常用新型標準桿件設計方案比選研究

洪 立

(中鐵大橋局集團有限公司，湖北 武漢 430050)

1 概述

隨著交通建設事業(yè)的巨大發(fā)展，橋梁建造方式的變化，橋梁建設取得了巨大成就，橋梁的跨度、橋梁的規(guī)模越來越大。與此同時，橋梁建造客觀環(huán)境的復雜性、施工的難度對橋梁施工的影響也日益突出。尤其對于跨越既有線路的橋梁和城市橋梁，橋梁施工與客觀環(huán)境的相互干擾和安全影響非常顯著。

為減少橋梁施工和客觀環(huán)境的相互影響，除了嚴格做好施工過程中的安全防護措施外，橋梁施工的臨時結構也應具有更大的跨越能力和更優(yōu)的結構形式，管理設備化，以最大限度簡化施工，并加快施工速度，提高經濟效益，同時降低施工風險。

目前橋梁施工中現(xiàn)有的組合桿件主要有萬能桿件、低合金拆裝式桁梁、六四鐵路軍用梁、裝配式公路鋼橋四種。對已有組合桿件的特性及使用情況作充分調查研究，萬能桿件、六四軍用梁、貝雷梁在施工實際使用中的情況進行匯總，現(xiàn)有常用組合桿件特性對比見表1。

表1 現(xiàn)有常用組合桿件特性對比

萬能桿件優(yōu)點在于適用任意位置組拼，且易于掌握使用，但是承載力較低，變形較大，而且構件種類多且用螺栓連接，安裝需要人工，費時且效率低。軍用梁是一種全焊構架、銷接組裝、單層或雙層的多片式、明橋面體系的拆裝式上承鋼桁梁，構件結構輕便，構造簡單，可用人工或小型機具組拼，桿件種類較少，便于拆裝互換，主要用于應急搶修也可用于工程輔助器材。貝雷梁結構簡單，傳力途徑清晰，構件較小運輸方便，架設速度快等特點，受地形影響較小，施工速度快，應用廣泛的優(yōu)點，但承載力較環(huán)境的發(fā)展，顯得越來越不足。為適應更多施工環(huán)境，設計一種新型標準組合桿件很有必要。

標準桿件設計方案從桿件材料及結構形式、連接方式、構件承載能力等多方面進行優(yōu)化，并從技術可行性、安全、操作、經濟等多方面進行綜合比較，以更好的滿足在橋梁施工中對桿件承載力、拼裝拆卸速度、通用性及方便保管運輸?shù)确矫娴囊蟆?/p>

2 設計方案

2.1 設計方案一

貝雷梁構件輕巧簡單、組合靈活、拆裝方便、適應性強、安全可靠等諸多優(yōu)點，已經廣泛應用于橋梁施工中的各種臨時結構，如棧橋、掛籃、龍門吊、鉆孔平臺、現(xiàn)澆支架等。

然而，隨著我國交通形勢特別是鐵路建設的快速發(fā)展，橋梁跨度和規(guī)模越來越大，以及重型機械設備的大量出現(xiàn)，貝雷梁自身存在的一些不足逐漸顯露出來，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：1)承載能力不足，尤其是抗剪能力較差、剛度較小、變形大，且無法通過補強來增加貝雷架的抗剪能力，只能增加片數(shù)；2)雙層架設時不方便，施工風險較大；3)腹桿型材8號工字鋼為非標產品，組織生產有困難，且質量難以控制。

基于以上多種因素，設計方案一吸收貝雷梁的優(yōu)點，著重從承載能力、構造連接等方面進行優(yōu)化改善，設計一種結構簡便、承載力大、拼裝方便、適應性強的桿件。

設計方案一桁梁各構件材質為Q345。桁高2 m，標準節(jié)段長度4 m，為了適應于非標準跨度，可以在任何為4 m倍數(shù)的基本跨度上增加2 m及1 m。桁架結構采用箱型及型鋼截面，構件間全焊接而成，上下弦桿的端部有陰陽接頭，接頭上有桁架連接銷孔，每片桁架重640 kg。構件組成有標準節(jié)段、連接節(jié)段、支撐架等。桁梁結構圖見圖1。

桁架上下弦桿可安裝加強弦桿以增強抗彎承載能力。桁梁間采用鋼銷連接，桁梁間橫向通過支撐架連接，以保證結構整體穩(wěn)定性。

2.2 設計方案二

設計方案二繼承軍用梁的優(yōu)勢，以三角形為主梁單元[3,4]，在兩個或多個三角形主梁的頂點之間連以弦桿形成單層桁架，桁架高1.5 m，節(jié)間長度為3 m，并在兩端設置端支承單元。主梁單元采用箱形斷面，構件材質采用Q345B。主梁單元間采用陰陽頭，鋼銷連接，銷子材料為30CrMnSi。構件組成有標準節(jié)段、端構件、連接弦桿等。桁梁結構圖見圖2。

