應(yīng)急條件下輕型、快速架設(shè)橋梁結(jié)構(gòu)探討

張立乾 陳紅 閆晶 李兵 吳星

(北京特種工程設(shè)計(jì)研究院 100028)

引言

輕型、快速架設(shè)橋梁在很多情況下是必要的, 比如搶險(xiǎn)、應(yīng)急等。傳統(tǒng)索道橋一般采取纜索密間距分布的布置方式, 這種布置方式存在橫向穩(wěn)定性不足、橋面系架設(shè)周期過長(zhǎng)等諸多不利因素。為了克服背景技術(shù)的不足, 同時(shí)面向輕型、快速架設(shè)的橋梁功能, 本文提出了一種新型的橋梁結(jié)構(gòu)型式, 并結(jié)合工程案例, 基于有限元計(jì)算軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算, 按照從整體到局部的原則驗(yàn)證了整體結(jié)構(gòu)的科學(xué)合理性, 以期給同類工程提供更優(yōu)的解決方案。

1 結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)

以某應(yīng)急橋梁為例, 摒棄傳統(tǒng)索道橋纜索密間距分布的布置方式, 采用兩個(gè)主纜作為主承載構(gòu)件, 橫梁采取了輕型化的結(jié)構(gòu)型式, 和主纜連接的構(gòu)件采用了專用倒U 型固定裝置, 橋面承載板采取輕型縱橫正交的薄壁豎板構(gòu)成的密間距梁格系, 并設(shè)置了模塊化橋梁配重。

1.1 主纜

該應(yīng)急橋用于連接跨越山谷的兩個(gè)隧道, 橋型布置如圖1 所示。以分布在橋面兩個(gè)邊側(cè)的具有較高初始預(yù)張力的主纜作為全橋主要承載構(gòu)件, 中間不再設(shè)置分布纜索。主纜采用1860 級(jí)平行鋼絲束, 外包雙層擠壓高密度聚乙烯防腐材料, 外徑118mm, 斷裂極限強(qiáng)度為11670kN。主纜成橋態(tài)垂度1.74m, 主跨跨徑70m, 垂跨比1/40?；钶d為特載車, 全重78t, 6 軸, 軸距從前至后依次為2m、4m、2m、2m、2m, 輪距2.5m,最大爬坡能力為30%。主纜通過索鞍錨固于錨座后部, 錨座通過植根于巖層的預(yù)應(yīng)力錨索提供給主纜錨固抗力。主纜橫向間距5m。

1.2 橫梁及端部固定裝置

橫梁采取高強(qiáng)鋁合金閉口小箱梁, 采用6061AL 高強(qiáng)合金鋁材料, 目的是減低自重的同時(shí)又保證必要的結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度。間距400mm設(shè)計(jì)加勁肋板。橫梁端部設(shè)置倒U 型固定裝置,中部為倒U 型固定部分, 實(shí)現(xiàn)橫梁和主纜可靠的扣接,端部為鎖定部分, 實(shí)現(xiàn)橫梁和主纜的鎖止, 防止橫梁沿主纜滑移。倒U 型固定裝置頂部還設(shè)有兩側(cè)伸出的端臂,其作用有兩個(gè): 一是端壁之間距離為1000mm, 橫梁安裝間距即為1000mm, 這樣橫梁安裝就位時(shí), 可以發(fā)揮卡尺的作用; 二是前后兩個(gè)相鄰的端壁之間相接處設(shè)有扣件,實(shí)現(xiàn)相鄰橫梁的頂緊扣死。橫梁布置見圖2 所示, 固定裝置見圖3。一道橫梁包含兩個(gè)端部固定裝置總質(zhì)量為200kg。

圖1 橋型布置Fig.1 Bridge layout

圖2 橫梁布置(單位: mm)Fig.2 Layout of cross beams(unit: mm)

圖3 橫梁固定裝置(單位: mm)Fig.3 Cross and longitudinal layout of cross beam fixing device(unit: mm)

