重慶市麻池村人行貝雷橋理論與實測撓度差異分析

張振宇 陳德偉

摘 要：麻池村無止橋是香港無止橋慈善基金發起，香港離島扶輪社贊助，由內地學生自主設計和施工的輕型貝雷橋。施工結束后經測量，貝雷橋實際撓度與設計值差距較大。本文通過有限元軟件Midas/Civil建模計算該貝雷橋的恒載撓度并與實際測量值進行對比分析，給出造成貝雷橋實際下撓比理論計算大的原因，并提出改善建議。

關鍵詞：無止橋；輕型貝雷片；撓度；連接；轉動

1 項目概況

麻池村無止橋是第一座由學生自主設計和施工的人行貝雷橋。該橋位于重慶市彭水縣麻池村，橋梁單跨布置，總長15.2m，人行寬度1.25m，貝雷片及相關構件采用Q235型鋼，單節貝雷片長1.9m，全橋共8段貝雷片。貝雷片上下弦桿為C6.3槽鋼，直腹桿及斜腹桿采用C5槽鋼，橫梁采用I10工字鋼，抗風拉桿采用L5角鋼。橋面板橫向分為兩塊，每塊長1.89m，為4mm波紋鋼板焊接5cm高加勁肋。橋梁設計壽命10年，設計人群荷載取3.0kN/m2。

該貝雷橋由志愿者自行拼裝完成，施工結束后測量全橋恒載撓度。3月29日中午測量橋梁活載撓度，由于測量條件所限，不能全跨布置人群荷載，測量時選取18個體型偏大的男生站在中跨兩個節間內，假設每個男生體重80kg，則相當于在跨中兩個節段內施加3.0kN/m2的人群荷載。測量當日均為陰天，氣溫變化較小，故可忽略溫度變化對測量結果的影響。貝雷橋上測點位于貝雷片上弦節間處，貝雷片分為河流上游和河流下游兩側，每側貝雷片布置端頭兩個測點加上中間七個節間共九個測點，雙側共18個測點，用水準儀測量測點處的高程值。

圖中綠色曲線表示下游側貝雷片上弦撓度，黃色表示上游側貝雷片上弦撓度。由測量結果，29日中午的撓度測量值小于后兩次的測量值，29日下午和1日中午的撓度測量值基本一致，可認為橋梁下撓進入穩定狀態。上游側貝雷片最終撓度為8.9cm，下游側為6.2cm，平均撓度7.5cm；上游側貝雷片撓度大于下游側，跨中最大撓度之差為2.8cm，表明橋梁略微向上游側傾斜。

在跨中布置人群荷載的情況下，橋梁跨中撓度平均增加6mm，增加幅度為9%。

2 有限元建模計算

采用有限元軟件Midas/Civil計算貝雷橋恒載和活載撓度。建立貝雷橋的有限元模型時可以忽略各種次要構件和螺栓等，只對桁架、橫梁、斜撐、抗風拉桿建模[1]。若各構件仍用實際尺寸模擬，所得橋梁自重荷載將比實際值小。為了解決這一問題，可以將被忽略的構件重量折算到所建立的有限元模型上，通過調整這些構件的密度使自重荷載與實際相符。由于模型中不包括橋面板，將橋面板的自重荷載折算為均布荷載加在橫梁上。

對單片貝雷片不能采桁架單元對其進行建模，因為如果把陰陽頭連接看作是鉸接，該結構將是幾何可變體系，而這與實際情況是不符合的。文獻[2]對于此問題提出了兩種可行的有限元模型。第一種是桿梁混合模型，根據實際結構情況，將弦桿和豎桿作為連續構件，用梁單元模擬；斜腹桿用桁架桿單元模擬，這種模型低估了斜腹桿兩端焊縫的嵌固作用。第二種是梁單元模型，所有構件均用梁單元模擬，這種模型高估了腹桿兩端焊縫的嵌固作用。對比兩種模型的計算結果可以發現，它們對結構整體的模擬效果幾乎相同，兩種模型的撓度計算結果幾乎一致[3]。本文采用的是梁單元模型，全橋均用梁單元模擬，共313個單元，198個節點。活載加載方式為在中間兩跨的橫梁上加與實際活載大小相同的等效線荷載。在恒載作用下，結構跨中最大撓度為3.3mm；在恒載與活載的組合作用下結構跨中最大撓度為9.3mm，活載作用下結構撓度增加6mm。

