貝雷梁非彈性變形對裝配式公路鋼橋橋梁檢測的影響

陳摯 CHEN Zhi

（同納檢測認(rèn)證集團(tuán)有限公司，上海 200000）

0 引言

裝配式公路鋼橋是一種可拆裝、快速架設(shè)、主要用于跨越障礙和搶修應(yīng)急的制式橋梁。該裝備具有結(jié)構(gòu)簡單、輕巧、經(jīng)濟(jì)、用途廣泛、適應(yīng)性強(qiáng)、互換性強(qiáng)和容易組裝等特點(diǎn)[1]。貝雷梁由貝雷片拼裝而成，其長度可根據(jù)橋梁跨度進(jìn)行調(diào)節(jié)，貝雷片兩側(cè)有陰陽接頭，通過圓柱鋼銷可以把兩片貝雷片通過陰陽接頭連接起來[2]。由于現(xiàn)行橋梁規(guī)范缺乏對裝配式公路鋼橋的相應(yīng)規(guī)定，且貝雷梁獨(dú)特的鋼銷連接方式，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)實(shí)際工作情況與設(shè)計要求存在一定偏差，因此裝配式公路鋼橋的橋梁檢測工作尤其重要，可以為工程驗收、明確結(jié)構(gòu)實(shí)際工作狀態(tài)、技術(shù)積累提供依據(jù)。

文章以貝雷梁的非彈性變形理論為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出裝配式公路鋼橋的非彈性變形公式，并以吳淞江鋼棧橋為研究對象，分析貝雷梁非彈性變形對橋梁檢測工作的影響，以期為橋梁檢測工作提供可靠的理論依據(jù)。

1 裝配式公路鋼橋非彈性變形理論

1.1 非彈性變形計算方法

“321”貝雷梁主要由弦桿、豎腹桿、斜腹桿、接頭及桁架銷構(gòu)成。為便于現(xiàn)場安裝，貝雷梁接頭孔與桁架銷之間存在設(shè)計間隙。在理想鉸接狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)受荷后會壓緊間隙，貝雷梁受相對位移影響會發(fā)生輕微轉(zhuǎn)動引起結(jié)構(gòu)的非彈性變形，一般稱為錯孔撓度。詳見圖1 所示。

圖1 貝雷梁錯孔撓度示意圖

圖1 中：θ—貝雷梁間相對轉(zhuǎn)角；Δ—接頭孔與桁架銷間隙；f—貝雷梁間相對錯孔撓度；h—貝雷梁高度；d—貝雷梁長度。

國產(chǎn)“321”貝雷梁接頭孔與桁架銷之間的設(shè)計間隙一般為0.5mm。貝雷梁高度為1500mm，長度為3000mm。由于設(shè)計間隙較小，其錯孔轉(zhuǎn)角為：

貝雷梁間相對錯孔撓度為：

1.2 簡支梁非彈性變形計算方法

對于簡支梁結(jié)構(gòu)，貝雷梁上弦桿受壓、下弦桿受拉，因此簡支貝雷梁在荷載作用下最大錯孔撓度見圖2 所示。

圖2 簡支貝雷梁錯孔撓度曲線圖

當(dāng)橋跨貝雷梁總數(shù)為偶數(shù)時，跨中位置的錯孔轉(zhuǎn)角被兩側(cè)撓曲線平分，即：

將公式（1）～（3）帶入上式，得：

當(dāng)橋跨貝雷梁總數(shù)為奇數(shù)時，跨中貝雷片處于水平狀態(tài)，依據(jù)上述理論計算得：

當(dāng)橋跨貝雷梁數(shù)量大于4 片時，公式（4）與公式（5）的計算結(jié)果偏差小于5%。

1.3 連續(xù)梁非彈性變形計算方法

對于連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，由于連續(xù)橋跨在支點(diǎn)附近存在負(fù)彎矩區(qū)，負(fù)彎矩區(qū)間隙閉合情況與正彎矩區(qū)正好相反。連續(xù)橋跨錯孔撓度計算先根據(jù)對應(yīng)工況下荷載彎矩圖確定反彎點(diǎn)，以反彎點(diǎn)為分界條件采用疊加原理進(jìn)行計算[3]。

