建于浅覆盖强风化层上的施工栈桥结构分析

赵明宇 黄志强 张文韬 赵国栋

1.沈阳工业大学建筑与土木工程学院 辽宁 沈阳 110000；2.中交路桥北方工程有限公司 北京 100024；3.中交路桥建设有限公司 北京 100024

钢栈桥作为临时施工通道，主要承受汽车移动荷载、施工荷载和流体压力。钢栈桥在工艺上靠焊接等方法把纵梁、横梁和桥面钢板等焊接在一起作为一个受力整体，有着结构受力体系清晰、装配式施工快捷、工期较短等优点。在我国的桥梁、大坝、港口及渡船码头等工程中得到了大量应用[1]。

栈桥结构经过多年的发展，已有诸多学者对其进行了研究。庞瑞等[2]对某国家粮食储备库的钢结构输送栈桥进行了结构优化，对该对象进行了三维空间数值模拟分析，结果表明三维数值比二维数值分析更加有效全面。杨小军[3]分析了采煤区桁架、电厂煤炭输送桁架结构数据，验算桁架结构在风荷载、竖向荷载、活荷载下的破坏情况。Mieszko等[4]以一座钢结构栈桥为研究对象，长期监测其受力数据，对桥梁主桁架结构的抗疲劳性做了相应研究。

目前，Midas软件被广泛使用在钢栈桥的计算分析中，其计算结果也得到行业内的认可。沈波等[5]、田娥等[6]用Midas软件对钢栈桥进行分析计算。周立强[7]对某拱桥进行荷载试验和有限元数值模拟，并对各种工况进行确定和计算。刘欢[8]对东河大桥进行理论分析、数值模拟和荷载试验相结合，从而对桥梁的安全性作出评估。由上可知，对栈桥的研究大都基于受力监测和数值模拟，从而对栈桥的受力状态进行分析。

某高速接线工程面临着大落差、水上无运梁通道和大纵坡运梁的施工难题。为解决水上无运梁通道的施工难题，经商议决定搭建临时钢栈桥作为运梁通道。另外，栈桥所在的迳口水库因常年流水冲刷造成河床覆盖层较少或无覆盖层，岸区地质为斜截面强风化岩层，且河床存在2.3%的坡度，因此该栈桥的承载能力需要验证。

本文采用荷载试验和数值模拟对运梁钢栈桥进行监测和受力分析，以期为类似工程提供参考。

1 钢栈桥结构形式

运梁钢栈桥共2联，第1联长27 m，第2联长90 m。本文只计算第2联。栈桥承重梁为双拼40#工字钢，分配梁为22a#工字钢，栈桥面板为20#槽钢倒扣，钢管桩为φ630 mm×8 mm钢管。栈桥上部结构为6排2组标准贝雷梁。钢栈桥除贝雷梁为Q345钢材外，其余均采用Q235钢材。

2 栈桥荷载试验测试

2.1 测试目的

荷载试验是结构检测中重要的方法和手段，它是对桥梁结构进行直接加载，以了解结构在荷载作用下的实际工作状况，对结构的承载能力进行评定。

荷载试验分为静力荷载试验和动力荷载试验。静力荷载试验是指将静止的荷载作用于桥梁上的指定位置，以便能够测试出结构的静应变、静位移以及裂缝等，从而推断桥梁结构在荷载作用下的工作状态和使用能力。

动力荷载试验是指采用动力荷载以测出结构的动力特性，从而判断出桥梁结构在动力荷载下受冲击和振动的影响。动力荷载产生的动力效应一般大于相应的静力效应。

为保证运梁钢栈桥能够满足运梁需求的稳定性和安全性，需要对钢栈桥进行荷载试验。

2.2 测试方案及加载设备

经过现场查看和商议，采用行车试验测试方案。

荷载试验的加载设备为：25 t汽车吊，整车质量为30 t；SH160型内燃固定平台式运梁车，整车质量为90.5 t；50型装载机，整车质量为17 t。

测试方案为：

1）利用50型装载机，从第2联第7跨开始，设置等间距7～10个停车点（基本是在分配梁处），每个停车位静止5～10 s，进行准静载试验测试。

2）利用25 t汽车吊，从第2联第7跨开始，设置等间距7～10个停车点（基本是在分配梁处），每个停车位静止5～10 s，进行准静载试验测试。

3）利用SH160型内燃固定平台式运梁车，运载25 m标准箱梁，从第2联第7跨开始，设置等间距7～10个停车点（基本是在分配梁处），每个停车位静止5～10 s，进行准静载试验测试。

2.3 测点布置

运梁钢栈桥测点主要分布在栈桥的承重梁、分配梁、钢管桩、剪刀撑和贝雷片位置。其中测点具体布置情况如下：运梁栈桥第2联第7跨与第8跨联结处设置承重梁应变片，钢管桩、剪刀撑应变片，以及分配梁弦式应变片；运梁栈桥第2联第8跨设置分配梁跨中位移计、贝雷片位移计以及贝雷片应变片。

