貝雷梁鋼棧橋承載能力評定研究

李欣然

(廣西交投科技有限公司,廣西 南寧 530022)

0 引言

多年以來,貝雷梁鋼棧橋作為公路橋梁施工跨越河道和水上作業(yè)平臺的臨時結(jié)構(gòu),得到最為廣泛的應(yīng)用。作為臨時結(jié)構(gòu)通道,往往需要通行較特殊的車輛,對已經(jīng)使用一定年限后的貝雷梁鋼棧橋承載能力是否還滿足通行要求,需要做進(jìn)一步的檢測和評定[1]。本文以某實際使用2年后的貝雷梁鋼棧橋為例,通過資料核查、外觀檢查和采用Midas Civil軟件對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗算[2],并系統(tǒng)評定其各個部件承載能力是否滿足總重60 t的罐車通行要求。

1 工程概況

該鋼棧橋建成于2020年11月,全長171 m,橋面寬度為6 m,其上構(gòu)為321型裝配式貝雷鋼橋部件組建上承型式鋼棧橋,單層3組貝雷梁結(jié)構(gòu)。下構(gòu)為鋼管樁基礎(chǔ)焊接φ630 mm(壁厚10 mm)的鋼管立柱,立柱頂?shù)跹bⅠ40b工字鋼作為承重橫梁,橫梁上安裝321型貝雷片,再鋪設(shè)Ⅰ20b工字鋼,在Ⅰ20b工字鋼上鋪設(shè)10 mm厚的花紋鋼面板。橋梁后續(xù)需要通行最大60 t重的罐車。橋梁立面和橫斷面布置如圖1、圖2所示。

圖1 鋼棧橋立面圖(cm)

圖2 鋼棧橋橫斷面圖(cm)

2 資料核查和外觀檢查

橋梁基本資料核查:收集該橋梁建設(shè)資料及圖紙、建成時間、擬通行車輛及最大載荷,現(xiàn)場核查橋梁主要的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場核查,該鋼棧橋的跨徑組合為(10.5+6.0+3×9.0+7.5+3.0+7×9.0+3.0+4×9.0)m,共設(shè)置2個制動墩。橫向設(shè)置3組貝雷片,每組2排,橋面板寬6.00 m。

外觀檢查以目測為主,結(jié)合測量設(shè)備進(jìn)行,并拍照記錄。外觀檢查結(jié)果:該橋主要病害為銹蝕,大部分貝雷梁均出現(xiàn)涂層脫落、鋼表面銹蝕,未脫漆的貝雷梁涂層老化變色;貝雷片弦桿、斜杠、支撐花架、螺栓、連接銷、保險銷、貝雷組間聯(lián)系、橫向工字梁、承重橫梁、鋼管樁、剪刀撐、焊接節(jié)點板均存在大面積銹蝕狀況。

3 檢算系數(shù)Z1值的確定

根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)第7.4條鋼結(jié)構(gòu)承載能力評定規(guī)定:(1)鋼結(jié)構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件強度、總體穩(wěn)定性和疲勞強度驗算應(yīng)按現(xiàn)行公路橋涵設(shè)計規(guī)范執(zhí)行,其應(yīng)力限值取值為Z1[σ];(2)鋼結(jié)構(gòu)荷載作用下的變形評定如下[3]:

fdl

(1)

式中:[f]——容許變形值;

Z1——承載能力檢算系數(shù)。

檢算系數(shù)Z1取值:根據(jù)外觀檢查結(jié)果,本橋鋼結(jié)構(gòu)銹蝕面積已超50%以上,根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21-2011),該橋的承載能力計算系數(shù)Z1取0.85,即其應(yīng)力限值和鋼管樁穩(wěn)定性取值為0.85[σ]、結(jié)構(gòu)變形限值為0.85[f]。

4 承載能力計算

4.1 建立有限元模型

4.1.1 材料

根據(jù)橋梁資料及參考《裝配式公路鋼橋制造》(JT/T 728-2008)、《裝配式公路鋼橋多用途使用手冊》等資料,并依據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》(JTG D64-2015)鋼材的設(shè)計強度指標(biāo),考慮到裝配式公路鋼橋為限制荷載的臨時性橋梁,其容許應(yīng)力可提高1.3倍[4],該橋的材料特性如表1所示。

表1 材料特性表

4.1.2 有限元模型

貝雷片弦桿、斜桿、支撐花架、橫向分配梁、承重橫梁、貝雷組間聯(lián)系、鋼管樁和剪刀撐均用梁單元模擬,花紋鋼面板用板單元模擬,縱向貝雷片之間的節(jié)點釋放梁端約束(即釋放3個方向的轉(zhuǎn)動約束)。根據(jù)跨徑大小和最不利原則,本次建模為第1～5跨。有限元模型如圖3所示。

