浅谈施工钢便桥安全性复核验算

文｜广州轨道交通建设监理有限公司 陈佩珊

临时钢便桥通常运用于工程施工，可作为临时通行的桥梁，也可作为结构施工的支撑结构，在施工上，靠焊接、栓接等方法把各种钢结构互相连接和拼装形成一个整体；在力学上，是一个主要承受竖向荷载和水平行车制动力、风载和流水压力的支撑平台；其内部是承受拉、压、弯的杆件互相作用而成。上述特点使临时钢表桥具有结构体系清晰、施工简单、造价低、施工工期短、安全性好的突出特点，在工程建设中得到广泛应用，掌握临时钢便桥的安全性复核验算已成为工程技术管理人员的基本要求，现将我们承建的惠州龙门山区一溪谷两岸施工钢便桥安全核算总结如下。

1、工程简介

本施工钢便桥为解决惠州龙门山区一溪谷两岸施工及社会车辆过河而临时搭设，通行限载重量按挂-100考虑，车速不超过5km/h，双向行驶。钢便桥桥长84m，桥面宽度设计为7m宽，考虑常年水位标高为29.8m，50年一遇水位标高31.34m，接顺道路标高37.5m，钢便桥面标高为37.5m，高出常年水位7.7m。为确保行人过往安全在桥的两外侧用5×5角铁和防护网做护栏，临时桥墩持力层选择强风化层做为承力层。

2、钢便桥结构体系布置

钢便桥桥长84m，桥面宽度按通行需求设置为7m宽，布置为路肩0.75m+行车道2.5m+车道分隔带0.5+行车道2.5m+路肩0.75m，由于车道宽度有限，禁止大型车辆在便桥上汇车。考虑到山区桥梁的管理问题及附近存在大型施工楼盘，验算复核荷载为挂-120，设计使用期限为三年。

由于钢便桥为整体钢结构，支墩采用φ630mm钢管做为桩基础，横向按3根间距3m排列，纵向起、止跨跨度为6m，其它跨根据施工地质情况为8-9m，不超过9m排列，计算跨度为9米，采用振动锤锤击法贯入。为确保临时支墩的稳定性，临时支墩之间横向用[22槽钢作剪刀叉连接；在钢管顶面布置I45c工字钢作为横梁，在横梁上面用单层四排84m通长贝雷片组作为纵梁，贝雷片间采用90支撑架联接，贝雷组与组之间净间距为3m，并设置连接斜撑。在贝雷梁上面按0.75m间距铺设横向I32c工字钢，在I32c工字钢上铺型钢-钢板复合桥面板（结构为：主纵梁为I12B工字钢，间距0.2m，横向加劲肋为[12B槽钢，间距0.8m。在[12槽钢上面铺设厚度16mm的花纹钢板组成桥面），钢便桥与地面过渡段采用填土方、石屑过渡。钢便桥横断面图如图1。

图1 钢便桥横断面图

3、钢便桥验算主要荷载参数

3.1 钢便桥自重

上部结构恒重（按一跨（9m）计算）

（1）16mm厚钢板，单位面积重156kg，则1.256KN/m2，一跨9*7=63m2，重79.128KN。

（2) [12槽钢+I12工字钢，单位重24.999Kg/m，则 0.25KN/m，一跨28条，长9m，重35.28KN。

（3）面层分配梁I32c，单位重65.689kg/m，则0.66kN/m，一跨28条，长7m，重 129.36KN。

（4）纵向主梁：横向单层四排贝雷梁，一跨重36KN。

（5）桩顶分配主梁：2*I45c，单位重174.97kg/m ,则1.75kN/m，可忽略。

综上所述，钢便桥一跨（9m）自重q1=（79.128+35.28+129.36+36）/9=31.1KN/m。

3.2 车辆荷载

钢便桥按照挂-120进行验算，主要技术指标如图2。

3.3 冲击荷载

钢便桥设计行车速度为5km/h，汽车冲击荷载可按汽车总重的10%计算，及1.1倍系数考虑。

3.4 汽车制动力

汽车在钢便桥上行驶时最大速度15km/h，禁止在桥上急刹车，汽车制动力可不予考虑。

3.5 风荷载、水流荷载

只对钢管基础产生影响，详见钢管基础稳定性验算。

4、各类材料容许应力

钢便桥结构强度设计采用容许应力法，计算过程中采用的材料参数如下：

Q235钢材的允许应力：【σ】=180MPa；Q235钢材的允许剪应力：【τ】=110MPa。

Q235钢材的弹性模量：E=2.1×105MPa；16Mn钢材的允许应力：【σ】=237MPa。

16Mn钢材的允许剪应力：【τ】=104MPa；16Mn钢材的弹性模量：E=2.1×105MPa。

I32C：A=79.92cm2,W=760.8cm3,I=1217 3cm4。

图2 挂-120布置示意图（荷载单位：KN，尺寸单位：m）

2*I45C：A=240.8cm2,W=3135.8cm3,I=1 875.4cm4。

钢便桥刚度设计按格构件挠度fmax＜l/250～l/400行控制

贝雷架纵梁应按其最不利受力状态，验算时采用不加强贝雷梁，验算以刚度与稳定性控制为主，按规范要求，其最大挠度不超过L/800，以确保安全。根据《321装配式公路钢桥手册》荷载、跨径与桥梁组合配置表查得：

W=7151.1 cm3；J=500994.4cm4；Mmax=1575.4KN·m；Qmax=490.5KN。

5、钢便桥验算

5.1 横向33C小横梁验算

按正常使用条件的最不利荷载进行验算，其最不利荷载为在使用过程中，汽车荷载出现在跨中，且单侧直接压在贝雷梁上方，另一侧汽车车轮压在I33c承重梁上方。根据施工实际情况，各型钢及各种材料接触处，均采用焊接或加固固结，因此所有梁的验算均采用固端梁进行计算。