3 测试结果分析

3.1 荷载试验结果分析

在运梁车荷载作用下，主要测点的应变和位移变化曲线如图1所示。

由钢管桩桩身应变曲线看出，由于钢管桩需要承担栈桥上部结构自重，所以一直处于受压状态。在运梁车靠近测点、经过测点和远离测点这个过程中，钢管桩压应变分2次增长。当运梁前车经过测点时，应变急速增长到最大值99 με，前车远离测点时，应变回落到10 με。运梁后车经过测点，压应变再次增加到99 με，运梁后车远离测点后，钢管桩压应变逐渐趋近0。说明荷载的施加位置对钢管桩桩身应变影响非常明显。在运梁前车和后车经过测点时，桩身应变增加89 με。

承重梁的作用是承受荷载并将上部结构的荷载传递给钢管桩。同时，承重梁也起到了约束钢管桩的作用，减小钢管桩水平两侧位移，避免钢管桩向两侧偏移过大而导致栈桥失稳。由桩顶承重梁跨中应变变化曲线（图2）可知，测试过程中承重梁的跨中应变是拉应变，跨中承重梁处于受拉状态，其拉应变的峰值为169 με。承重梁在钢管桩的支承作用下，相当于一根跨中受拉的简支梁。

图1 钢管桩桩身应变变化曲线

图2 桩顶承重梁跨中应变变化曲线

经过测试，测得在运梁车荷载作用下栈桥第2联第8跨相邻跨跨中分配梁的跨中位移最大值为0.45 mm，第2联第8跨分配梁跨中位移最大值为0.44 mm（图3）。由此可以得知，在运梁车荷载作用下，分配梁跨中位移最大值非常接近。在运梁车荷载作用下，栈桥贝雷片的应变变化曲线如图4所示。

由图4可知，运梁栈桥第8跨第4、第5列贝雷片在运梁车荷载作用下，其应变主要是拉应变，说明第4、第5列贝雷片在荷载作用下受拉，其拉应变峰值为37 με。

第4、第5列贝雷片的受力情况较为复杂，测试开始阶段，贝雷片受拉，但在20～100 s之间受压，且峰值为10 με，然后压应变逐渐减小为0，由受压变为受拉。拉应在50 s内快速增长，并在380 s时达到峰值76 με、52 με，之后拉应变减小。

图3 跨中分配梁竖向位移

图4 栈桥贝雷片应变变化曲线

栈桥第4、第5列贝雷片属于竖腹杆，竖腹杆的作用为增强抗剪能力与结构支撑。在本次测试中，发现靠近横桥向外侧的竖直腹杆一直受拉，横桥向内侧竖直腹杆的受力状态随着荷载位置的变化而不断变化。竖直腹杆连接着上下弦杆，当弦杆两端受到竖直荷载时，腹杆和弦杆的刚节点发生转动，导致腹杆受拉。

在实际工程中，栈桥上下弦杆还连接支撑角钢。支撑角钢作为联结件，和栈桥主体结构形成一个受力整体，共同承担上部荷载，并约束贝雷片的侧向扭转。这就使贝雷片同时受到支撑角钢提供的力，受力情况复杂，特别是内侧贝雷梁，联结杆件多，受力更加复杂，导致内侧贝雷片受力状态不断变化。

在汽车吊荷载作用下，在汽车吊向测点靠近的过程中，第4、第5列贝雷片拉应变稳定增长，在到达测点，也就是在300 s和400 s之间出现20 με左右的上下波动。这种现象是由汽车吊在经过该处测点时，反复停车和启动引起结构振动导致的。

建筑工程中的振动影响主要有3类：地震，风振，机械、交通及环境振动。本次测试中的振动属于第3类振动，虽然该类振动对结构自身的影响较小，但存在着一定的危险性。当载重较大的车辆在栈桥上反复停车或启动，其引起的振动会造成构件应力变化不规律，加速构件的损坏。因此，当车辆载重较大时，需减少在栈桥上停车的次数。