①將連續(xù)梁邊跨按反彎點(diǎn)分為兩段曲線進(jìn)行錯孔撓度計算，負(fù)彎矩區(qū)可近似按懸臂梁計算錯孔撓度，正彎矩區(qū)可近似按轉(zhuǎn)動后的簡支梁計算錯孔撓度，詳見圖3所示。

圖3 連續(xù)貝雷梁邊跨錯孔撓度曲線圖、彎矩圖

連續(xù)梁邊跨反彎點(diǎn)一般介于0.15～0.60 橋跨位置，因此令：

X=負(fù)彎矩區(qū)長度/橋跨長度

將公式（7）、公式（8）帶入公式（6）得：

當(dāng)X 范圍為[0.15，0.60]，X=0.6 時連續(xù)梁邊跨最大錯孔變形最大：

X=1/3 時連續(xù)梁邊跨最大錯孔變形最?。?/p>

②連續(xù)梁中跨按反彎點(diǎn)分為三段曲線進(jìn)行錯孔撓度計算，負(fù)彎矩區(qū)可近似按懸臂梁計算錯孔撓度，正彎矩區(qū)可近似按簡支梁計算錯孔撓度，詳見圖4 所示。

圖4 連續(xù)貝雷梁中跨錯孔撓度曲線圖、彎矩圖

連續(xù)梁中跨反彎點(diǎn)一般介于0.15～0.30 橋跨位置，依據(jù)上述原理進(jìn)行計算可得式（10）：

當(dāng)X 范圍為[0.15，0.30]，X=0.15 時連續(xù)梁中跨最大錯孔變形最大：

X=0.25 時連續(xù)梁中跨最大錯孔變形最?。?/p>

2 非彈性變形對橋梁靜載試驗的影響

由于貝雷梁結(jié)構(gòu)較輕便，裝配式公路鋼橋在自重荷載的作用下，其拼接間隙不能完全閉合，因此在橋梁靜載試驗期間應(yīng)對理論撓度進(jìn)行修正。一般可以采用簡化計算方法，其推導(dǎo)如下：

①對于簡支梁，其自重效應(yīng)與活載效應(yīng)方向一致，因此僅考慮未閉合的錯孔撓度修正，理論最大撓度修正公式如下：

式中：

fT—結(jié)構(gòu)彈性撓度最大值；

fw1—最大未閉合錯孔撓度，可按公式（4）、式（5）計算，但Δ 應(yīng)取實(shí)測值。

②對于連續(xù)梁在試驗荷載作用的橋跨，自重效應(yīng)與活載效應(yīng)方向基本一致，可僅考慮未閉合的錯孔撓度修正，理論最大撓度修正公式如下：

式中：

fw2—最大未閉合錯孔撓度，可按公式（9）、式（10）計算，但Δ 應(yīng)取實(shí)測值。

③對于連續(xù)梁在試驗荷載作用的相鄰橋跨，自重效應(yīng)與試驗效應(yīng)方向存在差異，應(yīng)根據(jù)自重效應(yīng)與試驗效應(yīng)的大小考慮錯孔撓度影響。

若試驗荷載產(chǎn)生的負(fù)彎矩效應(yīng)大于結(jié)構(gòu)自重荷載產(chǎn)生的正彎矩效應(yīng)時，橋跨的錯孔撓度曲線由向下彎曲轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛏蠌澢?，見圖5 所示，其理論最大撓度修正公式：