3 計算值與實測值差異分析

該貝雷橋成橋后，在人群荷載的作用下實際結構下撓與Midas計算結果相等，說明用梁單元模擬該貝雷橋可得到較為精確的結果。在恒載作用下，結構撓度實測值約為7.5mm，而電算結果為3.3mm，差距較大。分析其原因有以下幾個。

（1）貝雷片在陰陽頭連接處會有一定轉動，導致結構下撓。貝雷片之間采用陰陽頭連接，陰頭在構造上會有一個凸出的部分，剛好卡在陽頭的槽鋼中，從而限制接頭處的轉動。而實際上由于加工誤差，凸出部分不能卡到槽鋼中，僅靠螺栓連接會導致結構在連接處出現一定的轉動，轉動到一定角度后接頭處卡死不再轉動，轉動誤差積累將導致橋梁越靠近跨中撓度越大。在橋梁架設到位后連接處轉動達到最大，橋梁跨中撓度也達到最大。

（2）陰陽頭連接采用高強螺栓，螺栓孔徑大于螺桿直徑，導致結構下撓。由于該貝雷片為非標準構件，沒有專用的銷釘，在設計時將陰陽頭原來的銷釘連接改用M30高強螺栓連接。根據規范要求，M30螺栓孔孔徑為32mm，比螺桿直徑大2mm。誤差積累下去導致跨中撓度增大。

（3）結構電算時全橋采用梁單元，所有節點均為剛結點，計算結果偏小。實際結構除了貝雷片內部為焊接，可看作剛接外，其余連接均為半剛接或鉸接。在全橋穩定之前這些節點均可轉動一定角度。在全橋穩定后，節點轉動達到最大且不能再繼續轉動，此時節點可看作剛接。故結構電算將所有節點視為剛結點將導致自重荷載作用產生的撓度偏小。當結構穩定下來之后，所有節點不再發生轉動，計算的活載撓度與實際測量值相同表明此時用剛結點模擬可得到與實際情況較為吻合的結果，。

4.結論及建議

4.1 結論

造成該人行貝雷橋的恒載撓度實測值遠大于計算值的主要原因是貝雷片節點連接處發生少量轉動，每節貝雷片轉動積累導致跨中出現較大撓度。螺栓孔徑大于螺桿直徑以及加工誤差等都會增大跨中撓度。另外，在建模計算時應考慮節點轉動的情況，否則所得撓度值偏小。

4.2 建議

為確保貝雷橋成橋時接近理想成橋狀態，保證橋梁使用安全性，提出以下改良建議。

（1）提高工廠加工精度，保證陰頭凸起部分能剛好插入陽頭槽鋼中，限制陰陽頭處相對轉動。

（2）陰陽頭連接采用銷釘。銷釘孔徑與銷釘直徑大小相等，消除螺栓孔徑大于螺桿直徑對結構撓度的影響。

（3）結構拼裝過程中盡量保持水平，在橋架落位之前保證貝雷橋的成橋線型。

參考文獻

[1] 肖斌，時黨勇.裝配式公路鋼橋承載力的有限元分析[J].鐵道建筑，2006（2），

[2] 茍明康，陶俐.裝配式公路鋼橋設計和使用中的幾個問題[J].工兵裝備研究，2001（1）

[3] 徐關堯，朱杰.裝配式公路鋼橋使用中應注意的若干問題[C].中國鋼結構協會全國會員代表大會暨學術年會，2007.