1.3 橋面承載板

橋面承載板采取縱橫正交的薄壁豎板構(gòu)成的密間距梁格體系, 在強(qiáng)度、剛度滿足的條件下進(jìn)一步降低自重,同時(shí)密間距梁格體系可以給其上車輛的輪胎提供較好的“抓地力”。單品橋面承載板全 寬 566mm、長(zhǎng) 3990mm,縱向由11 道間距50mm 的高70mm、厚6mm 的縱向肋板構(gòu)成, 橫向由間距100mm 的高40mm、寬4mm 的隔板構(gòu)成, 縱橫鋼板采用焊接連接或一次脫模成型。材料采用Q420 高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼?？v向肋板間距1000mm 設(shè)有凹槽, 用于卡住其下的橫梁頂板, 防止橋面承載板和橫梁的縱向相對(duì)滑移; 同時(shí)在橫梁頂部設(shè)置有凈間距572mm 的橋面承載板的橫向卡槽, 防止橋面承載板和橫梁的橫向相對(duì)滑移; 橫梁頂部卡槽頂部設(shè)有下壓扣件, 扣住橋面承載板的邊肋頂面, 防止橋面承載板和橫梁的垂向脫空。橋面承載板布置見圖4。一品橋梁承載板(4m 長(zhǎng), 0.566m 寬)總質(zhì)量為171kg。

圖4 橋面承載板布置(單位: mm)Fig.4 Layout of bridge deck bearing plate(unit: mm)

1.4 橋梁配重

為控制主纜受荷特別是在較重車輛通過時(shí)的線形, 設(shè)置了搬運(yùn)方便快捷的模塊化設(shè)計(jì)的橋梁配重, 可以實(shí)現(xiàn)快速布設(shè)。配重采用鑄鐵塊, 單塊尺寸1000mm(長(zhǎng))×151mm(寬)×140mm(高),質(zhì)量166kg。橋面對(duì)稱每側(cè)設(shè)置三組, 置于最外側(cè)的橋面承載板上。配重通過上、下卡板和豎向螺桿固定于橋面承載板上, 如圖5 所示。橋面每側(cè)3 塊配重, 橫向共計(jì)6 塊配重, 可實(shí)現(xiàn)全橋1000kg/m 的配重。

橋梁?jiǎn)渭畲笾亓?00kg, 4個(gè)熟練架設(shè)人員可快速完成就位。在兩岸錨座先期完工主纜成型的狀態(tài)下, 若采取兩岸同步向跨中架設(shè)的方案, 每一片橫梁安裝就位平均5min, 70m 跨度全橋架設(shè)完畢需要3個(gè)小時(shí), 而相同跨度的傳統(tǒng)貝雷桁架橋至少需要24個(gè)小時(shí), 時(shí)間縮短很多。

圖5 橋面配重橫向布置(單位: mm)Fig.5 Lateral layout of bridge deck counterweight(unit: mm)

2 結(jié)構(gòu)體系受力分析

基于Midas Civil 軟件, 建立全橋和局部模型, 進(jìn)行有限元數(shù)值分析計(jì)算。

2.1 整橋受力分析

全橋計(jì)算模型見圖6。主纜采用索單元, 橫梁、橋面承載板采用梁?jiǎn)卧? 橋塔采用梁?jiǎn)卧?。模型的物理力學(xué)參數(shù)見表1。邊界條件為: 橋塔根部固結(jié)約束, 索端為鉸接約束。橋塔為縱橋型薄壁構(gòu)件, 縱向剛度較小, 其頂部節(jié)點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的索節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化為共節(jié)點(diǎn)鉸接。

圖6 全橋計(jì)算模型Fig.6 Full bridge computing mode

表1 全橋模型物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Physical and mechanical index of full bridge computing mode