唉，那個調(diào)皮的學(xué)生又一次扭過頭去，臉上還掛著燦爛的笑容，像是對上課老師的挑釁。我每一次經(jīng)過窗口，他幾乎都有這個動作。

圖3 鋼棧橋第1～5跨有限元模型圖

4.2 定義荷載組合

該橋擬通行混凝土罐車總重為600 kN,考慮橋梁自重、活載及沖擊系數(shù)、溫度影響,荷載組合如下:

(1)結(jié)構(gòu)強度、鋼管樁穩(wěn)定性按承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行計算:

工況一:1.2自重+1.3×1.4罐車活載。

工況二:1.2自重+1.3×1.4罐車活載+1.05溫升20 ℃。

工況三:1.2自重+1.3×1.4罐車活載+1.05溫降15 ℃。

(2)結(jié)構(gòu)撓度按正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行計算:

工況四:自重+罐車活載。

工況五:自重+罐車活載+溫升20 ℃。

工況六:自重+罐車活載+溫降15 ℃。

4.3 各構(gòu)件計算結(jié)果

(1)根據(jù)計算系數(shù)Z1值和荷載工況組合,貝雷梁強度和撓度計算結(jié)果如表2、表3所示。

表2 貝雷梁強度計算結(jié)果表

表3 貝雷梁撓度計算結(jié)果表

由表2、表3可知,貝雷梁拉壓彎應(yīng)力、剪應(yīng)力和撓度計算值均小于折減后的容許值,滿足要求。

(2)根據(jù)計算系數(shù)Z1值和荷載工況組合,承重橫梁強度和撓度計算結(jié)果如下頁表4、表5所示。

表4 承重橫梁強度計算結(jié)果表

表5 承重橫梁撓度計算結(jié)果表

由表4～5計算結(jié)果可知,承重橫梁拉壓彎應(yīng)力、剪應(yīng)力和撓度計算值均小于折減后的容許值,滿足要求。

(3)根據(jù)計算系數(shù)Z1值和荷載工況組合,鋼管樁強度計算結(jié)果如表6所示。

表6 鋼管樁強度計算結(jié)果表

由表6計算結(jié)果可知,鋼管樁拉壓彎應(yīng)力計算值、剪應(yīng)力計算值均小于折減后的容許值,滿足要求。

(4)鋼管樁穩(wěn)定性計算結(jié)果。

依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017-2017)整體穩(wěn)定性計算:鋼管樁采用一端固結(jié)一端鉸接,計算長度系數(shù)為μ=0.7,鋼管樁高度h=11.2 m,鋼管樁面積A=1.563×104mm2,慣性矩I=7.861×108mm4,慣性半徑i=224.264 mm,長細(xì)比λ=μh/i=34.959,滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017-2017)第7.4.6條軸心受壓柱容許長細(xì)比150的要求。查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017-2017)表D.0.2,鋼管樁穩(wěn)定系數(shù)ψ=0.918,考慮計算系數(shù)Z1后的軸心受壓穩(wěn)定性計算公式為:

N/(ψA)≤Z1[σ]

(2)

局部穩(wěn)定性計算:軸心受壓構(gòu)件要求不出現(xiàn)局部失穩(wěn),圓管壓桿的外徑與壁厚之比不應(yīng)超過100×(235/fy)?？紤]檢算系數(shù)Z1后的計算結(jié)果為:鋼管樁外徑與壁厚之比=630/8=78.75,<0.85×100×(235/fy)=85,滿足要求。

如表7計算結(jié)果所示,鋼管樁整體和局部穩(wěn)定性均滿足要求。

5 結(jié)語

隨著我國橋梁施工技術(shù)的蓬勃發(fā)展,鋼棧橋作為常用的臨時結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用。本文以某舊鋼棧橋擬通行總重600 kN罐車為研究背景,對該橋進(jìn)行承載能力評定。通過對該橋基本資料核查、外觀檢查,運用Midas Civi軟件對鋼棧橋貝雷梁、承重橫梁和鋼管樁進(jìn)行強度、撓度和穩(wěn)定性計算,計算結(jié)果與折減后容許值進(jìn)行比較,判定鋼棧橋承載能力是否滿足通行總重600 kN罐車的要求。結(jié)果表明:該鋼棧橋各構(gòu)件的強度、撓度和穩(wěn)定性都滿足要求,橋梁可通行總重600 kN罐車。因此,該方法可以為其他相似臨時結(jié)構(gòu)橋梁的承載能力評定提供參考。