某跨線橋六四梁現澆支架垮塌原因分析

李朝紅 徐光興 劉嘉武

(1. 石家莊鐵道大學土木工程學院，石家莊 050043； 2. 石家莊鐵道大學道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室，石家莊 050043)

1 引 言

六四梁全稱六四式鐵路軍用梁，是20世紀60年代初由我國鐵道兵根據鐵路戰時應急保障的需要自行研制的專用制式器材，主要用于鐵路橋梁搶修和修建鐵路便橋。六四梁技術性能優良，質量較輕，操作簡單，拼組方便快捷，可以適應不同跨度、不同梁式等的需要，因此成為我國橋梁及基本建設施工中的主導器材之一[1,2]。六四梁結構屬于拼組結構，因此拼組方案直接影響到結構的承載能力和穩定性， 必須結合結構實際情況選擇合理方案，否則會導致構件受力過大，變形嚴重，甚至引發工程事故。本文就某跨線箱梁橋六四梁支架垮塌情況進行分析，為六四梁的正確合理使用提供建議。

2 工程概況

某跨度為36 m+40 m+36 m的跨線箱梁橋，采用現澆支架法施工，支架的支墩采用六五式軍用墩，梁部結構采用六四梁。施工過程中，首先澆筑兩邊跨混凝土，中間跨從小里程向大里程方向斜向分層澆筑，當混凝土澆筑至跨中位置時，支架發生了垮塌。該工程支架梁的組裝形式見圖1，破壞情況見圖2。

圖1 該工程六四梁支架拼裝形式Fig.1 The assembly form of “64-Type” beam support of this project

圖2 支架垮塌情況Fig.2 Collapse situation of the support

3 案例分析

3.1 六四梁拼組形式

六四梁是一種多片式桁架結構，根據跨度的大小，可組裝成單層梁或雙層梁。但不論單層或雙層梁都必須按設計使用手冊[3]的規定進行拼組，才能構成一個完整的結構體系。圖3所示為正確的組裝和使用方法，圖3(a)為單層梁，是由端構架、端弦桿、標準三角和標準弦桿等4種基本構件組成靜定結構；圖3(b)為雙層梁，是由端構架、斜弦桿、標準三角和撐桿等4種基本構件組成一次超靜定結構。這些基本構件是缺一不可的，否則結構不能使用。另外，作為梁部結構，其支承點(支座)必須設在梁端豎桿上，以便承受強大的支承反力。在工程應用中，有時不便組裝成圖3(b)所示的魚腹式結構，此時，也可通過增設特制撐桿的辦法組裝成齊頭式雙層梁，如圖3(c)所示，但特制撐桿必須經專門設計制造。用這種方法組裝成的梁仍然是一次超靜定結構，作為工程應用的施工結構是可以采用的。

圖3 六四梁的正確使用方法Fig.3 Proper use of “64-Type” beam

從圖1可以看出，該案例中的支架梁屬雙層結構，但是既沒有按圖3(b)組裝成魚腹式結構，也沒有按圖3(c)組裝成齊頭式結構，而是僅用標準三角組成了一個幾何可變體系，這樣的機構在荷載作用下會產生自由的幾何變形。由于六四梁上下兩個三角之間的連接采用2個連接銷，可在一定程度上阻止上下兩個三角的相對轉動，但是采用2個鋼銷連接的目的只是為了拼組方便，而不能靠它形成一個穩定的承載結構，這種結構受載時會在斜桿中產生很大的彎曲應力，使原本為中心拉、壓桿的斜桿變成了壓彎或拉彎桿件，促使桿件提前發生破壞。因此，這種使用方法是不允許的。

另外，本案例中支架的支承點設在了六四梁的副豎桿上(圖1)，而副豎桿的設計承載力只有100 kN，是不能作為支點用的。而且在荷載作用下，支架梁要下撓，使得外側的支點脫空。這樣一來，按支點的承載能力計，一片六四梁所能承受的全部荷載只有200 kN，這是遠遠不夠的。

3.2 線彈性內力分析

為了進一步分析支架垮塌的原因，利用ANSYS有限元分析軟件[4，5]，計算本支架在垮塌荷載作用下六四梁桿件的內力及應力。有限元模型采用beam3單元，該單元為二維彈性單元，可承受拉、壓、彎作用。模型共2 980個單元，2 870個節點。通過定義實常數確定單元截面形式，其中弦桿采用2[16b，斜桿采用2[8，副豎桿采用2∟50×5。材料彈性模量取為2.1×105MPa，泊松比為0.3。