多片桁梁間通過支撐架及連接槽鋼連接，保證桁片整體穩(wěn)定。桁片間連接槽鋼通過U形螺栓與桁架腹桿及下弦桿連接。

2.3 設計方案三

設計方案三采用型鋼為基本單元，型鋼采用H型鋼。構件材質采用Q345B。主梁單元間采用螺栓或螺桿連接，連接處節(jié)點按等強度設計。主梁標準節(jié)段長度為9 m,6 m,3 m。

螺栓連接桁梁桁梁結構圖見圖3。

主梁節(jié)段縱向間采用螺栓連接，節(jié)點連接按等強度設計。主梁標準節(jié)段分別在腹板和翼緣上鉆孔，以方便主梁間橫向連接及豎向多層疊置。型鋼梁豎向連接采用螺栓連接，橫向連接采用槽鋼與型鋼上焊接的加勁板用螺栓固定。

螺桿連接桁梁桁梁結構圖見圖4。

主梁單元間采用螺桿連接，螺桿材料為30CrMnSi。

2.4 方案選擇

方案一結構與貝雷梁類似，弦桿采用槽鋼，腹桿采用箱型截面。結構簡單，拼裝方便，組合靈活，使用范圍廣泛。承載力、穩(wěn)定較貝雷梁有提高，并設有連接節(jié)段，可與貝雷梁同時使用。

方案二桿件單元為箱型截面，以三角形為主梁單元，頂點之間銷接形成桁架。雖然承載能力得到了提高，但是桁片之間橫向穩(wěn)定較差，節(jié)點位置的面外穩(wěn)定也成為桁片的控制點。桿件存放、運輸過程容易造成損壞，增多修整費用。

方案三以H型鋼為單元，單元間采取螺栓或者螺桿連接。承載能力提高較大，同時自重也增多較多，另外單元間連接較麻煩，帶來梁面不平順的問題，會影響結構的使用范圍。結構組成中有較多細小構件，管理、存放中易于丟失。

對各設計方案進行對比統(tǒng)計詳見表2[1,2]。

通過從安全、施工簡便快速化、節(jié)省材料縮短施工時間、提高效率等方面進行綜合考慮，設計方案一均占優(yōu)勢，選擇設計方案一作為最終確定方案。

2.5 選擇方案計算

對設計方案一進行細致的計算分析，包括構件組成的標準節(jié)段、端支承節(jié)段和連接節(jié)段、加強弦桿等部分。計算內容包括桿件的容許內力，穩(wěn)定計算，各處焊縫應力，陰陽頭和連接銷計算。并對結構受力復雜的節(jié)點進行細部有限元分析，根據應力結果，見圖5。節(jié)點應力均滿足要求。

表2 設計方案參數(shù)統(tǒng)計

設計方案一自重也有增大，如圖6所示，相對于貝雷梁提高了77%，但是在機械設備高度發(fā)展的條件下，對其應用并不造成影響。重要的是在擁有以上優(yōu)點時，其承載能力抗彎提高了86%，抗剪提高了104%。

3 方案應用

利用標準桿件構筑橋梁施工結構，可以滿足更高的通航要求，跨越既有線，更復雜的地質等條件。利用標準桿件建棧橋，跨度可達到28 m～36 m，減少臨時墩用量，施工快，經濟性較好。

標準桿件作為主梁建造現(xiàn)澆支架，同樣32 m跨度，貝雷梁需要雙層架設。同樣的跨度和荷載情況下，標準桿件的材料用量可降低21%，并且更安全。

標準桿件實際應用公司平潭橋棧橋施工，發(fā)揮了跨度大、承載能力強、安全系數(shù)高和便于拼裝的優(yōu)勢，滿足了現(xiàn)場快速施工的需要，且具備良好的經濟性，得到使用單位的一致認可。標準桿件在“深水、大跨、重載”棧橋施工中具有明顯的綜合成本優(yōu)勢，能節(jié)省大量鋼結構投入和施工機具費用，施工進度也明顯快于貝雷梁，見圖7。

鑒于標準桿件較高的承載能力和抗變形能力，標準桿件可適應更廣泛的用途，作為掛籃的主桁結構，甚至用于更大跨度更大吊重的架橋機主梁(見圖8)。

4 結語

通過對標準桿件從結構構造、使用范圍、承載能力等多方面進行優(yōu)化設計，適應更復雜的施工客觀環(huán)境、施工難度，滿足工期要求。通過實際應用也證實形式標準化、制造工廠化、安裝裝配化、重復使用管理設備化的標準桿件，有助于提高快速化施工水平，增強企業(yè)盈利、管理水平，提升形象和市場競爭力，有助于橋梁施工行業(yè)的節(jié)能減排。