淺談施工鋼便橋安全性復(fù)核驗(yàn)算

文｜廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司 陳佩珊

臨時(shí)鋼便橋通常運(yùn)用于工程施工，可作為臨時(shí)通行的橋梁，也可作為結(jié)構(gòu)施工的支撐結(jié)構(gòu)，在施工上，靠焊接、栓接等方法把各種鋼結(jié)構(gòu)互相連接和拼裝形成一個(gè)整體；在力學(xué)上，是一個(gè)主要承受豎向荷載和水平行車制動(dòng)力、風(fēng)載和流水壓力的支撐平臺；其內(nèi)部是承受拉、壓、彎的桿件互相作用而成。上述特點(diǎn)使臨時(shí)鋼表橋具有結(jié)構(gòu)體系清晰、施工簡單、造價(jià)低、施工工期短、安全性好的突出特點(diǎn)，在工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，掌握臨時(shí)鋼便橋的安全性復(fù)核驗(yàn)算已成為工程技術(shù)管理人員的基本要求，現(xiàn)將我們承建的惠州龍門山區(qū)一溪谷兩岸施工鋼便橋安全核算總結(jié)如下。

1、工程簡介

本施工鋼便橋?yàn)榻鉀Q惠州龍門山區(qū)一溪谷兩岸施工及社會(huì)車輛過河而臨時(shí)搭設(shè)，通行限載重量按掛-100考慮，車速不超過5km/h，雙向行駛。鋼便橋橋長84m，橋面寬度設(shè)計(jì)為7m寬，考慮常年水位標(biāo)高為29.8m，50年一遇水位標(biāo)高31.34m，接順道路標(biāo)高37.5m，鋼便橋面標(biāo)高為37.5m，高出常年水位7.7m。為確保行人過往安全在橋的兩外側(cè)用5×5角鐵和防護(hù)網(wǎng)做護(hù)欄，臨時(shí)橋墩持力層選擇強(qiáng)風(fēng)化層做為承力層。

2、鋼便橋結(jié)構(gòu)體系布置

鋼便橋橋長84m，橋面寬度按通行需求設(shè)置為7m寬，布置為路肩0.75m+行車道2.5m+車道分隔帶0.5+行車道2.5m+路肩0.75m，由于車道寬度有限，禁止大型車輛在便橋上匯車?？紤]到山區(qū)橋梁的管理問題及附近存在大型施工樓盤，驗(yàn)算復(fù)核荷載為掛-120，設(shè)計(jì)使用期限為三年。

由于鋼便橋?yàn)檎w鋼結(jié)構(gòu)，支墩采用φ630mm鋼管做為樁基礎(chǔ)，橫向按3根間距3m排列，縱向起、止跨跨度為6m，其它跨根據(jù)施工地質(zhì)情況為8-9m，不超過9m排列，計(jì)算跨度為9米，采用振動(dòng)錘錘擊法貫入。為確保臨時(shí)支墩的穩(wěn)定性，臨時(shí)支墩之間橫向用[22槽鋼作剪刀叉連接；在鋼管頂面布置I45c工字鋼作為橫梁，在橫梁上面用單層四排84m通長貝雷片組作為縱梁，貝雷片間采用90支撐架聯(lián)接，貝雷組與組之間凈間距為3m，并設(shè)置連接斜撐。在貝雷梁上面按0.75m間距鋪設(shè)橫向I32c工字鋼，在I32c工字鋼上鋪型鋼-鋼板復(fù)合橋面板（結(jié)構(gòu)為：主縱梁為I12B工字鋼，間距0.2m，橫向加勁肋為[12B槽鋼，間距0.8m。在[12槽鋼上面鋪設(shè)厚度16mm的花紋鋼板組成橋面），鋼便橋與地面過渡段采用填土方、石屑過渡。鋼便橋橫斷面圖如圖1。

圖1 鋼便橋橫斷面圖

3、鋼便橋驗(yàn)算主要荷載參數(shù)