由于垮塌孔橋梁混凝土采用斜面分層法澆筑，當混凝土澆至跨中時發生垮塌。因此加載時半跨按混凝土澆筑完成工況計算線荷載，另半跨按鋼筋綁扎完成工況計算線荷載，一片六四梁承受的計算荷載取值為：重載的半跨為31.42 kN/m，輕載的半跨為7.05 kN/m。有限元分析得到的支架桿件內力如圖4所示。

通過分析，支架最不利桿件為斜桿和副豎桿。斜桿彎矩最大者為1號斜桿，其彎矩Mmax=18 kN·m，軸力N=-296 kN，最大應力σmax=499 MPa；重載端內側支點處副豎桿軸力最大，Nmax=-432.1kN，最大應力σmax=582 MPa。為了反映錯誤使用所造成桿件內力的增大程度，以相同跨度、相同荷載，但采用如圖3(c)所示的正確使用方法計算結構的內力進行對比，計算結果見圖5。此時，1號斜桿彎矩Mmax=0.3 kN·m，軸力N=-338.3 kN。可見，由于錯誤的使用，使斜桿的彎矩為正常使用的60倍，其應力經計算為正常使用的4.6倍。因此，錯誤的使用所造成的后果是極其嚴重的。

圖4 該工程支架桿件內力Fig.4 Forces of support members of this project

3.3 垮塌過程分析

為了進一步分析本案例支架的垮塌過程，在線彈性分析的基礎上，利用彈塑性理論，通過幾何非線性和材料非線性有限元分析[6-8]，模擬了支架的垮塌過程。非線性有限元模型采用beam189單元，該單元可以考慮塑性沿截面的發展，支持彈塑性大變形分析，能夠獲得結構的極限承載力，材料采用理想彈塑性本構關系，不考慮其強化，桿件截面形式同線彈性模型。通過有限元分析得到了鋼材在不同屈服強度下支架垮塌時的混凝土澆筑長度，見表1。

表1支架垮塌時混凝土澆筑長度與鋼材強度的關系

Table1Correlationsbetweentheconcretecastinglengthandsteelstrengthwhensupportcollapsed

鋼材屈服強度/MPa垮塌時混凝土澆筑長度/m34511.940015.245017.748320.0

本案例支架是在混凝土澆筑了20 m(至跨中)時垮塌的，根據表1，可知材料的屈服強度應在483 MPa左右。按照國家標準要求的最低限值，六四梁所使用的16Mnq或Q345qc鋼材的屈服強度應取345 MPa，而實際屈服強度一般均高于此值，相應的結構實際承載能力也高于按345 MPa得到的計算值。從現場抽取的該工程3個試件檢測結果來看，材料的屈服強度分別為507 MPa、479 MPa、488 MPa，其平均值為491 MPa，這與非線性有限元模擬的結果是非常吻合的。

在前面線彈性模型分析中，支架副豎桿和1號斜桿內力都嚴重超出了桿件本身的承載能力，應力高達500 MPa以上。通過非線性分析進一步得到的支架垮塌時端部結構的破壞情況，與支架垮塌時實際結構變形相符，見圖6，其中副豎桿、中豎桿嚴重失穩，下弦桿彎曲，1號斜桿大面積屈服，這也與線彈性模型分析結果相一致。

圖6 支架垮塌時端部結構的破壞情況Fig.6 Failure case of the end portion of support when collapsing

由此，可對該支架垮塌過程推斷如下：結構因拼裝不正確，使副豎桿嚴重超載，部分截面屈服后向下弦桿卸荷，下弦桿又將力傳向中豎桿。由于中豎桿長細比較大首先失穩，整個六四梁三角以及臨近三角的交點由于內力劇增而進入塑性區，最終導致垮塌。

4 結 論

(1) 六四梁作為制式戰備器材，在其擴展使用中，拼組方式和使用方法靈活多樣，但必須根據其荷載情況、凈空要求等因素進行合理設計，形成幾何不變的機構，才能做到有效承載。

(2) 在線彈性分析的基礎上，利用彈塑性理論，通過有限元幾何非線性和材料非線性分析，模擬了結構的垮塌過程，分析了支架的垮塌原因在于拼組不當，結構發生失穩內力驟增，致使材料屈服，這為避免類似工程問題的發生提供了借鑒。

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[ 2 ] 李運濤.多種支架組合在山區公路現澆箱梁施工中的應用[J].鐵道建筑技術,2011(1),72-75,132.

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[ 3 ] 中國鐵道建筑總公司.六四式(加強型六四式)鐵路軍用梁手冊[M].北京:中國鐵道建筑總公司,1998.

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