地鐵基坑臨時(shí)鋼便橋受力狀態(tài)研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)

高智鑫

（中電建鐵路建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，北京 100070）

0 引言

城市地鐵建設(shè)過程中，為緩解繁忙的地面交通壓力，貝雷梁式臨時(shí)鋼便橋因其方便快捷、成本低廉、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，已越來越成為地鐵施工交通疏解的一種通用方法。國內(nèi)外對貝雷梁本身結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)已做了成熟的研究，但是鮮有對于地鐵施工圍護(hù)樁兼做橋樁的鋼便橋上下部結(jié)構(gòu)共同受力互相影響的研究。貝雷梁剛度及強(qiáng)度儲備量大，可作為臨時(shí)結(jié)構(gòu)的優(yōu)先選項(xiàng)［1］，目前多數(shù)設(shè)計(jì)依據(jù)容許應(yīng)力法及施工偏保守，施工過程中對加強(qiáng)桿件、橋梁變形縫設(shè)置等技術(shù)要點(diǎn)把控不到位。因此文中以工程實(shí)例為依托，以監(jiān)測數(shù)據(jù)為指導(dǎo)，以建立Midas有限元模型及數(shù)值計(jì)算方法為核心手段，從研究變形縫出發(fā)，逐步深入的研究梁片橫向間距、特殊桿件加強(qiáng)、支座沉降、結(jié)構(gòu)形式對橋梁內(nèi)力的影響，分析地鐵基坑鋼便橋受力狀態(tài)，對原設(shè)計(jì)方案提出優(yōu)化措施，推廣到多跨鋼便橋結(jié)構(gòu)中并得出相應(yīng)結(jié)論。這是一種新的嘗試，也具有一定的科研和應(yīng)用價(jià)值。

1 工程概況

1.1 原設(shè)計(jì)方案

文中依托的工程為鄭州地鐵銀屏路站交通疏解所用貝雷梁臨時(shí)鋼便橋，為橋樁兼做圍護(hù)樁體系，跨度20m，鋼便橋采用321式貝雷梁（橫向布置間距0.45m，每兩片梁片用花架連為一組），取城市-A級荷載考慮。所處地層主要為黏質(zhì)粉土、粉砂，地下水位埋深在8～10m，車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1000@1500mm鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐形式。鋼便橋于2020年11月架設(shè)啟用，于2021年7月底拆除，使用期間溫差較大。

1.2 對原設(shè)計(jì)定性分析

橋梁一般設(shè)變形縫，起緩沖外部沖擊力、適應(yīng)橋梁溫度應(yīng)變，減小溫度應(yīng)力等作用，設(shè)計(jì)未設(shè)置變形縫，初步分析鋼便橋因升溫變形受到約束，線膨脹系數(shù)為k=1.2e-5/℃，20m跨徑溫度高30℃，產(chǎn)生的變形最大為 ΔL=kLΔt=7.2mm，產(chǎn)生的應(yīng)力為 σ=EΔL/L=74MPa，會產(chǎn)生較大溫度應(yīng)力，對橋梁受力產(chǎn)生不利影響；考慮到不設(shè)變形縫時(shí)，因橋梁計(jì)算結(jié)構(gòu)體系變?yōu)槌o定結(jié)構(gòu)，有利于減小內(nèi)力提高橋梁剛度，對結(jié)構(gòu)受力有利。臨時(shí)鋼便橋不考慮地震等偶然荷載，因此定性分析無法判斷，需要建模計(jì)算確定。

基坑圍護(hù)樁未嵌入持力層，作為橋樁受力時(shí)按摩擦樁分析，若在上部結(jié)構(gòu)荷載作用下其沉降量過大，將會影響橋梁的使用安全，因此有必要進(jìn)行沉降分析。

2 上部結(jié)構(gòu)分析

2.1 貝雷梁特性及建模原則

貝雷片由單元桁架銷接而成，單元之間完全靠銷釘傳力，經(jīng)查閱資料及現(xiàn)場試驗(yàn)，確定銷釘連接在有限元模型中模擬為鉸接較為合理［2］，單元桁架主要由上下弦桿、中間豎桿及斜桿用螺栓或焊接為整體，為內(nèi)部超靜定結(jié)構(gòu)，多片單元桁架拼接成貝雷梁片再沿橫向分布，橫向通過聯(lián)系梁連接以形成整體共同受力［3］。其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 貝雷片結(jié)構(gòu)（單位：mm）

根據(jù)實(shí)際情況，弦桿腹桿模擬為梁單元；貝雷片內(nèi)部節(jié)點(diǎn)為焊接，模擬為剛節(jié)點(diǎn)；單元之間為銷釘連接模擬為鉸接，具體操作為釋放兩端約束。橡膠支座采用節(jié)點(diǎn)彈性支承；荷載暫只考慮溫度、車輛行人、結(jié)構(gòu)自重，并進(jìn)行荷載組合。設(shè)置變形縫時(shí)梁端按自由節(jié)點(diǎn)處理，不設(shè)變形縫時(shí)梁端節(jié)點(diǎn)處設(shè)為只受壓節(jié)點(diǎn)彈性支承。

