地鐵基坑臨時鋼便橋受力狀態研究及優化設計

高智鑫

（中電建鐵路建設投資集團有限公司，北京 100070）

0 引言

城市地鐵建設過程中，為緩解繁忙的地面交通壓力，貝雷梁式臨時鋼便橋因其方便快捷、成本低廉、安全可靠等優點，已越來越成為地鐵施工交通疏解的一種通用方法。國內外對貝雷梁本身結構的受力特點已做了成熟的研究，但是鮮有對于地鐵施工圍護樁兼做橋樁的鋼便橋上下部結構共同受力互相影響的研究。貝雷梁剛度及強度儲備量大，可作為臨時結構的優先選項［1］，目前多數設計依據容許應力法及施工偏保守，施工過程中對加強桿件、橋梁變形縫設置等技術要點把控不到位。因此文中以工程實例為依托，以監測數據為指導，以建立Midas有限元模型及數值計算方法為核心手段，從研究變形縫出發，逐步深入的研究梁片橫向間距、特殊桿件加強、支座沉降、結構形式對橋梁內力的影響，分析地鐵基坑鋼便橋受力狀態，對原設計方案提出優化措施，推廣到多跨鋼便橋結構中并得出相應結論。這是一種新的嘗試，也具有一定的科研和應用價值。

1 工程概況

1.1 原設計方案

文中依托的工程為鄭州地鐵銀屏路站交通疏解所用貝雷梁臨時鋼便橋，為橋樁兼做圍護樁體系，跨度20m，鋼便橋采用321式貝雷梁（橫向布置間距0.45m，每兩片梁片用花架連為一組），取城市-A級荷載考慮。所處地層主要為黏質粉土、粉砂，地下水位埋深在8～10m，車站主體圍護結構采用1000@1500mm鉆孔灌注樁+內支撐形式。鋼便橋于2020年11月架設啟用，于2021年7月底拆除，使用期間溫差較大。

1.2 對原設計定性分析

橋梁一般設變形縫，起緩沖外部沖擊力、適應橋梁溫度應變，減小溫度應力等作用，設計未設置變形縫，初步分析鋼便橋因升溫變形受到約束，線膨脹系數為k=1.2e-5/℃，20m跨徑溫度高30℃，產生的變形最大為 ΔL=kLΔt=7.2mm，產生的應力為 σ=EΔL/L=74MPa，會產生較大溫度應力，對橋梁受力產生不利影響；考慮到不設變形縫時，因橋梁計算結構體系變為超靜定結構，有利于減小內力提高橋梁剛度，對結構受力有利。臨時鋼便橋不考慮地震等偶然荷載，因此定性分析無法判斷，需要建模計算確定。

基坑圍護樁未嵌入持力層，作為橋樁受力時按摩擦樁分析，若在上部結構荷載作用下其沉降量過大，將會影響橋梁的使用安全，因此有必要進行沉降分析。

2 上部結構分析

2.1 貝雷梁特性及建模原則

貝雷片由單元桁架銷接而成，單元之間完全靠銷釘傳力，經查閱資料及現場試驗，確定銷釘連接在有限元模型中模擬為鉸接較為合理［2］，單元桁架主要由上下弦桿、中間豎桿及斜桿用螺栓或焊接為整體，為內部超靜定結構，多片單元桁架拼接成貝雷梁片再沿橫向分布，橫向通過聯系梁連接以形成整體共同受力［3］。其結構形式如圖1所示。

圖1 貝雷片結構（單位：mm）

根據實際情況，弦桿腹桿模擬為梁單元；貝雷片內部節點為焊接，模擬為剛節點；單元之間為銷釘連接模擬為鉸接，具體操作為釋放兩端約束。橡膠支座采用節點彈性支承；荷載暫只考慮溫度、車輛行人、結構自重，并進行荷載組合。設置變形縫時梁端按自由節點處理，不設變形縫時梁端節點處設為只受壓節點彈性支承。

2.2 貝雷梁建模分析

按上述原則及原設計方案分別建立設變形縫及不設變形縫鋼便橋模型如圖2所示。

圖2 鋼便橋模型

建立模型后進行鋼便橋整體及局部穩定性分析均滿足要求，桿件應力及變形數據如表1所示。

表1 考慮溫差作用時有無伸縮縫對鋼便橋剛度強度的影響（加強弦桿）

根據文中上述分析可以得出：

不設變形縫，受力后能使跨中弦桿的應力減小約30MPa，支座豎桿的應力變化不大；但溫差作用下產生額外次應力55MPa，但能使撓度由28mm降低到19.9mm。

由于模型未考慮抗震及車輛制動荷載，最后施工時在梁端部采用半剛性措施，介于兩者之間，即現場抄墊+15mm厚木模板。

2.3 橋梁監測

為驗證模型計算數據合理性同時確保橋梁使用安全，進行應力應變監測，監測點布置見圖3。

圖3 鋼便橋應力監測布置

鋼桁架梁應力可按下面公式進行。

式中，p為鋼桁架梁應力；k為傳感器的標定系數；f0為傳感器在支撐受力前的初始自振頻率；f為應力計在某一荷載時測量的自振頻率。采集監測數據并計算分析結果見表2。

表2 橋梁應力監測

得出在荷載及溫度作用下，實測監測數據與模型計算數據基本吻合。

3 下部結構分析

下部結構為圍護樁兼做橋樁結構，模擬為支撐式支擋體系與摩擦型橋樁的復合受力體系［4］，簡化結構形式見圖4。

圖4 結構受力

基坑內側土壓力ps=ksv+ps0；ps0為初始分布土壓力；v為土體壓縮的水平位移值；樁身土體摩擦剛度系數k=C0A0，C0=m0h，可查表帶入公式［5］，按上述公式計算土壓力、鋼支撐混凝土支撐彈性剛度、土體摩擦剛度等，建立Midas受力模型，將上部結構分析中的支座反力按節點力施加到下部結構模型中。進行荷載組合并運行分析后，得出樁頂沉降值為8.55mm，在設計允許范圍內，與監測數據吻合，后續分析可以直接使用此結果。

4 方案優化

鋼便橋桿件材料為Q345鋼，［σ］=210MPa［6］，根據前面計算結果，最大弦桿應力為118MPa，其他桿件應力也普遍偏低，設計偏保守，材料利用率不高，從更換加強型弦桿為普通弦桿；加強部分薄弱桿件；加大梁片橫向間距幾方面進行優化，如表3所示。

表3 優化梁片間距及部分桿件

方案優化為450+900普通弦桿加強豎桿，能滿足使用要求。

5 推廣應用

經建模分析及優化過程研究，在地鐵基坑圍護樁兼做橋樁體系中，單跨20m鋼便橋受力合理，結構安全可靠，但當跨徑超過20m時，應力及撓度值即將超限，為了推廣應用到更寬的基坑，現研究當跨徑40m

（1）L<20m，采用450+900普通弦桿加強豎桿；

（2） 20m

（3） 40m

6 結語

從研究臨時鋼便橋變形縫對其結構受力的影響出發，充分考慮溫差及圍護樁沉降等因素，依次對上部結構、下部結構進行分析，得出如下結論：

（1） 圍護樁兼做橋樁結構體系在臨時交通疏解的應用能滿足受力需要。

（2） 在使用環境溫差較大的地區設置變形縫對鋼便橋受力影響較大，通過研究，采用半剛性縫能有效減小溫度應力同時能保證撓度不超限。

（3） 通過調整梁片間距、加強部分桿件能在保證橋梁本身安全可靠的前提下大幅提高材料利用率、節約成本。