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上承式多跨臨時橋設(shè)計(jì)研究

2021-09-08 08:56:32杜力松黃亞新張釜愷
科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2021年24期
關(guān)鍵詞:有限元公路橋梁

杜力松,黃亞新,張釜愷

(陸軍工程大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院,江蘇 南京 210007)

橋梁設(shè)施的建設(shè)在國家的政治、經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)中具有十分重要的作用,是關(guān)乎國家綜合發(fā)展的命脈工程。近年來,隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展,橋梁設(shè)施的建設(shè)呈現(xiàn)出越來越繁榮的局面,道路交通網(wǎng)絡(luò)對其的依賴性也越來越強(qiáng)。橋梁往往是道路交通網(wǎng)絡(luò)中的咽喉與樞紐,然而在歷次大災(zāi)大難面前,眾多民用橋梁損毀嚴(yán)重,震后的交通網(wǎng)絡(luò)趨于癱瘓。因此,震后快速啟動應(yīng)急搶險預(yù)案,進(jìn)而制定合理的施工組織方案,實(shí)現(xiàn)橋梁的快速架設(shè)與搶通任務(wù)艱巨、意義重大。

開展上承式多跨臨時橋設(shè)計(jì)研究,可以縮短制定搶通方案的時間,提高施工組織方案的針對性,最終提高搶通的效率,具有前瞻性和實(shí)用性。是震后橋梁設(shè)施搶通的基礎(chǔ)和保障,能大大提高搶通的效率,保證順利完成救援任務(wù)[1]。

經(jīng)過若干年的發(fā)展,我國在公路橋梁規(guī)范、準(zhǔn)則的制定已經(jīng)相當(dāng)完備,交通部、建設(shè)部等部門先后出臺了一系列有關(guān)橋梁設(shè)計(jì)、施工的規(guī)范、準(zhǔn)則,為國內(nèi)橋梁建設(shè)提供了有力的理論支撐。1993年,原建設(shè)部頒布了《城市橋梁設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》(CJJ 11-93),該設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對城市橋梁的設(shè)計(jì)和規(guī)劃橫斷面布置管線、車輛荷載、人群荷載、建筑藝術(shù)處理等作出了規(guī)定[2]。1998年,原建設(shè)部頒布了《城市橋梁荷載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ 77-98),對城市橋梁荷載標(biāo)準(zhǔn)作出了規(guī)定[3]。2000年,《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 041-2000)頒布,該規(guī)范對提高我國公路橋梁施工的技術(shù)水平、規(guī)范施工工藝、保證工程質(zhì)量起到了重要作用[4]。2004年,原交通部頒布了《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004),對公路橋涵的建筑界限作了修改,增加了汽車專用公路橋涵的有關(guān)規(guī)定,對橋涵設(shè)計(jì)洪水頻率作了局部改動,對橋涵設(shè)計(jì)的布載規(guī)則作了補(bǔ)充[5]。2007年,原交通部頒布了《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D63-2007),修改了地基土的分類及工程特性的有關(guān)規(guī)定、公路橋涵淺基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的有關(guān)規(guī)定、凍土地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的有關(guān)規(guī)定,完善了樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的有關(guān)規(guī)定,補(bǔ)充了后壓漿設(shè)計(jì)等成熟的先進(jìn)技術(shù),新增了地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)等內(nèi)容[6]。2011年,原交通部頒布了《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T F50-2011),新增了“擴(kuò)大基礎(chǔ)、承臺與墩臺”“海洋壞境橋梁”“安全施工與壞境保護(hù)”“工程交工”等4個章節(jié),對原規(guī)范的附錄和術(shù)語進(jìn)行了刪減和修訂[7]。2015年,交通運(yùn)輸部發(fā)布了《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015),增加了橋涵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限和耐久性要求,完善了極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)理論和方法,改進(jìn)了作用組合分類及計(jì)算方法,調(diào)整了公路橋梁設(shè)計(jì)汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)[8]。2020年,《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTGT 3650-2020)頒布,在總結(jié)橋涵工程施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)并借鑒國外先進(jìn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,吸納技術(shù)成熟、工藝先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全環(huán)保、節(jié)能減排的“四新”技術(shù),更好體現(xiàn)“安全、耐久、環(huán)保、節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展”的橋涵工程建設(shè)理念[9]。

本文結(jié)合現(xiàn)實(shí)生活中鋼便橋工程實(shí)例,研究利用321型裝配式公路鋼橋制式器材快速架設(shè)上承式臨時橋梁,保障交通線的暢通。主要研究了上承式臨時橋梁架設(shè)時需要解決的若干關(guān)鍵技術(shù),提出了橋梁結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)方案,繪制了橋梁總體設(shè)計(jì)圖紙;完成了設(shè)計(jì)計(jì)算說明書;建立了邁達(dá)斯有限元分析模型,并且與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比對分析,驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案可行性;制定了施工方案部署,為災(zāi)后搶險救災(zāi)和重建提供決策支持。

