基于Midas的貝雷梁鋼便橋設計與驗算

李郁林 成瀅 封斌

摘要：為研究貝雷梁鋼便橋的上部結構及下部結構的結構受力特性，采用有限元軟件Midas/Civil對某貝雷梁加鋼管柱鋼便橋進行建模分析，得到分配梁、貝雷梁、鋼管柱等應力參數(shù)，根據(jù)容許應力法，對各構件進行驗算。計算結果表明，原方案支座處貝雷梁豎桿應力超限，采取加強措施后，應力滿足規(guī)范要求。

關鍵詞：鋼便橋; 貝雷梁; 有限元分析; 承載能力極限

中圖分類號：U445.35文獻標志碼：A

0引言

現(xiàn)行主流的橋梁施工方案中，鋼便橋常被作為工程施工和運輸?shù)闹饕R時結構，被用以確保施工所需人員、材料及設備的進出，其對施工的正常進行及質(zhì)量保障起到了重要的作用［1-3］。以往研究表明，貝雷架作為一種用途較多的支承構件，由于其采用的單銷連接方式，使得其在實際工程具有便于拆裝、維護及運輸?shù)膬?yōu)勢，因此采用該種支架的貝雷梁鋼便橋在橋梁設計及建設中得到了廣泛的使用［4-5］。

針對貝雷梁鋼便橋的結構設計分析，王其林［6］采用有Midas/Civil對某下承式貝雷梁鋼便橋的受力分析結果表明，該橋主桁梁的剪切與彎曲應力最大值均出現(xiàn)在貝雷梁下弦桿處。侯孝振［7］對某跨河施工臨時貝雷鋼便橋的結構設計驗算分析結果也表明，貝雷梁支撐點位置豎桿軸力較大，應在施工時重點關注，并加強監(jiān)控。徐波等［8］針對下承式貝雷梁鋼便橋的梁架組合形式研究表明，較貝雷梁單層三排貝布置方式，采用雙層兩排的布置方式更優(yōu)，能夠顯著減小結構主梁的豎向位移。因此有必要針對貝雷梁鋼便橋的上部結構（主要為貝雷梁）及下部結構的結構受力及安全性進行計算分析。

本文以某全長為78 m的貝雷梁鋼便橋為工程背景，采用有限元軟件Midas/Civil建立有限元模型，對該橋在不同荷載下的受力特性進行分析，并提出相關的設計參考建議。

1工程概況

本鋼便橋全長78 m，采用貝雷梁、工字鋼支架搭設，橋?qū)? m，單車道，共1聯(lián)，主要用于走行混凝土運輸車等重載施工車輛（55 t），兼作施工平臺。鋼便橋下部采用A630×8 mm鋼管樁基礎，每排為3樁，間距2.45 m，排距12～15 m，其中，③、④、⑤、⑥位于水中，②位于岸坡，①、⑦位于岸上，如圖1和圖2所示。鋼管樁頂部設置雙拼40a工字鋼橫梁，縱向梁部采用普通型貝雷梁，為12 m+12 m+15 m+15 m+12 m+12 m連續(xù)梁橋結構，貝雷梁頂設置I20a工字鋼，間距30 cm，其上滿鋪8 mm厚壓花鋼板。本鋼便橋貝雷梁采用16 Mn鋼，其他型鋼采用Q235鋼，材料力學性能參數(shù)如表1所示。

該鋼便橋按鋼管樁基礎設計，樁側(cè)摩擦力和樁端阻力采用了JTG 3363-2019《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》及JGJ 94-2008《建筑樁基技術規(guī)范》提供的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)如表2所示。

2設計荷載及組合

對于該橋的荷載取值，參考相關規(guī)范，主要從永久作用與可變作用出發(fā)，并以此計算得到相應的荷載組合。其中恒載根據(jù)材料容重和體積計算，具體實現(xiàn)方法通過Midas軟件根據(jù)有限元模型設定的截面和尺寸自行計算施加。