圖5 連續(xù)貝雷梁錯孔撓度變化示意圖

橋跨的錯孔上彎最大撓度值可近似按簡支梁錯孔曲線簡化計算，即：

式中：

fJ—簡支梁最大錯孔撓度，可按公式（4）、式（5）計算。

fL—自重效應(yīng)下連續(xù)梁最大錯孔撓度，可按公式（9）、式（10）計算。

若試驗荷載產(chǎn)生的負(fù)彎矩小于結(jié)構(gòu)自重荷載產(chǎn)生的正彎矩時，橋跨反彎點(diǎn)位置發(fā)生變化，簡化公式較復(fù)雜，應(yīng)在有限元模型中考慮貝雷梁拼接口的間隙影響，模擬方法見3 節(jié)。

④對未閉合的錯孔撓度fw，在荷載試驗期間可采用多次加載的方式消除其影響，或采用位移傳感器實(shí)測各貝雷梁接頭間的相對位移進(jìn)行修正。

3 依托工程

吳淞江鋼棧橋設(shè)計橋跨徑為2×15m+39m（主跨）+3×15m，分兩幅設(shè)置，斷面布置為雙向兩車道及人非道，棧橋總長114.594m，總寬18.9m。機(jī)動車道凈寬3.5m，人非道凈寬2m。39m 跨徑為簡支結(jié)構(gòu)，機(jī)動車道主梁采用“321”貝雷梁五排雙層加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，人非道采用雙排雙層結(jié)構(gòu)。2×15m、3×15m 跨徑為連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，主梁采用“321”貝雷梁三排單層結(jié)構(gòu)。橋面橫向分配梁均采用工32b 型鋼，縱向分配梁為工20，橋面板為10mm 鋼板。

該橋設(shè)計使用年限：2 年、橋梁設(shè)計荷載等級：公路-I級（JTG D60-2015）、人群荷載：4.0kN/m2。

為分析貝雷梁拼接間隙對連續(xù)梁靜載試驗的影響，本次采用兩種方案進(jìn)行模擬，對比實(shí)測數(shù)據(jù)和簡化修正值，拼接口模擬方式見圖6 所示。

圖6 拼接口不同模擬方式圖

方案一：采用傳統(tǒng)簡化計算中的模擬方式，使用釋放梁端約束模擬貝雷梁的拼接口。

方案二：在貝雷梁拼接口位置斷開單元，采用彈性連接（多折線）連接斷開口兩側(cè)的單元。彈性連接（多折線）在設(shè)計間隙0.5mm 內(nèi)剛度極小，在設(shè)計間隙外剛度等于兩側(cè)梁單元的剛度。

由于上述方案二已不是標(biāo)準(zhǔn)的線彈性模型，其荷載效應(yīng)不符合累加原則，因此在計算結(jié)構(gòu)活載效應(yīng)及變形時應(yīng)采用以下公式：

R（活載）=R（自重+活載）-R（自重）

式中：R（自重+活載）、R（自重）為單獨(dú)有限元模型計算結(jié)果。

4 橋梁荷載試驗概況

在靜載試驗前采用1 臺加載車在橋梁上多次跑車以達(dá)到如下目的：①測量各貝雷梁拼接口的相對位移曲線，測點(diǎn)見圖7 所示。②對橋梁進(jìn)行預(yù)加載，盡可能消除未閉合的拼接口間隙。

圖7 貝雷梁拼接口相對位移測點(diǎn)圖

在靜載試驗中采用2 臺40T 加載車，分別對橋梁邊跨最大正彎矩、中支點(diǎn)最大負(fù)彎矩進(jìn)行加載，加載示意圖見圖8 所示。在邊跨最大正彎矩工況中，測量全橋撓度曲線。