3.1 鋼便橋自重

上部結(jié)構(gòu)恒重（按一跨（9m）計(jì)算）

（1）16mm厚鋼板，單位面積重156kg，則1.256KN/m2，一跨9*7=63m2，重79.128KN。

（2) [12槽鋼+I12工字鋼，單位重24.999Kg/m，則 0.25KN/m，一跨28條，長9m，重35.28KN。

（3）面層分配梁I32c，單位重65.689kg/m，則0.66kN/m，一跨28條，長7m，重 129.36KN。

（4）縱向主梁：橫向單層四排貝雷梁，一跨重36KN。

（5）樁頂分配主梁：2*I45c，單位重174.97kg/m ,則1.75kN/m，可忽略。

綜上所述，鋼便橋一跨（9m）自重q1=（79.128+35.28+129.36+36）/9=31.1KN/m。

3.2 車輛荷載

鋼便橋按照掛-120進(jìn)行驗(yàn)算，主要技術(shù)指標(biāo)如圖2。

3.3 沖擊荷載

鋼便橋設(shè)計(jì)行車速度為5km/h，汽車沖擊荷載可按汽車總重的10%計(jì)算，及1.1倍系數(shù)考慮。

3.4 汽車制動(dòng)力

汽車在鋼便橋上行駛時(shí)最大速度15km/h，禁止在橋上急剎車，汽車制動(dòng)力可不予考慮。

3.5 風(fēng)荷載、水流荷載

只對鋼管基礎(chǔ)產(chǎn)生影響，詳見鋼管基礎(chǔ)穩(wěn)定性驗(yàn)算。

4、各類材料容許應(yīng)力

鋼便橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)采用容許應(yīng)力法，計(jì)算過程中采用的材料參數(shù)如下：

Q235鋼材的允許應(yīng)力：【σ】=180MPa；Q235鋼材的允許剪應(yīng)力：【τ】=110MPa。

Q235鋼材的彈性模量：E=2.1×105MPa；16Mn鋼材的允許應(yīng)力：【σ】=237MPa。

16Mn鋼材的允許剪應(yīng)力：【τ】=104MPa；16Mn鋼材的彈性模量：E=2.1×105MPa。

I32C：A=79.92cm2,W=760.8cm3,I=1217 3cm4。

圖2 掛-120布置示意圖（荷載單位：KN，尺寸單位：m）

2*I45C：A=240.8cm2,W=3135.8cm3,I=1 875.4cm4。

鋼便橋剛度設(shè)計(jì)按格構(gòu)件撓度fmax＜l/250～l/400行控制

貝雷架縱梁應(yīng)按其最不利受力狀態(tài)，驗(yàn)算時(shí)采用不加強(qiáng)貝雷梁，驗(yàn)算以剛度與穩(wěn)定性控制為主，按規(guī)范要求，其最大撓度不超過L/800，以確保安全。根據(jù)《321裝配式公路鋼橋手冊》荷載、跨徑與橋梁組合配置表查得：

W=7151.1 cm3；J=500994.4cm4；Mmax=1575.4KN·m；Qmax=490.5KN。

5、鋼便橋驗(yàn)算

5.1 橫向33C小橫梁驗(yàn)算

按正常使用條件的最不利荷載進(jìn)行驗(yàn)算，其最不利荷載為在使用過程中，汽車荷載出現(xiàn)在跨中，且單側(cè)直接壓在貝雷梁上方，另一側(cè)汽車車輪壓在I33c承重梁上方。根據(jù)施工實(shí)際情況，各型鋼及各種材料接觸處，均采用焊接或加固固結(jié)，因此所有梁的驗(yàn)算均采用固端梁進(jìn)行計(jì)算。

（1）基本數(shù)據(jù)

a、跨徑：計(jì)算跨徑：L=9m。b 、橋面寬度：7 m。c、設(shè)計(jì)荷載：一側(cè)汽車車輪壓在I 3 3 c承重梁上方，集中荷載：Pk=300*1.1/2=165KN，均布荷載qk=31.1KN/m；

（2）采取力的疊加原理計(jì)算：

①抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算

跨中彎矩最大：Mm=PL/8+qL2/24=79.3 kN.m，σ=M/W= 104MPa＜180 MPa

②抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算

支座剪力最大：Q=P/2+qL/2=132.26 kN，τ=1.5Q/A=24.83 MPa ＜110 MPa

③撓度驗(yàn)算

跨中撓度最大：f m=P3/ L192EI+qL4/384EI=1.4mm＜3.2*103/800=4mm。

5.2 貝雷梁計(jì)算

參考《公路橋涵設(shè)計(jì)手冊-基本資料》第一版可得以下計(jì)算：整個(gè)車在全部進(jìn)入貝雷梁橋跨后，對貝雷梁的受力為最大，計(jì)算跨中時(shí)的彎矩和撓度為最大，靠近支點(diǎn)時(shí)該支點(diǎn)處的剪力為最大。采取力的疊加原理計(jì)算：

①抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算

Mm=PL12/L+ PL22/L +qL2/24=250.53 kN.m＜1576.4 kN.m，σ=M/W= 35MPa＜237MPa

②剪力計(jì)算

Q=P*2+qL/2=469.95 KN＜【Q】=490.5KN

③撓度計(jì)算

跨中撓度f=PL12L*(3-4*L1/L)/24JI+PL22L*(3-4*L2/L)/24JI+ qL3/384/JI

=1.44mm＜[f]=9000/800=11.25mm

5.3 大橫梁2*I45c梁驗(yàn)算

大橫梁采用2*I45c工字鋼，雙排橫向放置于鋼管樁上，支點(diǎn)間距3m，其上部是貝雷梁，按2等跨集中荷載簡化計(jì)算，根據(jù)貝雷梁計(jì)算的結(jié)果，最大剪力在支座處，支座即為該橫梁位置，因此，P=Q=469.95KN。

①抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算

跨中彎矩最大：M m=2 P2b a2/L3=32.19 kN.m，σ=M/W= 51MPa＜180 MPa

②抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算

支座剪力最大：Q=P*2a*(1+2b/L)/L2=309.95 kN，τ=1.5Q/A=9.65 MPa ＜110 MPa

③撓度驗(yàn)算

跨中撓度最大：fm=2Pa3b2/(3EI*(3a+b)2)=1.09mm＜3*103/800=3.75mm。

5.4 鋼管樁驗(yàn)算

單根鋼管樁的最大軸向壓力按照I45C大橫梁計(jì)算結(jié)果為309.95kN。所以單根樁的最大軸向壓力為31t，考慮1.2倍安全系數(shù)，故單樁最大軸向壓力按37.2t即P=Nmax=372kN計(jì)算。施工時(shí)振錘振動(dòng)力取值不小于45t。該地域地質(zhì)資料顯示，從上到下主要為：粉質(zhì)粘土，卵石，全風(fēng)化砂巖，中風(fēng)化砂巖。由于施工中存在地質(zhì)情況變化較大的情況，實(shí)際施工過程中應(yīng)先試樁，再參考以上數(shù)據(jù)，插打鋼管樁時(shí)貫入度不得小于6cm/min。

①軸心受壓計(jì)算

φ630鋼管樁力學(xué)性能：截面積A=15632mm2，回轉(zhuǎn)半徑i=219mm；

鋼管長度：L=12m，長細(xì)比：λ=L/i=55，查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》 附錄C可知：

穩(wěn)定系數(shù)φ=0.900，鋼管容許壓力：

[N]= φ*A*【σ】=2532KN＞ 372KN ，滿足要求。

②受側(cè)向水壓力和風(fēng)壓力時(shí)的驗(yàn)算

a、流水壓力

施工區(qū)域流水流速3m/s，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，則流水壓力為：

F=kAγV2/2g= 0.8*0.63*10*32/2*9.8=2.2KN/m，即鋼管樁在水中的自由段承受2.2KN/m的水流壓力，可忽略不計(jì)。

b、風(fēng)荷載

由于風(fēng)力達(dá)到7級以上時(shí)鋼便橋停止施工或通行，所以不考慮風(fēng)荷載和車荷載同時(shí)作用的情況，風(fēng)荷載系數(shù)w=1.15 KN/m2，一跨上部結(jié)構(gòu)p1=1.15*6*2.15=14.8KN/m，水面以上鋼管樁p2=1.15*1.2=1.38KN/m。

c、穩(wěn)定性驗(yàn)算：

鋼管樁穩(wěn)定性驗(yàn)算計(jì)算模型如圖7，考慮施工的實(shí)際情況，按一端固定，一端絞支的桿件模型計(jì)算。這里采用φ600鋼管長度為12m，壁厚1cm；具體計(jì)算如下：

①長細(xì)比驗(yàn)算：（μ取0.7）

②安全系數(shù)計(jì)算：由材料力學(xué)中的安全系數(shù)計(jì)算，λ≦132時(shí)，不可以運(yùn)用歐拉公式計(jì)算極限承載力，所以運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式，對于A3鋼：

所以，鋼管樁是穩(wěn)定的，可以承受上部荷載。

因此：使用是安全的。

6、計(jì)算結(jié)論

根據(jù)以上受力分析及計(jì)算模型可以得知，此型鋼組合結(jié)構(gòu)鋼便橋采用φ630 mm鋼管做為鋼便橋的臨時(shí)支墩，橫向按3根間距3m排列，縱向間距橋頭按6m，其它跨不超過9m排列；在鋼管頂面布置2*I45c工字鋼作為橫梁；在橫梁工字鋼上面用單層四排84m通長軍用貝雷片組作為縱梁；在縱向貝雷梁上面按0.75m間距鋪設(shè)橫向I32c工字鋼，在I32c工字鋼上鋪I12工字鋼，間距0.2m，再鋪橫肋[12槽鋼，間距0.8m；在[12槽鋼上面鋪設(shè)厚度16mm的花紋鋼板組成鋼平臺橋面，鋼便橋與地面過渡段采用填土方、石屑和C30鋼筋混凝土過渡，滿足相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范及實(shí)際荷載要求。

7、結(jié)束語

臨時(shí)鋼便橋具有結(jié)構(gòu)清晰，受力模型簡單的特點(diǎn)，關(guān)鍵是充分掌握最不利條件下的荷載工況、明確荷載傳遞路徑從而使整個(gè)受力體系核算步驟清晰、明了、從強(qiáng)度、穩(wěn)定性著手進(jìn)行安全性驗(yàn)算，這是鋼便橋驗(yàn)算的核心工作。