上承式多跨臨時橋設(shè)計(jì)研究

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。