1 橋梁結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)任務(wù):障礙寬度40m,橋面寬度10m,沙質(zhì)粘性土,土壤的容許壓應(yīng)力取180kN/m2,設(shè)計(jì)荷載為公路一級荷載,雙車道并雙人行道,快速架設(shè)。

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

將該臨時性橋梁設(shè)計(jì)為上承式、三跨、雙車道(15+12+15)的形式,橋面寬度約為10m。

(1)從快速架設(shè)的角度出發(fā),主桁采用“制式”的12片321型裝配式公路鋼橋器材,主桁之間設(shè)置橫向連接系材,橫向連接系材為制式90支撐架。

(2)橋面系簡化設(shè)計(jì),省去橫梁、縱梁,采取直接密布15×15cm方木的形式,而后在上面加蓋8mm花紋鋼板,既減輕了橋面自重,又簡化了施工作業(yè),滿足了快速架設(shè)的需求。

(3)橋端部需要清理出一定的作業(yè)場地,端支座附近地面夯實(shí),以滿足地基承載力的需求;橋臺采用石砌擋墻的形式,寬1m,高1.8m,長12m。

(4)中間樁采用吊車懸掛震動鋼管樁的方案,每架設(shè)一跨再打另一排樁,每排4孔,共需兩排;鋼管樁采用Φ720×8mm焊接螺旋鋼管樁。

(5)在橋頭顯著位置設(shè)置適當(dāng)?shù)南匏偌霸试S通過荷載標(biāo)志,在橋頭及跨中設(shè)置照明裝置,并布設(shè)欄桿。

1.2 方案設(shè)計(jì)圖紙

1.2.1 立面圖(見圖1)

圖1 321型裝配式公路鋼橋上承式臨時橋梁立面圖

1.2.2 橫斷面圖(見圖2)

圖2 321型裝配式公路鋼橋上承式臨時橋梁橫斷面圖

1.2.3 端部構(gòu)造圖(見圖3)

圖3 321型裝配式公路鋼橋上承式臨時橋梁端部構(gòu)造圖

1.2.4 俯視圖(見圖4)

圖4 321型裝配式公路鋼橋上承式臨時橋梁俯視圖

1.2.5 橫向連接系布置圖(見圖5)

圖5 321型裝配式公路鋼橋上承式臨時橋梁橫向連接系布置圖

2 設(shè)計(jì)計(jì)算

設(shè)計(jì)荷載:公路一級荷載。

2.1 主桁架設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1.1 主桁架彎矩計(jì)算

公路一級車道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為qk=10.5kN/m,集中標(biāo)準(zhǔn)荷載按以下標(biāo)準(zhǔn)選取:橋梁計(jì)算跨徑小于或等于5m時,Pk=180kN;橋梁計(jì)算跨徑等于或大于50m時,Pk=360kN;橋梁計(jì)算跨徑在5~50m之間時,Pk值采用線性內(nèi)插求得。計(jì)算剪力效應(yīng)時,Pk的值應(yīng)乘以1.2[10-14],見圖6及表1。

表1 車輛荷載的主要技術(shù)指標(biāo)

圖6 集中荷載與均布荷載示意圖

該上承式總長42m,分三跨(15+12+15),橋梁共布置12片321型裝配式公路鋼橋主桁,主桁間距0.9m,橋面寬約10m。上部結(jié)構(gòu)密布150×150mm方木,加蓋8mm花紋鋼板。

在計(jì)算主桁內(nèi)力時,簡化為簡支梁體系。由于各跨之間會有相互約束作用,則按簡支梁計(jì)算時會更加保守。

則單片桁架由靜載產(chǎn)生的彎矩為:

保守認(rèn)為車道荷載由3排桁架承擔(dān),不均勻系數(shù)為1.2;

有:M=M0+M1=57.0+512.0=569.0kNm<[M]=788.2kNm。

所以主桁的彎矩在許可范圍內(nèi),滿足要求。

2.1.2 主桁架剪力計(jì)算

利用在計(jì)算彎矩過程中的部分結(jié)果,有剪力計(jì)算如下[10-14]:

所以主桁的剪力在許可范圍內(nèi),滿足要求。

2.1.3 主桁架撓度計(jì)算

主桁架由結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的彈性撓度[10-14]:

主桁架由靜活載產(chǎn)生的彈性撓度:

主桁架非彈性撓度:

用累加法計(jì)算非彈性撓度:

綜上:f=f1+f2+f3=1.1+7.4+12.0=20.5mm,

2.1.4 弦桿最大應(yīng)力計(jì)算

車輪集中載產(chǎn)生的應(yīng)力計(jì)算[10-14]:

上弦桿計(jì)算長度l=70.5cm,上弦桿W=79.4cm3,P=

上弦桿局部彎曲應(yīng)力為:

