)系梁組以建立車道，所建簡(jiǎn)支單層結(jié)構(gòu)模型梁、桁架單元共計(jì)1 984個(gè)。在原有單層結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上建立層間彈性連接的邊界條件，實(shí)現(xiàn)雙層結(jié)構(gòu)建模，模型單元共計(jì)2 888個(gè)。對(duì)執(zhí)行一聯(lián)橋跨布設(shè)的連續(xù)梁橋型，在簡(jiǎn)支橋型雙層布設(shè)模型的基礎(chǔ)上，相應(yīng)增設(shè)一跨主梁、橫梁?jiǎn)卧?，變更橋跨支承邊界條件，更新車道及橫向聯(lián)系梁組，建立連續(xù)梁結(jié)構(gòu)仿真分析模型，模型單元共計(jì)5 776個(gè)。

本文重點(diǎn)針對(duì)貝雷梁的受力性能進(jìn)行研究故對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，未建立小縱梁?jiǎn)卧Y(jié)果分析中對(duì)橫向連系梁進(jìn)行了鈍化處理，不做參考。對(duì)雙跨布設(shè)簡(jiǎn)支橋型，橋段結(jié)構(gòu)各項(xiàng)受力性能相同，僅模擬單跨橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。所建鋼便橋有限元分析模型如圖5所示，分別為簡(jiǎn)支單層、簡(jiǎn)支雙層及連續(xù)雙層圖示。

圖5 鋼便橋有限元模型

2.2 工況設(shè)定

項(xiàng)目工程用車多為北奔重卡自卸車，車身寬2.5 m，后輪輪距1.8 m，按后軸載重17 t，總荷載40 t考慮。執(zhí)行中國(guó)規(guī)范，采用用戶定義車輛荷載進(jìn)行移動(dòng)荷載布設(shè)，對(duì)自重荷載及移動(dòng)荷載分別取1.2和1.4的分項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行荷載組合，模擬實(shí)際載重車輛通行情況并進(jìn)行受力性能分析。

3 過(guò)程模擬分析

GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]第4.4.1條鋼材的設(shè)計(jì)用強(qiáng)度指標(biāo)及其附錄B關(guān)于受彎構(gòu)件的撓度允許值規(guī)定貝雷架構(gòu)件及結(jié)構(gòu)需滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。材料性能參數(shù)及主梁撓度允許值如表1所示。

表1 構(gòu)件材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值及主梁撓度允許值

3.1 主梁結(jié)構(gòu)受力性能分析

所建模型均為不加強(qiáng)主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，執(zhí)行初擬設(shè)計(jì)方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模仿真，對(duì)新建橋跨進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力性能分析。各結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)荷載組合工況下主梁變形及受力情況如表2所示，簡(jiǎn)支橋跨單層布設(shè)主梁?jiǎn)卧Q向位移如圖6所示，簡(jiǎn)支橋跨雙層布設(shè)主梁?jiǎn)卧魬?yīng)力如圖7所示，連續(xù)橋跨雙層布設(shè)主梁?jiǎn)卧S向應(yīng)力如圖8所示。

表2 主梁變形及受力情況

圖6 橋跨主梁?jiǎn)卧Q向位移(簡(jiǎn)支單層)

圖7 橋跨主梁?jiǎn)卧魬?yīng)力(簡(jiǎn)支雙層)

圖8 橋跨主梁?jiǎn)卧S向應(yīng)力(連續(xù)雙層)

簡(jiǎn)支橋型貝雷架單層三排布設(shè)的主梁在自重與移動(dòng)荷載組合工況作用下，梁段由兩端向中間發(fā)生豎向變形，在中間位置出現(xiàn)位移最大值，位移量為189.8 mm。除兩側(cè)端支座處出現(xiàn)最大剪應(yīng)力值外，內(nèi)側(cè)主梁?jiǎn)卧魬?yīng)力值符合變化規(guī)律，最大剪應(yīng)力值為125 MPa，軸應(yīng)力最大值出現(xiàn)在跨中主梁底部為364.16 MPa。由模擬結(jié)果來(lái)看，主梁底部位移較大，軸向應(yīng)力超過(guò)規(guī)范鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)允許值，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生破壞，故該橋型主梁布設(shè)形式不滿足設(shè)計(jì)要求。

簡(jiǎn)支橋型在增加第二層主梁?jiǎn)卧Y(jié)構(gòu)后橋跨主梁位移減小，結(jié)構(gòu)受力性能得到提高。主梁在跨中位置出現(xiàn)最大位移，最大值為68.92 mm。橋跨中部剪應(yīng)力影響最大值為134 MPa。主梁結(jié)構(gòu)受彎矩作用影響，梁?jiǎn)卧撞渴茌S向作用力影響較大，最大值為289.67 MPa。依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范中受彎構(gòu)件的撓度允許值規(guī)定，主梁或桁架的撓度允許值不宜超過(guò)跨度的l/400。該橋型計(jì)算主梁最大豎向位移f=68.92 mm<33000/400=82.5 mm，滿足規(guī)范要求。最大剪應(yīng)力值小于設(shè)計(jì)剪應(yīng)力[τ]=175 MPa，最大軸應(yīng)力值小于設(shè)計(jì)軸向應(yīng)力[σ]=305MPa，均滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

連續(xù)橋型為多跨超靜定結(jié)構(gòu)，所建結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)跨度較大，受力性能較簡(jiǎn)支梁好，結(jié)構(gòu)模型受力明確與理論相符。主梁結(jié)構(gòu)豎向最大位移為54.7 mm，最大剪應(yīng)力及軸向應(yīng)力分別為135、288.71 MPa，較簡(jiǎn)支梁模型結(jié)構(gòu)主梁變形及受力性能有所提高。

