貝雷梁鋼棧橋設計優化及計算要點研究

文/張磊

1 前言

最初的貝雷梁橋設計概念要以最少種類的單元構件，用它拼裝成各種不同荷載、不同跨徑的橋梁，只用非熟練工人(Unskilled Labor)以人力來搭建。貝雷梁橋通常由施工單位自行設計實施，受制于施工單位管理模式和技術水平差異，貝雷梁橋往往設計粗糙，甚者不進行受力計算，僅依賴經驗。不規范的做法易產生安全隱患或造成材料浪費。本文結合Midas Civil 有限元軟件以幾座鋼便橋設計計算為例，探討基于Midas Civil 有限元分析軟件如何優化模擬貝雷梁橋實際受力情況，并優化構造設計。

2 貝雷梁橋的計算方法分析

手工簡易方法在進行貝雷梁橋計算時，將上部荷載分配至每片貝雷梁，再通過查詢手冊，驗算其承載力。此種方法的優點在于可操作性強、便于估算，但也存在諸多弊端：第一，手算時由于缺乏橫向分布概念，往往是將上部荷載強制簡化為平均分配至每片貝雷梁，貝雷梁橫向分布系數取決于橫向聯系和橫向分配梁的剛度、貝雷片橫向間距、汽車荷載的類型等，是一個空間受力概念。第二，貝雷梁與其他部件連接部位邊界條件難以界定，手算時進行簡化為簡支梁，與實際情況相差甚遠。第三，手算難以找出受力較大或超限桿件進行重點加強，無法做到全局受力概念。

有限元軟件可建立全局模型，可較精確地模擬各桿件連接的邊界條件，分析不同工況下荷載分配情況，并通過規范進行荷載組合對各桿件的承載力和變形進行驗算。

3 基于Midas Civil 的貝雷梁橋計算分析

某貝雷梁跨徑組合為18m+15m+15m，橫橋向按照90+135+90+135+90cm 對中布設6 片貝雷片。貝雷片上設25a 工字鋼橫向分配梁，間距100cm，橫向分配梁上設12 工字鋼縱向分配梁，間距25cm。橋墩選用630×10mm 鋼管柱，基礎采用鋼管樁基礎。計算采用Midas Civil 建 立3 跨18+15+15m棧橋模型，全橋共374 個桁架單元，5582個梁單元，1029 個板單元。

模型邊界條件為底部固定約束，貝雷片之間釋放梁端約束（彎矩），橫向分配梁與縱向分配梁之間采用彈性連接（剛性），貝雷上弦桿和橫向分配梁之間采用一般彈性約束（釋放彎矩），貝雷下弦桿和橫向承重梁之間采用一般彈性約束（釋放彎矩）。

模型荷載根據實際情況進行模擬，Midas Civil 計算軟件自行計算自重，風荷載采用梁單元荷載，汽車制動力采用節點荷載，溫度荷載設置參數后系統自動計算，移動荷載采Midas Civil 計算軟件中的移動荷載模塊進行模擬，本橋按照極限狀態法計算[1]。

荷載組合考慮常用的四種組合形式見表1。

表1 各工況荷載組合系數

在設計過程中，棧橋設計荷載采用規范要求的公路-Ⅱ級車道荷載，校核棧橋結構安全采用80t 掛車（在棧橋結構驗算過程中采用工況三對結構進行設計，利用工況四的荷載組合對棧橋進行校核）。

Q235 鋼材的抗拉、抗壓、抗彎強度值f＝190MPa；Q235 鋼材的抗剪強度設計值為fv＝110MPa；16Mn 鋼的抗拉、抗壓、抗彎強度設計值為f＝275MPa；16Mn鋼的抗剪強度設計值為fv＝160MPa；允許撓度值為：L/500[2]。

通過計算得出，16Mn 鋼最大組合應力正值為

最大組合應力負值應為

16Mn 鋼最大剪應力為

棧橋最大豎向位移力為

均滿足要求[3]。

從計算結果不難看出，支點位置貝雷梁豎桿應力較大，儲備較小，貝雷梁水平弦桿最大正負彎矩處應力較大、儲備較小。建議對支點位置貝雷梁豎桿采取加強措施，如有條件，建議采用上下加強型貝雷梁。

