重交通荷載下的鋼棧橋受力分析與加固方法

戚 浩

（貴州橋梁建設(shè)集團有限責(zé)任公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國高速公路建設(shè)水平不斷提高，橋梁建設(shè)技術(shù)迅速發(fā)展，鋼平臺、鋼棧橋輔助設(shè)施應(yīng)用越來越普及[1-2]。隨著科技手段的發(fā)展，施工棧橋、鋼平臺在不同水文、地質(zhì)條件下得以應(yīng)用，為復(fù)雜條件下棧橋項目施工奠定了基礎(chǔ)[3-4]。該文以某高速公路項目為依托，分析重交通荷載下的鋼棧橋受力及加固方法，具有十分重要的實踐意義。

1 工程概況

某高速公路施工項目，其所需的鋼筋、砂石料、水泥等鋼材、地材均需經(jīng)施工便道，送達(dá)施工場地。為保證項目能順利實施，需修建一條專供鋼材、地材運輸?shù)倪\輸通道，采用鋼棧橋方案。該棧橋處的水文、地質(zhì)情況如下：

（1）低控水位：+249.3 m。

（2）高控水位：252.488 m。

（3）汛期最大流速：地質(zhì)勘察報告未提，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查走訪情況，取3 m/s。

（4）根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查及鉆探結(jié)果顯示，區(qū)域內(nèi)地層巖性結(jié)構(gòu)包括砂礫巖、泥質(zhì)粉砂巖、礫巖、粉砂質(zhì)泥巖等。該高速公路項目施工2#鋼棧橋總體布置見圖1。

圖1 某高速公路項目施工2#鋼棧橋總體布置圖

2 鋼棧橋設(shè)計

2.1 鋼棧橋構(gòu)造形式

（1）基礎(chǔ)及下部構(gòu)造：增設(shè)混凝土結(jié)構(gòu)擴展棧橋基礎(chǔ)，其尺寸為長6.0 m、寬1.2 m，高1.0 m，采用C30混凝土澆筑。頂面預(yù)埋10 mm厚鋼板，將Ф630×8 mm鋼管樁焊接在鋼板上作為棧橋立柱。于鋼管樁樁頂開槽，橫向架設(shè)枕梁，選用2根36a工字鋼[5-6]。

（2）橋跨結(jié)構(gòu)：采用上承式4組雙排單層貝雷架作為承重主梁，貝雷梁間采用90花架連接。

（3）橋面系：選用橫向分配梁作為橋面基層，型號為I22a，長度為6 m，于貝雷梁上，按照30 cm間距進(jìn)行安裝，采用8 mm直徑的花紋防滑鋼，進(jìn)行橋面鋪設(shè)[7]。

（4）護(hù)欄：護(hù)欄高度為120 cm，護(hù)欄橫桿采用ψ48×3 mm鋼管，立桿采用[10槽鋼，每根護(hù)欄立柱縱向間距按2 m設(shè)置。2#鋼棧橋標(biāo)準(zhǔn)段構(gòu)造見圖2。

圖2 2#鋼棧橋標(biāo)準(zhǔn)段構(gòu)造圖

2.2 鋼棧橋設(shè)計計算

2.2.1 荷載計算

棧橋設(shè)計能滿足砂石料、土方后八輪車、水泥長罐車、鋼筋半掛車等運輸車輛通行[8]。砂石料運輸車后八輪自重約80 t，且車身較短，荷載均加載于一跨上，為最不利工況，其荷載指標(biāo)如表1，后八輪輪距、軸距分布見圖3。

表1 車輛荷載技術(shù)指標(biāo)

圖3 后八輪輪距、軸距分布圖

該棧橋需對三種工況組合進(jìn)行驗算，工況1：結(jié)構(gòu)自重+人行荷載+風(fēng)荷載+水流力；工況2：結(jié)構(gòu)自重+人行荷載+風(fēng)荷載+水流力+80 t半掛車荷載；工況3：結(jié)構(gòu)自重+人行荷載+風(fēng)荷載+水流力+80 t后八輪車荷載。