活載的取值則根據(jù)實際情況選取，主要考慮幾部分：

（1）移動荷載考慮混凝土運輸車等重載施工車輛（55 t），采用車道面加載。車輛荷載按照車道中心加載，橫向車輪按照JTG D60-2015《公路橋涵設計通用規(guī)范》設置。

（2）對位于水中的鋼管柱，考慮流水壓力作用，根據(jù)JTG D60-2015《公路橋涵設計通用規(guī)范》式（1）計算。

P=KAγν22g（1）

式中：各符號參見JTG D60-2015《公路橋涵設計通用規(guī)范》，形狀系數(shù)K取0.8，重力加速度取9.81 m/s2，流速v取1.5 m/s。通過計算可得到水中鋼管樁單樁的流水壓力為P=3.33 kN。

（3）驗算鋼管柱承載能力時，考慮上部結構傳來的以及自身的風荷載，采用公路橋梁抗風設計規(guī)范中的方法計算。可得到單根鋼管柱所受風荷載為1.51 kN/m，上部結構風荷載為1.85 kN/m。

采用上述計算所得到的永久作用與可變作用下的橫載與活載數(shù)值，并參照公路橋涵通用設計規(guī)范進行荷載組合，取基本組合和標準組合，具體為：

驗算強度的荷載組合：1.2恒載+1.4活載。

驗算剛度的荷載組合：恒載+活載。

3結構受力分析

本文采用有限元軟件Midas/Civil建立有限元模型，以此計算得到各節(jié)點處的最大應力及位移，從而對該貝雷梁鋼便橋的結構受力特性及安全性進行分析研究。

3.1上部結構

該橋上部結構主要由工字鋼分配梁、工字鋼橫梁以及貝雷梁組成，上部結構有限元模型如圖3所示，模型采用桿單元建立，橋面板與橫梁、橫梁與縱梁之間均采用剛性連接，橫梁下鋼柱簡化為支座，鋼管柱單獨分析。

3.1.120a工字鋼分配梁

間距30 cm的20a工字鋼有限元模型如圖4所示，其中上部結構各構件的最大正應力與剪應力計算結果如表3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)20a工字鋼的最大正應力為62.0 MPa，最大剪應力為19.5 MPa，均小于鋼材容許應力，滿足強度設計要求。

3.1.240a工字鋼橫梁

鋼管樁頂部設置的雙拼40a工字鋼橫梁各節(jié)點的豎向撓度如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)最大豎向撓度為0.62 mm，小于規(guī)范要求的6000/500=12 mm，滿足安全需求。鋼橫梁底部支反力，即鋼管樁頂部豎向力計算結果如圖6所示，其中最大支反力為500.6 kN。

同時由表3可知，20a工字鋼的最大正應力為70.0 MPa，最大剪應力為47.03 MPa，均小于鋼材容許應力，滿足強度設計要求。

3.1.3貝雷梁計算結果

貝雷梁主要由斜撐、豎桿、弦桿組成，利用Midas計算可得到各個構件的應力，同樣該貝雷梁各構件處的最大正應力與剪應力分析計算結果如表3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)貝雷梁豎桿、弦桿的最大正應力和最大剪應力均小于容許應力，滿足強度設計要求。

而支座處豎桿由于所受剪力較大，剪力由支點處豎桿承擔，使得豎桿最大壓應力約為209 MPa（圖7），超過豎桿8號工字鋼的容許應力，需作加強處理。加強采用10號槽鋼，位置為各鋼管柱支點中心線兩側(cè)的貝雷梁豎桿處，如圖8所示。加強后，貝雷梁豎桿最大正應力計算結果如圖9所示，最大正應力約為140 MPa，小于鋼材容許應力，滿足強度設計要求。

3.2下部結構

該橋的下部結構采用鋼管樁作為上部結構的支撐結構，對上部結構的正常使用和安全有重要作用，本設計對鋼管樁進行單獨計算分析，主要計算其穩(wěn)定性、入土深度以及貫入度。