1.主纜找形與初始內(nèi)力

經(jīng)非線性計(jì)算分析, 主纜在自重和二期恒載、橋面配重作用下(每側(cè)施加)的初始內(nèi)力等值線圖如圖7 所示。主纜最大初始內(nèi)力在纜索根部從根部至跨中2553.2kN ～2489.4kN 遞減。

2.倒拆分析

拆除橋梁配重載荷后主纜線形及變位如圖8所示, 拆除橫梁和橋面承載板后的主纜線形及變位如圖9 所示。從圖9 可以看出, 拆橫梁和橋面承載板后, 主纜跨中垂度向上變位1.3092m, 此時(shí)對(duì)應(yīng)的纜索垂度為0.4306m, 主纜最大對(duì)應(yīng)的內(nèi)力為714.5kN ～756.3kN。

圖7 主纜初始內(nèi)力等值線圖(單位: kN)Fig.7 Isogram of initial internal force of main cable(unit: kN)

圖8 拆除橋梁配重載荷后主纜線形及變位等值線圖(單位: m)Fig.8 Contour map of main cable shape and displacement after removing bridge counterweight load(unit: m)

圖9 拆除橫梁和橋面承載板后的主纜線形及變位等值線圖(單位: m)Fig.9 Contour map of main cable shape and displacement after removing cross beam and bridge deck bearing plate(unit: m)

3.主纜在活載作用下的受力分析

通行特載的輪載及軸載布置見圖10。特載車輛前后軸距12m, 單軸重13t, 共6 軸, 總重78t, 相較于一般公路標(biāo)準(zhǔn)車, 該特載要超重很多。橫向輪距2.5m。荷載橫向布置分為對(duì)稱和非對(duì)稱兩種情況加以分析。

圖10 特載車輛布置Fig.10 Special vehicle layout

(1)對(duì)稱布設(shè)的活載?；钶d作用位置考慮3種: 主跨端部、1/4 跨、跨中, 對(duì)應(yīng)的主纜縱坡分別為13%、10%、7.3%, 對(duì)應(yīng)的主纜最大索力分別為3401.4kN、4170.3kN、4408.8kN, 遠(yuǎn)低于主纜斷裂強(qiáng)度?；钶d作用跨中結(jié)構(gòu)變位對(duì)應(yīng)的主纜索力等值線云圖見圖11。

圖11 活載作用位置位于跨中時(shí)主纜豎向變位及索力等值線云圖Fig.11 Contour map of main cable force and vertical displacement when live load is located at midspan

(2)偏載0.3m 布設(shè)的活載, 如圖12 所示?；钶d作用位置與對(duì)稱布設(shè)相同。在偏載作用下, 偏心側(cè)主纜垂向位移和索力均相應(yīng)增大, 和對(duì)稱布設(shè)對(duì)比, 按照活載作用位置: 主跨端部、1/4 跨、跨中的順序, 主纜豎向位移依次增加4.5%、6.5%、7.7%, 主纜索力依次增加4.1%、4.7%、4.1%, 橫 向 側(cè) 傾 角 度 分 別 為0.81°、1.26°、1.41°, 滿足小于3°的橫向安全閾值。偏載荷載作用跨中的荷載效應(yīng)見圖13。

圖12 活載偏心0.3m 布設(shè)圖Fig.12 Layout of live load eccentricity 0.3m

圖13 偏載活載作用位置位于跨中時(shí)主纜豎向變位及索力等值線云圖Fig.13 Contour map of main cable force and vertical displacement when eccentric live load is located at midspan