（1）基本数据

a、跨径：计算跨径：L=9m。b 、桥面宽度：7 m。c、设计荷载：一侧汽车车轮压在I 3 3 c承重梁上方，集中荷载：Pk=300*1.1/2=165KN，均布荷载qk=31.1KN/m；

（2）采取力的叠加原理计算：

①抗弯强度验算

跨中弯矩最大：Mm=PL/8+qL2/24=79.3 kN.m，σ=M/W= 104MPa＜180 MPa

②抗剪强度验算

支座剪力最大：Q=P/2+qL/2=132.26 kN，τ=1.5Q/A=24.83 MPa ＜110 MPa

③挠度验算

跨中挠度最大：f m=P3/ L192EI+qL4/384EI=1.4mm＜3.2*103/800=4mm。

5.2 贝雷梁计算

参考《公路桥涵设计手册-基本资料》第一版可得以下计算：整个车在全部进入贝雷梁桥跨后，对贝雷梁的受力为最大，计算跨中时的弯矩和挠度为最大，靠近支点时该支点处的剪力为最大。采取力的叠加原理计算：

①抗弯强度验算

Mm=PL12/L+ PL22/L +qL2/24=250.53 kN.m＜1576.4 kN.m，σ=M/W= 35MPa＜237MPa

②剪力计算

Q=P*2+qL/2=469.95 KN＜【Q】=490.5KN

③挠度计算

跨中挠度f=PL12L*(3-4*L1/L)/24JI+PL22L*(3-4*L2/L)/24JI+ qL3/384/JI

=1.44mm＜[f]=9000/800=11.25mm

5.3 大横梁2*I45c梁验算

大横梁采用2*I45c工字钢，双排横向放置于钢管桩上，支点间距3m，其上部是贝雷梁，按2等跨集中荷载简化计算，根据贝雷梁计算的结果，最大剪力在支座处，支座即为该横梁位置，因此，P=Q=469.95KN。

①抗弯强度验算

跨中弯矩最大：M m=2 P2b a2/L3=32.19 kN.m，σ=M/W= 51MPa＜180 MPa

②抗剪强度验算

支座剪力最大：Q=P*2a*(1+2b/L)/L2=309.95 kN，τ=1.5Q/A=9.65 MPa ＜110 MPa

③挠度验算

跨中挠度最大：fm=2Pa3b2/(3EI*(3a+b)2)=1.09mm＜3*103/800=3.75mm。

5.4 钢管桩验算

单根钢管桩的最大轴向压力按照I45C大横梁计算结果为309.95kN。所以单根桩的最大轴向压力为31t，考虑1.2倍安全系数，故单桩最大轴向压力按37.2t即P=Nmax=372kN计算。施工时振锤振动力取值不小于45t。该地域地质资料显示，从上到下主要为：粉质粘土，卵石，全风化砂岩，中风化砂岩。由于施工中存在地质情况变化较大的情况，实际施工过程中应先试桩，再参考以上数据，插打钢管桩时贯入度不得小于6cm/min。

①轴心受压计算

φ630钢管桩力学性能：截面积A=15632mm2，回转半径i=219mm；

钢管长度：L=12m，长细比：λ=L/i=55，查《钢结构设计规范》 附录C可知：

稳定系数φ=0.900，钢管容许压力：

[N]= φ*A*【σ】=2532KN＞ 372KN ，满足要求。

②受侧向水压力和风压力时的验算

a、流水压力

施工区域流水流速3m/s，根据《公路桥涵设计通用规范》，则流水压力为：

F=kAγV2/2g= 0.8*0.63*10*32/2*9.8=2.2KN/m，即钢管桩在水中的自由段承受2.2KN/m的水流压力，可忽略不计。

b、风荷载

由于风力达到7级以上时钢便桥停止施工或通行，所以不考虑风荷载和车荷载同时作用的情况，风荷载系数w=1.15 KN/m2，一跨上部结构p1=1.15*6*2.15=14.8KN/m，水面以上钢管桩p2=1.15*1.2=1.38KN/m。

c、稳定性验算：

钢管桩稳定性验算计算模型如图7，考虑施工的实际情况，按一端固定，一端绞支的杆件模型计算。这里采用φ600钢管长度为12m，壁厚1cm；具体计算如下：

①长细比验算：（μ取0.7）

②安全系数计算：由材料力学中的安全系数计算，λ≦132时，不可以运用欧拉公式计算极限承载力，所以运用经验公式，对于A3钢：

所以，钢管桩是稳定的，可以承受上部荷载。

因此：使用是安全的。

6、计算结论

根据以上受力分析及计算模型可以得知，此型钢组合结构钢便桥采用φ630 mm钢管做为钢便桥的临时支墩，横向按3根间距3m排列，纵向间距桥头按6m，其它跨不超过9m排列；在钢管顶面布置2*I45c工字钢作为横梁；在横梁工字钢上面用单层四排84m通长军用贝雷片组作为纵梁；在纵向贝雷梁上面按0.75m间距铺设横向I32c工字钢，在I32c工字钢上铺I12工字钢，间距0.2m，再铺横肋[12槽钢，间距0.8m；在[12槽钢上面铺设厚度16mm的花纹钢板组成钢平台桥面，钢便桥与地面过渡段采用填土方、石屑和C30钢筋混凝土过渡，满足相关设计规范及实际荷载要求。

7、结束语

临时钢便桥具有结构清晰，受力模型简单的特点，关键是充分掌握最不利条件下的荷载工况、明确荷载传递路径从而使整个受力体系核算步骤清晰、明了、从强度、稳定性着手进行安全性验算，这是钢便桥验算的核心工作。