2.2 貝雷梁建模分析

按上述原則及原設(shè)計(jì)方案分別建立設(shè)變形縫及不設(shè)變形縫鋼便橋模型如圖2所示。

圖2 鋼便橋模型

建立模型后進(jìn)行鋼便橋整體及局部穩(wěn)定性分析均滿足要求，桿件應(yīng)力及變形數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 考慮溫差作用時(shí)有無伸縮縫對鋼便橋剛度強(qiáng)度的影響（加強(qiáng)弦桿）

根據(jù)文中上述分析可以得出：

不設(shè)變形縫，受力后能使跨中弦桿的應(yīng)力減小約30MPa，支座豎桿的應(yīng)力變化不大；但溫差作用下產(chǎn)生額外次應(yīng)力55MPa，但能使撓度由28mm降低到19.9mm。

由于模型未考慮抗震及車輛制動荷載，最后施工時(shí)在梁端部采用半剛性措施，介于兩者之間，即現(xiàn)場抄墊+15mm厚木模板。

2.3 橋梁監(jiān)測

為驗(yàn)證模型計(jì)算數(shù)據(jù)合理性同時(shí)確保橋梁使用安全，進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測，監(jiān)測點(diǎn)布置見圖3。

圖3 鋼便橋應(yīng)力監(jiān)測布置

鋼桁架梁應(yīng)力可按下面公式進(jìn)行。

式中，p為鋼桁架梁應(yīng)力；k為傳感器的標(biāo)定系數(shù)；f0為傳感器在支撐受力前的初始自振頻率；f為應(yīng)力計(jì)在某一荷載時(shí)測量的自振頻率。采集監(jiān)測數(shù)據(jù)并計(jì)算分析結(jié)果見表2。

表2 橋梁應(yīng)力監(jiān)測

得出在荷載及溫度作用下，實(shí)測監(jiān)測數(shù)據(jù)與模型計(jì)算數(shù)據(jù)基本吻合。

3 下部結(jié)構(gòu)分析

下部結(jié)構(gòu)為圍護(hù)樁兼做橋樁結(jié)構(gòu)，模擬為支撐式支擋體系與摩擦型橋樁的復(fù)合受力體系［4］，簡化結(jié)構(gòu)形式見圖4。

圖4 結(jié)構(gòu)受力

基坑內(nèi)側(cè)土壓力ps=ksv+ps0；ps0為初始分布土壓力；v為土體壓縮的水平位移值；樁身土體摩擦剛度系數(shù)k=C0A0，C0=m0h，可查表帶入公式［5］，按上述公式計(jì)算土壓力、鋼支撐混凝土支撐彈性剛度、土體摩擦剛度等，建立Midas受力模型，將上部結(jié)構(gòu)分析中的支座反力按節(jié)點(diǎn)力施加到下部結(jié)構(gòu)模型中。進(jìn)行荷載組合并運(yùn)行分析后，得出樁頂沉降值為8.55mm，在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，與監(jiān)測數(shù)據(jù)吻合，后續(xù)分析可以直接使用此結(jié)果。

4 方案優(yōu)化

鋼便橋桿件材料為Q345鋼，［σ］=210MPa［6］，根據(jù)前面計(jì)算結(jié)果，最大弦桿應(yīng)力為118MPa，其他桿件應(yīng)力也普遍偏低，設(shè)計(jì)偏保守，材料利用率不高，從更換加強(qiáng)型弦桿為普通弦桿；加強(qiáng)部分薄弱桿件；加大梁片橫向間距幾方面進(jìn)行優(yōu)化，如表3所示。

表3 優(yōu)化梁片間距及部分桿件

方案優(yōu)化為450+900普通弦桿加強(qiáng)豎桿，能滿足使用要求。

5 推廣應(yīng)用

經(jīng)建模分析及優(yōu)化過程研究，在地鐵基坑圍護(hù)樁兼做橋樁體系中，單跨20m鋼便橋受力合理，結(jié)構(gòu)安全可靠，但當(dāng)跨徑超過20m時(shí)，應(yīng)力及撓度值即將超限，為了推廣應(yīng)用到更寬的基坑，現(xiàn)研究當(dāng)跨徑40m

（1）L<20m，采用450+900普通弦桿加強(qiáng)豎桿；

（2） 20m

（3） 40m

6 結(jié)語

從研究臨時(shí)鋼便橋變形縫對其結(jié)構(gòu)受力的影響出發(fā)，充分考慮溫差及圍護(hù)樁沉降等因素，依次對上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

（1） 圍護(hù)樁兼做橋樁結(jié)構(gòu)體系在臨時(shí)交通疏解的應(yīng)用能滿足受力需要。

（2） 在使用環(huán)境溫差較大的地區(qū)設(shè)置變形縫對鋼便橋受力影響較大，通過研究，采用半剛性縫能有效減小溫度應(yīng)力同時(shí)能保證撓度不超限。

（3） 通過調(diào)整梁片間距、加強(qiáng)部分桿件能在保證橋梁本身安全可靠的前提下大幅提高材料利用率、節(jié)約成本。