基于大件運輸貝雷梁鋼棧橋選型分析

劉而繼、康春光

（武漢二航路橋特種工程有限責任公司，湖北武漢430061）

0 引言

近年來，隨著經濟發展的需要,大件運輸的噸位呈不斷增加的趨勢[1]。由于車輛超載等原因,造成橋梁損傷甚至橋梁坍塌等事故頻發,大件運輸車輛過橋安全性校核具有重要意義[2]。公路大件運輸過程具有一定的危險性,為保障運輸的安全性[3]，應嚴格按照運輸規范進行運輸。大件運輸過程中,保證橋梁結構的安全至關重要,因此,橋梁檢測和加固也是不可或缺的[4]。

大件運輸過程中經常遇到某些途經路線上的橋梁限載情況，通常普遍的做法是對橋梁進行加固后提升橋梁的承載能力使大件運輸重車安全通過橋梁，該方法對橋梁承載能力的提升水平有限且時間較長。因此，可在原橋梁周邊位置快速建立滿足荷載通行條件的臨時橋梁結構以供大件運輸車輛的通行。基于此背景，分析兩種不同結構形式的臨時鋼棧橋（上承式貝雷梁鋼棧橋、下承式貝雷梁鋼棧橋）在大件運輸情況下的受力性能，合理選擇貝雷梁鋼棧橋的結構形式。

1 工程概況

某一石油化工行業的物流單位需運輸一件超過160t 重型石油冶煉設備，通過20世紀90年代修建于國道上的跨江1×36m 雙曲拱橋。該橋梁設計車輛荷載為“汽車-超20、掛-120”，根據《公路橋梁技術狀況評定標準》（JTG/T H21—2011）[5]被評定為4 類橋。根據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21—2011）[6]與《公路橋梁荷載試驗規程》（JTG/T J21-01—2015）對該橋分別進行靜載試驗與動載試驗，橋梁強度和整體剛度不滿足設計荷載等級“汽車-超20、掛-120”的要求，主梁腹板斜向裂縫為結構性受力裂縫，對局部截面削弱明顯，影響結構安全。因此該橋梁不具備大件運輸車輛安全通行的條件。

貝雷梁具有結構簡單、運輸方便、架設快捷、載重量大、跨距與立柱高度可調、互換性好、適應性強的特點，廣泛應用于橋梁工程施工領域[7]。綜合以上特點分析得出，在原舊橋的西側建設一座滿足該車輛荷載通行條件的臨時性貝雷梁鋼棧橋。

2 不同形式貝雷梁鋼棧橋計算

2.1 鋼棧橋構造

橋梁采用“321”型貝雷梁作為主要材料。橋梁橫向布置為5m×0.9m，總寬為4.5m，貝雷梁棧橋跨度選擇4m×9m。分別設計上承式、下承式標準形式貝雷梁鋼棧橋，并通過Midas Civil 有限元分析軟件建立計算模型對這兩種不同類型的臨時橋梁結構進行力學性能上的分析對比。上承式貝雷梁鋼棧橋設計三維模型如圖1所示，下承式貝雷梁鋼棧橋設計三維模型如圖2所示。

圖1 上承式貝雷梁鋼棧橋示意圖

圖2 下承式貝雷梁鋼棧橋示意圖

上部結構貝雷片、上弦桿、下弦桿、豎向支撐架、水平支撐架、橫向分配梁、橋面板均采用16Mn 鋼板，下部結構承重梁、鋼管樁、樁間橫向、縱向、斜向支撐均采用Q235 普通碳素結構鋼。

2.2 貝雷梁鋼棧橋有限元模型計算

大件運輸車經過動態稱重系統(WIM)確定荷載軸距、軸重比例，簡化后作為荷載依據分析貝雷梁鋼棧橋的受力性能，特種車主車軸線荷載為16t（2×3.4m），副車軸線荷載為16×18t（16×1.3m）。

以單跨9m（4×9m）鋼棧橋作為計算模型，有限元計算模型的參數如表1所示，上、下承式鋼棧橋的計算模型分別如圖3、圖4所示，采用有限元計算軟件Midas Civil 分別計算貝雷梁鋼棧橋主梁受力、變形及支反力。

表1 鋼棧橋計算模型信息

圖3 上承式貝雷梁鋼棧橋計算模型

圖4 下承式貝雷梁鋼棧橋計算模型

3 上、下承式受力對比分析

3.1 橋面板受力性能分析對比

如圖5、圖6所示，上承式鋼棧橋橋面板順橋向側邊產生的應力最大，下承式鋼棧橋橋面板橫橋向側邊產生的應力最大，且應力普遍大于上承式。如圖7、圖8所示，上、下承式橋面系板均在中心位置產生的撓度值最大，下承式最大撓度值約為上承式最大撓度值的2 倍。綜上可知，下承式橋面板的受力性能弱于上承式。

圖5 上承式橋應力

圖6 下承式橋應力

圖7 上承式橋位移

圖8 下承式橋位移

3.2 承重梁受力性能分析對比

如圖9、圖10 的應力及圖11、圖12 的變形所示，兩種結構類型鋼棧橋的承重梁應力及撓度最大值大致相同，上承式承重梁最大應力及撓度發生于中間鋼管支撐上方，下承式承重梁最大應力及撓度發生于兩側鋼管支撐上方，下承式承重梁較上承式承重梁受力性能更為均勻。

圖9 上承式橋承重梁應力

圖10 下承式橋承重梁應力

圖11 上承式橋承重梁變形

圖12 下承式橋承重梁變形

3.3 貝雷梁性能分析對比

如圖13、圖14 及圖15、圖16所示，貝雷梁最大應力發生位置均位于支點處，該處應力容易發生應力集中，且下承式應力最大值相對于上承式約高10%，下承式應力分布均勻性較弱。上承式相對于下承式變形更為均勻，下承式變形往橋面內側偏移。

圖13 上承式橋貝雷梁應力

圖14 下承式橋貝雷梁應力

圖15 上承式橋貝雷梁變形

圖16 下承式橋貝雷梁變形

3.4 下部結構分析對比

如圖17、圖18 及圖19、圖20所示，上承式鋼管支撐主要由中間鋼管受力，下承式鋼管支撐主要由邊側鋼管受力，上承式應力最大值約為下承式的2 倍，上承式下部結構整體變形強于下承式，上承式鋼棧橋變形協調能力較強。

圖17 上承式橋下部結構應力

圖18 下承式橋下部結構應力

圖19 上承式橋下部結構變形

圖20 下承式橋下部結構變形

4 結論

基于大件運輸的荷載作用，分別對兩種不同結構形式的貝雷梁鋼棧橋進行空間有限元分析計算分析，得出以下結論：

一是上承式貝雷梁鋼棧橋上部結構的整體受力性能要優于下承式，上部結構受力更為均勻，構件之間承擔外力聯系密切，可將結構的材料性能充分發揮。

二是上承式貝雷梁鋼棧橋下部結構的整體受力性能要弱于下承式，下部鋼管支撐受力主要集中于中間鋼管，造成該鋼管支撐的應力相對較大，上承式整體變形能力強于下承式。鑒于大件運輸作用下結構發生失穩的概率較大，使用上承式作為大件運輸車通行的臨時結構，需對下部結構的強度及穩定性進行關注并優化。

三是大件運輸下貝雷梁鋼棧橋某一構件的連接失效將導致應力的快速提升，臨時貝雷梁鋼棧橋通行大件運輸車輛之前需建立檢查制度，以保證通行安全。