另有一棧橋，跨徑組合為9+18+9m，采用45cm 等間距布設上下加強型10 排單層貝雷梁，貝雷梁上鋪設I12a 工字鋼橫向分配梁，間距25cm，橋墩采用φ63 鋼管柱，壁厚10mm。荷載組合情況、引用規范情況、模型建立規則均與上橋一致。

圖1 16Mn 鋼材料組合應力云圖

由計算得出，16Mn 鋼最大組合應力正值為

最大組合壓應力負值

16Mn 鋼最大剪應力為

棧橋最大豎向位移力為

均滿足要求[4]。

對于最大跨徑18m 貝雷梁鋼棧橋而言，第一種方案個別構件應力逼近規范限值，有屈服和失穩風險，此方案不可取；而第二種方案應力遠低于規范限值，富裕度過高，嚴重浪費材料，方案亦不可取。

第一種布置方案有目的地將貝雷梁布置于重車車輪軌跡線的下方，能充分發揮出每片貝雷梁的承載能力，而第二種布置方案則采取均分方案，遠離重車行車軌跡線的貝雷梁未能得到有效橫向分配，承載力未能充分發揮。

本文兩座橋均采用極限狀態法進行計算，不少學者認為鋼棧橋應采用鐵路標準推薦的容許應力發進行計算更為合適，在確定荷載的情況下，采用容許應力法亦可作為鋼棧橋的計算方法，在采取兩種方法時應注意各類型材料的容許應力值或設計強度值，不可混用。

建立有限元模型時應根據各部件實際連接形式建立邊界條件，貝雷片鉸接點應注意釋放梁端約束（彎矩），橫向分配梁置于貝雷片上采用U 型螺栓栓接時應采用一般彈性連接并釋放彎矩。驗算車道荷載或車輛荷載時可利用Midas Civil 中的車輛橫向布置，選取橫向布置最不利位置對各構件效應的最大值與規范限值進行比較[5]。

4 貝雷梁鋼橋構造設計要點分析

貝雷梁設計時除了應結合計算采用合理的貝雷梁片類型、組合形式及數量以外，還應采取一些構造措施來維持施工及運營期內的安全、穩定、美觀、適用性。

4.1 貝雷梁下限位器

貝雷梁由16Mn 鋼組成，由于錳鋼的焊接力學行為較差，因此在貝雷梁使用過程中禁止焊接。限位器可有效限制貝雷梁橫向位移，增加貝雷梁整體穩定性，提高橫向抗風荷載等水平力的能力。限位器可用槽鋼焊接成門式結構，套箍住貝雷梁下弦桿后再焊接于橋墩或橋臺的橫向分配梁之上。

4.2 貝雷梁上限位器

為限制橋面鋪裝工字鋼位移，需要設置上限位器。上限位器原理與下限位器類似，在上部橫向分配梁兩頭焊接槽鋼，套箍住主梁上弦桿后再利用短槽鋼焊接于橫向分配梁之上。在實際使用過程中，橋面不寬時，可用U 型螺栓代替上限位器。

4.3 鋼管柱牛腿及限位裝置

在橫向分配梁與鋼管柱連接部位，為保證兩者連接穩定、有效抗剪并防止應力集中，往往需要在連接部位開槽設置牛腿，并設置弧形限位裝置。牛腿鋼板由豎板和橫板組成。

5 結語

有限元軟件計算時可建立全局模型，模擬各個節點的實際工作狀態，其準確性、全局性有著傳統手工計算不可企及的優勢。貝雷梁橋的承載能力取決于跨徑組合、貝雷片數和貝雷片的組合方式，設計中應有的放矢，結合橫向連接剛度和活載情況，合理組合貝雷梁，以期每片貝雷梁都能達到最佳受力狀態。在確定荷載的情況下，極限狀態法和采用容許應力法均可作為鋼棧橋的計算方法，在采取兩種方法時應注意各類型材料的容許應力值或設計強度值，不可混用。貝雷梁橋作為一種承載力、便易性和造價指標都較好的橋梁結構形式，在今后的工程實踐應從構造形式多樣組合、通用圖編制、材料優化等方向進行重點研究。