2.2.2 建立模型及試算

借助Midas Civil軟件建立標(biāo)準(zhǔn)跨結(jié)構(gòu)計算模型，并利用空間有限元法，進(jìn)行鋼棧橋相關(guān)設(shè)計指標(biāo)及其參數(shù)的詳細(xì)核算[9]，模型如圖4所示。

圖4 鋼棧橋模型圖

初步試算后發(fā)現(xiàn)，貝雷片墩頂處的豎桿底部單元及上弦桿與I22a工字鋼分配梁相接單元局部應(yīng)力偏大，最大組合應(yīng)力達(dá)到480 MPa，超過了16Mn鋼材的極限許用應(yīng)力310 MPa。經(jīng)分析其原因大致為：

（1）貝雷片上弦桿直接承受上部分配梁傳遞下來的荷載，上弦桿截面面積和慣性矩偏小，造成局部應(yīng)力過大。

（2）墩頂處貝雷片的豎桿被下方的2I36a工字鋼枕梁頂住，限制了其位移，底部局部應(yīng)力無法釋放。因此需采用經(jīng)濟合理的方法，對上述部位進(jìn)行局部加強。

2.2.3 局部加強措施

根據(jù)試算的結(jié)果，針對以上兩處應(yīng)力過大的節(jié)點采取加強措施：

（1）針對貝雷片上弦桿的加強措施：對于貝雷片的上弦桿，因其上的荷載無法降低，因此加強的主要思路為增大其橫截面積，以增大X方向上的慣性矩，從而降低單元應(yīng)力。故而擬采用加強弦桿的方式對貝雷上弦桿進(jìn)行加強。加強弦桿為貝雷片的專用加強配件，與上弦桿間采用螺栓連接，加強弦桿之間采用貝雷銷連接[10]。

（2）針對墩頂處豎桿的加強措施：墩頂處豎桿由于下方枕梁限制了位移，應(yīng)力無法釋放，因此需采用加強豎撐的方式進(jìn)行輔助。在墩頂處的貝雷片兩側(cè)采用[14槽鋼鑲嵌在貝雷片內(nèi)框中，作為加強豎撐，如圖5所示。

圖5 墩頂處加強豎撐安裝圖

2.2.4 加強后模型計算

在Midas Civil模型中，加強豎撐與上、下弦桿之間采用剛性連接，加強弦桿與上弦桿之間采用彈性連接，貝雷片和加強豎桿的計算結(jié)果如下：

（1）弦桿處的最大應(yīng)力為285.63 MPa＜[σ]=310 MPa，腹桿處的最大應(yīng)力為299.41 MPa=[σ]=310 MPa，均滿足要求。Midas Civil模型計算結(jié)論見圖6。

圖6 弦桿處、腹桿處的應(yīng)力計算

（2）模型的計算結(jié)果（圖7），加強豎撐最大應(yīng)力為134.78 MPa＜[σ]=215 MPa，滿足應(yīng)力要求。

圖7 加強豎撐應(yīng)力計算

（3）從模型的計算結(jié)果上來看，采取以上兩種局部加強措施后，已可滿足一定超載情況下荷載達(dá)80 t的后八輪通過，從而保證該某項目材料運輸主要通道的通暢，使該項目得以順利實施。

3 結(jié)論

鋼棧橋在橋梁項目施工中廣泛應(yīng)用，在傳統(tǒng)工程施工環(huán)節(jié)多作為混凝土、機械設(shè)備、鋼筋、砂石料等運輸通道，重荷載鋼棧橋的實際應(yīng)用較少。該文選用的鋼棧橋相比于傳統(tǒng)鋼棧橋在關(guān)鍵節(jié)點上進(jìn)行加強，提升了棧橋結(jié)構(gòu)安全性，設(shè)備承載力明顯提升，同時節(jié)約了項目施工成本，為同類型橋梁項目建設(shè)中鋼棧橋設(shè)備應(yīng)用提供了技術(shù)參考。