5 橋梁荷載試驗數(shù)據(jù)分析

在試驗車輛荷載作用下，典型貝雷梁拼接口相對位移時程曲線圖見圖9 所示。

圖9 典型貝雷梁拼接口相對位移時程曲線圖（單位：mm）

由實(shí)測結(jié)果可得：①在加載車輛通過測點(diǎn)橋跨時，貝雷梁拼接口相對位移變化量為-0.232mm，因此貝雷梁在自重作用下的未閉合間隙為0.232mm。②在加載車輛通過測點(diǎn)相鄰橋跨時，貝雷梁拼接口相對位移由-0.232mm 變化至0.909mm，可以認(rèn)為貝雷梁的接頭孔與桁架銷之間的實(shí)際間隙為0.57mm。③加載車輛在通過全橋時，接口相對位移基本恢復(fù)至初始狀態(tài)，可以認(rèn)為試驗預(yù)加載沒有消除未閉合的拼接口間隙，需要對靜載試驗的理論撓度值進(jìn)行修正。

將實(shí)測貝雷梁相對間隙變化量代入理論撓度修正公式，并與靜載試驗實(shí)測撓度進(jìn)行對比，見表1、圖10 所示。

表1 邊跨最大正彎矩工況數(shù)據(jù)對比表 單位：mm

圖10 邊跨最大正彎矩工況撓度曲線圖

由表1 和圖10 可得：①實(shí)測撓度已超過方案一計算值，實(shí)測撓度與方案二計算值、方案一計算值+修正值基本趨近；②在連續(xù)貝雷梁荷載試驗中應(yīng)考慮錯孔撓度對理論值的影響，若未考慮此項因素，實(shí)測撓度會大于理論值，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)超過1.0 形成誤判；③可以采用彈性連接（多折線）的方式模擬接頭間隙，或采用傳統(tǒng)模型+修正公式的方式計算理論值；④貝雷梁拼接孔與銷之間的間隙直接影響靜載試驗理論值，應(yīng)在靜載試驗前測量此項目。

6 非彈性變形與橋梁病害的關(guān)系

在鋼棧橋投入使用過程中，桁架銷經(jīng)常出現(xiàn)松脫、磨損等病害，其主要原因如下：

①受活載影響，貝雷梁間相對位移處于張開-閉合的循環(huán)狀態(tài)，即桁架銷處于松緊循環(huán)中；②由于拼接口間隙常處于活動狀態(tài)，相鄰的貝雷梁間存在轉(zhuǎn)動，因此造成貝雷梁接頭與桁架銷之間存在相對旋轉(zhuǎn)、摩擦，長期使用或承擔(dān)大交通流量時會對桁架銷造成嚴(yán)重磨損；③貝雷梁橋在運(yùn)營過程中存在較強(qiáng)的振動，引起桁架銷橫向受力。若此時桁架銷正處于松動狀態(tài)，會造成桁架銷橫向位移，進(jìn)而發(fā)生松脫。

在使用過程中的鋼棧橋尤其是承擔(dān)大交通流量的鋼棧橋，應(yīng)重點(diǎn)巡查貝雷梁桁架銷的防脫卡扣是否到位及桁架銷本身的松脫、磨損情況，若存在上述病害應(yīng)進(jìn)行維修，預(yù)防事故。

7 結(jié)束語

本文基于貝雷梁的非彈性變形理論，推導(dǎo)出裝配式公路鋼橋的非彈性變形公式，并以吳淞江鋼棧橋為工程背景依托，分析非彈性變形對橋梁檢測工作的影響，得出如下結(jié)論：①貝雷梁橋靜載試驗中，應(yīng)考慮非彈性變形對理論撓度值的影響，其修正方法可按公式（11）～公式（13）近似計算。②貝雷梁拼接孔與銷之間的間隙直接影響靜載試驗理論值，應(yīng)在靜載試驗前測量此項目，用于修正理論撓度。③貝雷梁桁架銷在活載作用下長期處于由松緊循環(huán)、旋轉(zhuǎn)磨損及振動構(gòu)成的復(fù)雜受力狀態(tài)中，易出現(xiàn)松脫、磨損等病害，在檢測中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。