3.2 貝雷架梁?jiǎn)卧芰π阅軐?duì)比分析

對(duì)3組仿真模型結(jié)構(gòu)首層提取主梁底部單側(cè)梁?jiǎn)卧獢?shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，三排貝雷梁梁跨由車道內(nèi)側(cè)向外分別用R1、R2、R3表示。其中，連續(xù)梁橋兩橋跨受力性能相符，截取單跨長(zhǎng)度的主梁?jiǎn)卧M(jìn)行對(duì)比分析。組合荷載工況作用下各模型結(jié)構(gòu)主梁底部梁?jiǎn)卧灰谱兓闆r如圖9所示，剪應(yīng)力及軸向應(yīng)力變化情況如圖10、11所示。

圖9 梁?jiǎn)卧Q向位移值

圖10 梁?jiǎn)卧魬?yīng)力值

如圖所示，簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)在受力過(guò)程中于跨中出現(xiàn)最大位移值，雙層布設(shè)貝雷梁架后，主梁的抗彎性能得到明顯的提升，跨中豎向位移值為68.9 mm，變形減小了63%。由于連續(xù)梁橋型在支座處產(chǎn)生負(fù)彎矩，同跨度范圍內(nèi)跨中彎矩減小，使豎向位移進(jìn)一步降低。在此期間，R2、R3表現(xiàn)出了一致的變化規(guī)律均隨R1發(fā)生變形，但變形值呈遞減趨勢(shì)。

如圖所示，連續(xù)橋型模型中，隨著主梁抗彎剛度的提高，貝雷架下弦桿單元剪應(yīng)力減小，但主梁端部剪應(yīng)力并未發(fā)生大的變化，依然保持較高的剪應(yīng)力值[3]，整體作用與簡(jiǎn)支雙層布設(shè)情況基本表現(xiàn)一致。施加荷載工況后，貝雷架主梁?jiǎn)卧惺艿募袅Ρ恍备箺U承擔(dān)，與下弦桿兩交點(diǎn)的內(nèi)側(cè)出現(xiàn)正剪應(yīng)力，外側(cè)承受負(fù)剪應(yīng)力，出現(xiàn)正負(fù)交替的輪齒形曲線。

圖11 梁?jiǎn)卧S向應(yīng)力值

下弦桿內(nèi)由彎矩作用產(chǎn)生的軸向力在銷接處直接作用傳遞，具有較大的軸向拉應(yīng)力，最大值為306 MPa，由于貝雷架斜腹桿的作用，下弦桿軸向應(yīng)力被兩斜腹桿部分分散吸收，弦桿中部軸力減小，在圖中表現(xiàn)為輪齒狀線形。在連續(xù)梁橋型雙層布設(shè)工況下，抗彎性能得到大幅提高，作用軸向應(yīng)力被新增構(gòu)件部分分擔(dān)，最大軸力值為178 MPa，降低了41%。由于跨中支座處負(fù)彎矩的存在，底部梁?jiǎn)卧軌撼霈F(xiàn)負(fù)的軸向應(yīng)力。R2、R3保持相同的變化規(guī)律，但構(gòu)件受力較小。

4 施工技術(shù)建議

貝雷梁鋼便橋的施工為多組件的拼、吊裝作業(yè)，要保證連接牢靠和精度。結(jié)合上述過(guò)程分析，提出如下施工技術(shù)建議：

(1) 采用連續(xù)梁橋型進(jìn)行一聯(lián)橋跨雙層貝雷梁布設(shè)，滿足施工設(shè)計(jì)荷載要求。連續(xù)梁支點(diǎn)負(fù)彎矩的作用可以降低錯(cuò)孔撓度的影響。

(2) 對(duì)支點(diǎn)處梁架斜腹桿進(jìn)行局部加固。增設(shè)排間支撐架，加強(qiáng)排架間橫向連接，提高主梁剛度和側(cè)向穩(wěn)定性。

(3) 保證主梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性前提下，適當(dāng)縮減R1、R2排貝雷架的橫向排布間距，進(jìn)一步發(fā)揮R2排貝雷架受力性能，以提高主梁載荷能力和結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備。

(4) 合理布設(shè)橫梁及小縱梁，加強(qiáng)橋面整體剛度，防止橋面變形過(guò)大。

(5) 限單車通行，限速過(guò)橋。

5 結(jié) 論

本文依托項(xiàng)目工程實(shí)踐對(duì)貝雷梁鋼便橋的設(shè)計(jì)選型及主梁布設(shè)形式結(jié)合有限元分析軟件分別建立了結(jié)構(gòu)仿真模型，并對(duì)結(jié)構(gòu)的變形及受力情況進(jìn)行了重點(diǎn)模擬和分析，得出如下結(jié)論：

(1) 簡(jiǎn)支梁橋型單層三排布設(shè)方案，結(jié)構(gòu)受力性能不能滿足荷載設(shè)計(jì)要求。增加兩排貝雷梁架進(jìn)行雙層布設(shè)，結(jié)構(gòu)主梁豎向位移及受力性能均滿足規(guī)范要求。按連續(xù)梁橋型進(jìn)行雙層布設(shè)，豎向位移及軸向應(yīng)力較簡(jiǎn)支橋型單層三排布設(shè)情況分別降低了63%、41%，相比簡(jiǎn)支雙層布設(shè)情況結(jié)構(gòu)變形及承載能力進(jìn)一步提高。

(2) 首層主梁外側(cè)排貝雷梁架(R2、R3)在荷載工況作用下變形及受力影響較小，參與主梁結(jié)構(gòu)協(xié)同工作程度不高，損失了部分材料性能。

(3) 連續(xù)梁中部支承處局部桁架及橫向支撐架出現(xiàn)應(yīng)力極值，需引起重視，采取加固措施。