上弦桿軸向力產(chǎn)生的應(yīng)力計(jì)算:

σ=σ1+σ2=54.4+159.5=213.9MPa<[σ]=0.9σs=315MPa,滿足要求。

2.2 橋面系、橋腳、橋臺、附屬設(shè)施設(shè)計(jì)計(jì)算

橋面系、橋腳、橋臺、附屬設(shè)施的設(shè)計(jì)計(jì)算[10-15]結(jié)果詳見表2。

表2 橋面系、橋腳、橋臺、附屬設(shè)施設(shè)計(jì)計(jì)算

3 MIDAS有限元分析

3.1 建立模型

按照以下步驟建立模型[16-18]:(1)定義材料和截面;(2)建立模型;(3)添加邊界條件;(4)輸入自重荷載;(5)輸入移動荷載;(6)分析數(shù)據(jù);(7)運(yùn)行結(jié)構(gòu)分析;(8)查看結(jié)果。

3.2 MIDAS有限元分析結(jié)果

3.2.1 結(jié)構(gòu)自重彈性撓度

經(jīng)MIDAS有限元分析,結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的彈性撓度為:f1=1.06mm,見圖7。

圖7 MIDAS有限元分析-結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的彈性撓度

3.2.2 活載彈性撓度

活載產(chǎn)生的彈性撓度為:f2=8.46mm,見圖8。

圖8 MIDAS有限元分析-活載產(chǎn)生的彈性撓度

3.2.3 上弦桿組合應(yīng)力

上弦桿局部應(yīng)力最大值為:σmax=177MPa<[σ]=0.9σs=315MPa,滿足要求,見圖9。

圖9 MIDAS有限元分析-上弦桿組合應(yīng)力

3.2.4 橫向連接系受力

橫向連接系應(yīng)力最大值為:σ=94MP a<[σ]=188MPa,滿足要求,見圖10。

圖10 MIDAS有限元分析-橫向連接系受力

3.2.5 方木應(yīng)力

經(jīng)MIDAS有限元分析,方木彎曲應(yīng)力為:σ=8.4MP a<[σw]=14.5MPa,滿足要求,見圖11。

圖11 MIDAS有限元分析-方木應(yīng)力

3.3 有限元分析結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果對比分析

由表3得:(1)理論計(jì)算結(jié)果與MIDAS有限元分析結(jié)果,兩者都滿足設(shè)計(jì)要求;(2)計(jì)算過程中獲得的結(jié)果均是按最不利情況計(jì)算得出,結(jié)構(gòu)主要控制參數(shù)與容許值有一定差距,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏于安全、保守,如有需要,可進(jìn)一步簡化設(shè)計(jì),以降低成本;(3)自重產(chǎn)生的撓度、方木應(yīng)力這兩項(xiàng)內(nèi)容相對誤差均較小,一定程度上反映了有限元模型建立的準(zhǔn)確性、可靠性,而有限元模型分析結(jié)果又進(jìn)一步佐證了該設(shè)計(jì)方案的可行性,為施工的可行性提供重要的數(shù)據(jù)支持,為施工組織決策提供重要的理論支撐。

表3 有限元分析結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果對比分析

4 施工組織方案

4.1 人員部署

該鋼便橋施工隊(duì)分打樁組,電焊組,安裝組,起重組,構(gòu)筑組。項(xiàng)目部派技術(shù)員、質(zhì)量員、安全員、測量員跟蹤控制。具體人數(shù)詳見表4。

表4 管理人員與作業(yè)隊(duì)人員表

4.2 施工機(jī)械

總體施工機(jī)械設(shè)備需求見表5。

表5 施工機(jī)械設(shè)備表

4.3 材料部署

工程材料需求見表6。

表6 工程材料需求

4.4 施工流程

施工流程圖見圖12。

圖12 施工流程圖

4.5 施工工期

施工工期見表7。

表7 施工工期

5 結(jié)束語

本文結(jié)合現(xiàn)實(shí)生活中鋼便橋工程實(shí)例,研究利用321型裝配式公路鋼橋制式器材克服40m障礙寬度,快速架設(shè)公路一級荷載上承式臨時橋梁,保障交通線的暢通。

主要完成了理論設(shè)計(jì)計(jì)算與MIDAS有限元分析,并且將理論計(jì)算結(jié)果與有限元分析結(jié)果進(jìn)行了對比分析,驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性;繪制了橋梁總體設(shè)計(jì)圖紙;制定了施工總體方案部署;為災(zāi)后搶險救災(zāi)和重建提供決策支持。

321型裝配式公路鋼橋既是戰(zhàn)備器材又是商業(yè)租賃器材,保有量大;制式器材,不需重新設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)簡單,易快速架設(shè);適應(yīng)性強(qiáng),互換性好,拆裝方便;單片重量合理,便于施工;具有廣闊的應(yīng)用前景。

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