2.2 橫梁結(jié)構(gòu)分析

橫梁計(jì)算模型采用板單元, 模型如圖14 所示。邊界條件為模擬橫梁端部的倒U 型固定裝置, 在前后端部截面外100mm 處建立邊界節(jié)點(diǎn),端部截面所有節(jié)點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的邊界節(jié)點(diǎn)建立剛臂連接, 然后對(duì)兩個(gè)邊界節(jié)點(diǎn)施加簡(jiǎn)支約束。應(yīng)力極值出現(xiàn)在活載局部承壓面, 跨中截面最大應(yīng)力為160.4MPa, 豎向剪應(yīng)力最大值為115.1MPa, 端部截面最大應(yīng)力為44.2MPa, 應(yīng)力值控制在合金鋼允許值內(nèi), 見圖15。以恒載為不變量, 活載為可變量, 進(jìn)行穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算。取前4 階失穩(wěn)模態(tài), 計(jì)算對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)為8.2、10.7、11.2、12.1, 大于歐拉穩(wěn)定系數(shù)6 的要求。一階失穩(wěn)模態(tài)為側(cè)向失穩(wěn), 二、三、四階失穩(wěn)模態(tài)均為輪載直接位置處的橫梁腹板壓潰失穩(wěn)。

圖14 橫梁計(jì)算模型Fig.14 Calculation model of crossbeam

2.3 橋面承載板結(jié)構(gòu)分析

橋面承載板計(jì)算模型見圖16。計(jì)算模型為一品橋面承載板, 長(zhǎng)3990mm, 寬566mm。約束條件為間距1m(對(duì)應(yīng)橫梁位置)豎向約束, 單邊側(cè)水平約束。荷載為自重恒載和作用在其上的輪壓活載, 輪載和橋面承載板的接觸面積按照500mm(橫向) ×200mm(縱向)考慮, 將輪壓按照接觸面積內(nèi)分布的板單元的節(jié)點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)載荷計(jì)入。同時(shí)考慮輪載作用在邊跨支點(diǎn)、邊跨1/4 跨徑、邊跨跨中、跨中支點(diǎn)、中跨跨中五種工況進(jìn)行計(jì)算分析。輪載位于中跨跨中時(shí)的橋面承載板等效應(yīng)力等值線云圖見圖17。最大等效應(yīng)力為118.2MPa, 應(yīng)力值控制在鋼材允許值內(nèi), 最大豎向位移0.32mm。以恒載為不變量, 活載為可變量, 進(jìn)行穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算。按照輪載布置位置的五種工況, 分別計(jì)算失穩(wěn)模態(tài)和對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù),最小穩(wěn)定系數(shù)為30.2, 遠(yuǎn)大于歐拉穩(wěn)定系數(shù)6 的要求。

圖15 活載作用下橫梁變位等值線云圖(單位: m)Fig.15 Contour nephogram of transverse beam displacement under live load(unit: m)

圖16 橋面承載板計(jì)算模型Fig.16 Calculation model of bridge deck bearing plate

圖17 輪載載位下橋面承載板等效應(yīng)力等值線云圖Fig.17 Equivalent stress contour nephogram of bridge deck bearing plate under wheel loads

3 結(jié)語

本文介紹了一種適用于應(yīng)急臨時(shí)用途輕型、快速架設(shè)的纜索支撐的橋梁結(jié)構(gòu)型式, 不但具有承受重載(荷載高達(dá)78t)的能力, 而且在兩岸錨座先期完工主纜成型的狀態(tài)下, 具有快速架設(shè)的能力。該結(jié)構(gòu)型式具有一系列創(chuàng)新性: 雙主纜承載、高強(qiáng)合金鋁薄壁箱梁、倒U 型固定裝置、密肋橋面承載板、橋面模塊化配重等, 經(jīng)數(shù)值計(jì)算分析, 滿足規(guī)范要求。

需要指出的是, 該橋的快速架設(shè)是建立在纜索支撐體系已經(jīng)先期建立的基礎(chǔ)上, 且由于橋體自身重量較輕的原因, 其線形并不理想,作為常規(guī)通行橋梁是不能滿足舒適性要求的,僅作為特殊用途的橋梁型式而存有實(shí)用價(jià)值。同時(shí)其動(dòng)力特性和抗風(fēng)穩(wěn)定性尚需下一階段深入研究。