3.2.1壓桿穩(wěn)定性驗算

由上部結構的計算可知，標準組合下邊支點鋼管樁最大支反力為315 kN，中支點鋼管樁最大支反力為501 kN；基本組合下邊支點鋼管樁最大支反力為430 kN，中支點鋼管樁最大支反力為681 kN。

根據(jù)樁基礎設計規(guī)范和鋼結構設計規(guī)范以及本鋼管柱的設計參數(shù)可得到其長細比λ=46.11，穩(wěn)定系數(shù)為φ=0.927，故其穩(wěn)定應力大小σ=N/（φA）=47.09 MPa，小于185 MPa，滿足壓桿穩(wěn)定要求。

3.2.2橫向和豎向荷載共同作用下穩(wěn)定性驗算

根據(jù)本設計實際情況可知，橫橋向中間單排樁剛度最小，需考慮風力及流水壓力對排樁的水平作用。梁部風荷載按加載長度15 m（單排柱所承擔的橫向阻風長度）計算，簡化為集中力作用于柱頂部分，采用Midas建立有限元模型進行計算，位移計算結果如圖10所示。計算時偏安全地按照鋼管樁頂部自由考慮，此時鋼管樁可看作懸臂體系，由計算結果過可知，在最不利風和流水荷載作用下柱頂產(chǎn)生的位移為7.8 mm，小于10140/400=25.35 mm，對整體結構的穩(wěn)定性影響較小，表明本設計在各個工況下的穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

3.2.3鋼管樁入土深度計算

本次施工采用鋼管樁按閉口錘擊入土，樁長從局部沖刷線算起。根據(jù)JGJ 94-2008《建筑樁基技術規(guī)范》相關規(guī)定，采用式（2）計算。

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+λpqpkAp（2）

式中各參數(shù)含義參照規(guī)范，其中，樁的周長u取1.978 m，λp取1.0，地質(zhì)參數(shù)參照施工圖資料，結合規(guī)范選取，具體參數(shù)見表2。通過反復計算，取中支點鋼管樁入土深度為20 m，樁底標高為16.2 m，樁端進入第4號地層粉細砂中1.4 m，可求得Quk=1817.9 kN，Ra=Quk/2=908.9 kN>681 kN。即選用此入土深度滿足設計要求。

3.2.4貫入度計算

根據(jù)格爾塞萬諾夫打樁公式，計算打樁時最后10擊的下沉量e，即為貫入度見式（3）。

e=n×A×Q×Hm×p×（m×p+n×A）×Q+K2×qq+Q（3）

式中：e為貫入度；n根據(jù)材料和樁帽，取n=2.0；A樁支撐面積，為15 600 mm2；Q為落錘重量，D60取Q=6500 kN；m為安全系數(shù)，對于臨時結構，取m=1.5；P為樁設計承載能力，取1 817 kN；K為恢復系數(shù)，取K=0；q為樁和樁帽的重量，按樁長27 m計算，q=27×0.0156×78.5=33.064 kN。

通過上述計算可得貫入度為5.11 cm。鋼管柱施工時可以樁底標高控制為主，貫入度控制為輔。

4結論

本文利用有限元軟件Midas/Civil對某連續(xù)鋼便橋進行了設計計算，得到了鋼便橋各個構件的應力分布，并根據(jù)計算結果對部分構件進行了加固，使得設計滿足工程需求，并得到結論：

（1）對于鋼便橋的設計計算而言，可以利用有限元軟件Midas/Civil，分別計算上、下部結構，得到各個構件的應力，根據(jù)應力是否超限選擇合適的設計更改方案。

（2）橋梁支座處所受剪力較大，采用標準設計時，該處構件易成為薄弱點，需作局部加強處理。

（3）鋼管柱設計施工時，宜同時計算入土深度和貫入度，以便實際施工時以樁底標高控制為主，貫入度控制為輔，提高施工進度。

參考文獻

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［作者簡介］李郁林（1994—），男，碩士，工程師，研究方向為橋梁勘察設計。