临时钢便桥设计

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摘 要：滂江中桥临时便桥跨径为5×12m，是贝雷片拼装的上承式受力体系桥梁。本文通过有限元分析软件MIDAS CIVIL对桥梁主要结构进行受力分析，阐述了有限元软件在装配式公路钢便桥设计中的应用。

关键词：钢便桥；贝雷梁；连续梁；MIDAS CIVIL软件

中图分类号： S611 文献标识码： A

1.引言

贝雷钢桥（也称装配式公路钢桥，组合钢桥）是一种可分解、能迅速架设的装配式桥梁。实践证明，贝雷梁钢便桥具有结构简单、适应性强、互换性好、拆装操作方便、架设速度快、节省工期、节约投资、可重复使用等优点，在公路桥梁抢修工程中深受欢迎，起到施工期间维持道路交通的作用。

2.工程概况

滂江中桥位于广西忻城至上林二级公路上，旧桥为3-16m的浆砌片石拱桥，由于日常交通量非常大、超载车辆多，旧桥在使用过程中出现开裂，成为危桥，需进行拆除重建。由于桥梁所处路段是该区域路网的纵向交通要道，加上施工期间处于农作物收割季节，为不影响到沿线群众的生产生活及区域经济的发展，拟修建一座临时钢便桥用于维持主桥拆除重建施工期间的交通。

结合现场地形、地质及水文情况，便桥上构跨径设计为5×12m，采用6排单层“321”贝雷片拼装，贝雷片横向间距按115+45+115+45+115cm布置，采用上承式受力体系；下部墩柱用φ80×1cm钢管柱，扩大基础；桥面系采用1cm厚钢板、I14分配纵梁、I18分配横梁；全桥长60米，桥宽5米，汽车荷载等级采用单车道公路-II级，桥面设置交通诱导标志，使车辆尽量靠中行驶。临时钢便桥总体布置图见图1所示。

3.上部结构计算

3.1模型的建立

钢桥上构贝雷主梁按照连续梁结构采用MIDAS CIVIL软件建立贝雷梁和桥面纵、横向分配梁的整体模型进行分析。建模时贝雷主梁和桥面板底纵、横向分配梁均用梁单元，贝雷片销接采用释放绕梁单元截面y-y轴的旋转自由度；桥面纵、横梁间采用节点仅受压弹性连接；纵向布置一个车道荷载。根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004）考虑因均匀温度作用引起的效应，按系统温度升高25℃、降低20℃两种情况进行考虑；由于装配式构件厚度较小，同时桥面单元与贝雷片单元水平向连接较弱，故不考虑竖向梯度温度效应；桥墩不均匀沉降均按=5mm考虑，由软件自动按最不利工况进行组合；汽车荷载冲击系数取μ=0.45。上部结构计算模型见图2。

图1 钢桥总体布置图

图2 上部结构计算模型图

3.2 贝雷主梁计算

主梁采用“321”贝雷片拼装，计算得到贝雷梁在标准组合工况下的组合应力见图3。计算结果显示，贝雷梁的最大组合应力发生在桥墩中支点第2排贝雷片位置，最大拉应力σmax=139.1Mpa（斜杆位置），最大压应力σmin=-253.1Mpa（竖杆位置），均小于《装配式公路钢桥多用途使用手册》中16Mn构件的容许应力[σ]=273Mpa，强度计算满足要求。

图3 贝雷梁组合应力图

同时，计算得到贝雷梁各杆件的轴力见表1所示，经比较，贝雷梁各杆件受力均满足理论容许承载力要求。

表1 贝雷梁各杆件轴力表

杆件 轴力值（KN） 理论容许值

(KN)

最大

(受拉) 最小

(受压)

弦杆 242.0 -230.3 560

竖杆 66.0 -157.5 210

斜杆 117.9 -119.3 170

计算得到贝雷梁的竖向最大弹性变形为-12.7mm

图4 贝雷梁挠度图

3.3 桥面分配横梁计算

桥面分配横梁采用I18工字钢，经计算得到在标准组合工况下的组合应力见图5，最大应力σmax=136.3Mpa（拉应力）

图5 分配横梁组合应力图

3.4 桥面分配纵梁计算

桥面分配纵梁采用I14工字钢，经计算得到在标准组合工况下的组合应力见图6所示，最大应力σmax=111.0Mpa（拉应力）

图6 分配纵梁组合应力图

4.下部结构计算

下部墩柱采用φ80×1cm钢管柱，扩大基础。通过MIDAS CIVIL软件建立全桥模型，查询出单根钢管柱受到的最大竖向反力为623.3KN。取高度最大的3#桥墩钢管柱建立独立模型，计算得单柱顶的汽车荷载制动力为7.5KN，温度水平力为26KN（按升温30°计），并将查询到的竖向反力623.3KN作为集中力施加在柱顶，钢管柱下端固结，计算长度系数取K=2.1。

经计算，得到钢管柱在标准组合工况下的组合应力见图7，其中最大应力为σmin=-94.5PMa（压应力）

图7 钢管柱组合应力图

5.总体稳定性分析

通过MIDAS CIVIL软件建立全桥模型，通过移动荷载追踪器将移动荷载转化为静力荷载进行加载，对模型进行屈曲分析。计算结果显示模态1为最不利工况，屈曲分析效果图见图8，稳定系数为10.8，满足规范要求。

图8 屈曲分析效果图

6.结论

通过MIDAS CIVIL软件对本桥模型进行计算分析，得到以下结论：

（1）MIDAS CIVIL软件可以建立空间模型准确模拟钢桥各工况下的受力情况。同时，可以通过查询梁单元应力结果，掌握各构件的受力大小，方便结构优化设计。

（2）采用弹性连接、刚性连接和释放梁端部约束等功能可以方便的处理构件间的接触问题，准确模拟构件间受力传递。

（3）贝雷片靠近桥墩支点位置的竖杆受力最大，接近容许应力值；其余位置的贝雷片杆件应力相对较小。可通过在该竖杆位置增设槽钢刨光顶紧等措施来改善竖杆受力，增加桥梁的安全系数，也有助于改善桥梁的稳定性。

（4）桥梁屈曲分析一阶特征值富余不大，可通过在贝雷梁底用型钢增设几道横向连接来增加贝雷梁的整体稳定性。

参考文献

[1]黄绍金，刘陌生.装配式公路钢桥多用途使用手册.北京：人民交通出版社，2001.

[2]魏明钟.钢结构.武汉：武汉理工大学出版社，2002.

[3]王新敏.ANSYS工程结构数值分析.北京：人民交通出版社，2007.

[4]周水兴，何兆益，邹毅松.路桥施工计算手册.北京：人民交通出版社，2001.

[5]王吉连，陈开桥，毛伟琦. 武汉大道跨铁路斜拉桥主跨现浇段支架设计.桥梁建设，2013，（3）:103-108.

作者简介

任荣明1983-，男，工程师，2006年毕业于武汉理工大学工程力学专业，工学学士。研究方向：桥梁设计

厉硕彬1981-，男，工程师，2004年毕业于昆明理工大学土木工程专业，工学学士。研究方向：桥梁设计

谭海立1984-，男，工程师，2010年毕业于武汉理工大学工程力学专业，工学硕士。研究方向：桥梁设计