基于MIDAS Civil的某跨河鋼便橋設計驗算有限元分析

侯孝振 （安徽省路港工程有限責任公司，安徽 合肥 230022）

針對峽谷、河流等復雜的地理環(huán)境，橋梁工程施工為解決材料、機械設備運輸及人員進出，貝雷梁鋼便橋由于其施工便捷、強度高等特點，使得其在跨河流、峽谷施工中的應用變得越來越廣泛。鋼便橋結(jié)構(gòu)連接節(jié)點較多，傳力復雜，通過車輛荷載等較大動載荷，因此施工前進行安全驗算是十分必要的。本文通過對某工程實例跨河貝雷梁鋼便橋進行設計驗算，采用MIDAS Civil有限元軟件整體建模，進行不同工況下貝雷梁受力分析，驗算其安全穩(wěn)定性，為類似工程施工方案設計驗算提供一定參考。

1 工程概況

某跨河施工臨時貝雷鋼便橋根據(jù)現(xiàn)場的地形、地貌采用上承式結(jié)構(gòu)，橋面寬度6.0m，便橋跨度為5跨（9m+9m+3m+6m+9m），主縱梁采用3組6排雙排單層標準貝雷桁架片（國標100型），貝雷間距為（0.9m+1.35m+0.9m+1.35m+0.9m），貝雷梁之間采用貝雷標準支撐架保持側(cè)向穩(wěn)定。主橫梁選用雙拼2工45a型鋼，橫向分配梁選用間距0.375m的I20a型鋼，面板為10mm花紋鋼板，便橋欄桿采用定型鋼焊接立柱和護手，高度120cm。便橋兩端與混凝土橋臺相連，其余下部結(jié)構(gòu)采用壁厚8mm，直徑630mm的鋼管樁基礎(chǔ)，鋼管樁之間采用聯(lián)結(jié)（普鋼槽鋼C20a）連成整體。鋼便橋布置簡圖見圖1。

圖1 鋼便橋立面布置簡圖

2 材料參數(shù)

本工程鋼便橋貝雷采用16Mn鋼材，鋼管樁及樁頂承重橫梁、分配梁均采用Q235B鋼材。采用容許應力法進行檢算。Q235B鋼：容許彎曲應力[σ]=145MPa，容許剪應力[τ]=85MPa；Q345B鋼參數(shù)：容許彎曲應力[σ]=210MPa，容許剪應力[τ]=120MPa。根據(jù)《路橋施工計算手冊》，臨時性結(jié)構(gòu)容許應力按提高30%～40%后使用，本項目按提高1.3計。

國標100型貝雷梁桿件特性表 表1

貝雷梁允許軸力如表1所示。

3 主要荷載

根據(jù)本工程鋼便橋?qū)嶋H使用情況，橋面考慮以下幾種主要荷載：①本便橋永久作用為材料自重恒載，軟件自動計入；②12m的混凝土運輸車，具體參數(shù)如下：整備重量16.2t，滿載總重量47.4t，軸距3220（mm）+1150（mm），前輪荷載總重P=8t，后輪荷載總重P=39.4t；③25t汽車吊，其正向起吊最大吊重按15t計，側(cè)向起吊最大吊重按15t計，主要用于便橋施工（沿便橋?qū)挾染又行凶撸烎~法施工），25t汽車吊僅限于墩頂起吊作業(yè)，在便橋走行時為空載走行。吊機幾何中心點布置于墩中心線處，且起吊作業(yè)時單個支點抄墊面積不得小于0.45m×1.0m，加載工況一：25t汽車吊墩頂側(cè)吊，側(cè)吊吊重設計容許值為15t。其中按單側(cè)分別為35t和5t加載計算，加載工況二：25t汽車吊機墩頂正向起吊15t，考慮吊臂較小，支點荷載按均布計算；④掛車-100級平板車，參考《公路橋涵通用設計規(guī)范》中掛車參數(shù)執(zhí)行；⑤制動力；⑥風荷載；⑦水流壓力；⑧施工荷載：3kN/m。主要技術(shù)標準：設計限行速度15km/h，考慮便橋?qū)嶋H情況，不計沖擊作用。

4 計算工況

根據(jù)本鋼便橋?qū)嶋H使用情況，計算工況見表2。

5 有限元建模及邊界條件設置

采用MIDAS Civil 2019進行整體建模計算。模型中鋼管樁、貝雷梁、分配梁及承重橫梁均采用梁單元模擬，分配梁和貝雷梁連接，貝雷梁和承重橫梁連接，承重橫梁和鋼管樁連接均設置彈性連接，貝雷梁和橋臺埋件連接采用鉸結(jié)，鋼管樁底部采用鉸結(jié)鋼管樁自嵌固點至樁頂長度按10m計算。

鋼便橋計算工況表 表2

6 計算結(jié)果

采用MIDAS Civil 2019車道面荷載及車道線荷載（橫向聯(lián)系梁）兩種方法分別加載車輛荷載計算。由于橋面板與分配梁I20a工字鋼焊接成整體，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，本文對面板不進行驗算。

6.1 橫向分配梁I20a計算

由計算比較知最不利工況為工況1混凝土罐車無偏載，由圖2知橫向分配梁I20a最大豎向彎應力σ=121.6MPa<1.3x145=188MPa。

圖2 橫向分配梁I20a豎向彎應力云圖（單位：MPa）

6.2 貝雷梁計算

由計算比較知貝雷梁最不利工況為工況6掛車有偏載，受力情況如圖3～圖5所示。

圖3 貝雷梁弦桿軸力云圖（單位：kN）

圖4 貝雷梁豎腹桿軸力云圖（單位：kN）

圖5 貝雷梁斜腹桿軸力云圖（單位：kN）

由圖3～圖5知貝雷梁結(jié)構(gòu)弦桿最大軸力272.5kN，豎腹桿最大軸力206kN，斜腹桿最大軸力158kN，滿足。

由圖6知貝雷梁豎向位移最大值為11.0mm

圖6 便橋豎向變形圖（單位：mm）

6.3 樁頂橫梁雙拼工45a型鋼計算

由計算比較知樁頂橫梁最不利工況為工況5掛車無偏載，受力情況如圖7所示。

由圖7知樁頂橫梁雙拼工45a型鋼最大組合應力σ=79.7MPa<1.3x145=188MPa。

圖7 雙拼工45a型鋼組合應力云圖（單位：MPa）

6.4 鋼管樁強度及穩(wěn)定性計算

由計算比較知鋼管樁最不利工況為掛車作用下偏載，最不利基本組合為N=1488kN，M=32kN·m，M=35.4kN·m。鋼管樁計算長度根據(jù)《港口工程樁基規(guī)范》(JTS167-4-2012)按一端固定一端自由移動鉸計算。

計算長度l=14.6m，鋼管樁按b類截面，穩(wěn)定系數(shù)φ=0.774。

鋼管樁穩(wěn)定性滿足要求。

7 結(jié)語

①本工程跨河鋼便橋采用MIDAS Civil有限元計算，貝雷梁結(jié)構(gòu)布置能滿足設計要求，且在設計荷載條件下其橫向分配梁、樁頂橫梁及鋼管樁的強度、穩(wěn)定性均能滿足要求；

②計算表明貝雷梁支撐點位置豎桿軸力較大，安全儲備較小，施工過程需嚴格按照設計圖紙施工，保證施工質(zhì)量，且在使用過程需加強監(jiān)測；

③本文簡要分析了某跨河貝雷梁鋼便橋的設計驗算過程，為類似工程施工方案設計驗算提供一定參考。