3.2 运梁栈桥结构荷载测试试验计算分析

静力试验荷载可按控制内力、应力或变位等效原则确定，静力荷载试验结构校验系数ζ的计算按式（1）进行。

式中：Se——试验荷载作用下主要测点的实测弹性变位或应变值；

Sc——试验荷载作用下主要测点的理论计算变位或应变值。

静力荷载试验结构校验系数ζ是试验荷载作用下测点的实测弹性变位或应变值与相应的理论计算值的比值。ζ值小于1时，代表桥梁的实际状况要好于理论状况。

静力荷载试验结构校验系数ζ的计算结果如表1和表2所示。

表1 运梁钢栈桥荷载试验测试结果1

表2 运梁钢栈桥荷载试验测试结果2

由表1和表2可知：

1）运梁栈桥各测点的校验系数在装载机、汽车吊和运梁车3种荷载作用下均小于1，说明该栈桥满足安全要求。

2）距离第8跨第4列贝雷片1.5 m处测点位移的校验系数接近1，说明该处结构满足安全要求，但已经接近使用极限。在运梁工程中，3种荷载不应同时作用在运梁栈桥上。

4 数值模拟分析

因为在荷载试验中，某些结构位置不便于粘贴应变片，如角钢，所以无法得到这些位置的应变变化。为得到类似结构的受力状态，对栈桥进行数值模拟，作为对荷载试验的结果补充。

4.1 运梁栈桥模型建立

选取中间的三跨栈桥进行三维空间建模，并对各种杆件赋予各自材料特性：栈桥的钢桥面板通过板单元模拟，其他单元均采用梁单元模拟；面板单元和分配梁单元、分配梁单元与贝雷梁单元采用弹性连接。钢管桩的底部采用刚性节点。栈桥模型共2 794个节点，4 132个单元。

钢栈桥所受荷载需根据实际施工情况确定。此钢栈桥主要行驶车辆为质量约90 t（900 kN）的运梁车，运梁车荷载布置如图5所示。

图5 运梁车荷载布置示意

由于栈桥位于水库内，故需要考虑流水压力对钢管桩的影响。根据资料，流水压力为14.4 kN。

风荷载对钢栈桥的影响不容忽略。钢栈桥工作地点的施工风速为37.4 m/s，基本风压为1.242 kN/m2。

本文采用的荷载组合为：自重＋900 kN运梁车＋流水压力＋风荷载。

对栈桥结构进行模拟计算，栈桥结构模型如图6所示。栈桥上的行车方向为图中左侧到右侧。为使计算结果更加接近实际情况，栈桥的模型存在2.3%的坡度。

图6 运梁栈桥模型

该栈桥结构强度采用容许应力法，材料的各项参数如表3所示。

表3 材料参数

根据JGJ 025—1986《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》规定，临时结构可在容许应力的基础上乘以1.3的扩大系数。

4.2 计算结果分析

4.2.1 钢栈桥上部结构分析

栈桥的上部结构主要是贝雷梁，贝雷梁的上下弦杆提供抗弯能力，斜腹杆提供抗剪能力，竖腹杆的作用为增强抗剪能力与结构支撑，且3种类型构件的相互影响作用很小。

取图6模型中的中间跨弦杆进行分析。以所选取的顺桥向首个上下弦杆节点为坐标原点。不同位置的顺桥向上下弦杆应力变化曲线如图7、图8所示。

图7 上弦杆应力变化曲线

图8 下弦杆应力变化曲线

由图7可知，横桥向的3根上弦杆的应力均呈现同升同降的趋势。其中上弦杆应力的最大值74.5 MPa出现在横桥向第2根上弦杆12 m处，且远远大于其他2根上弦杆的最大值49.9 MPa和49.3 MPa。

当运梁车荷载作用在桥面上时，6根上弦杆发生不同程度的弯曲变形，所提供的抗弯能力也不同，横桥向第2和第4根上弦杆为承担竖向荷载作出的贡献相对较大。这是运梁车竖向荷载的作用位置所造成的。从荷载作用图可知，运梁车荷载作用位置距离第2和第4根上弦杆较近，导致应力值偏大。

由图8可知，下弦杆应力最大值77.4 MPa出现在横桥向第2根下弦杆起始节点处，且3根下弦杆相同距离处的应力值非常接近。说明荷载作用位置对栈桥下弦杆的受力状态的影响并不明显。

运梁钢栈桥上下弦杆应力最大值77.4 MPa＜最大许用应力（200 MPa），因此钢栈桥的上部结构满足强度要求。

对栈桥结构中的支撑角钢进行强度分析。支撑角钢在运梁车荷载作用下的应力情况如图9所示。

由图9可知，水平支撑角钢的最大应力值为29.1 MPa。竖直支撑角钢的最大应力值为21.9 MPa。另外，上下水平角钢的应力呈反对称分布。竖直支撑角钢的应力从左到右依次减小。其中图9左侧竖直支撑角钢处于栈桥贝雷梁内侧，右侧支撑角钢处于贝雷梁外侧。由此可以得知，栈桥在承受运梁车荷载时，连接贝雷梁内侧的竖直支撑角钢应力值较外侧竖直支撑角钢应力值大。说明在保持栈桥上部结构的稳定性中，内侧支撑角钢比外侧支撑角钢起到了更重要的作用。

4.2.2 钢栈桥下部结构分析

在运梁车荷载作用下，钢管桩桩身会产生一定的水平位移和竖向位移。分别取位移值最大的2根桩的位移情况进行分析，如图10所示。

图9 支撑角钢应力

图10 钢管桩水平位移变化曲线

由图10可知，在运梁车荷载作用下，钢管桩桩身的顺桥方向水平位移最大值并没有出现在桩顶，而是出现在桩顶以下1 m位置处，其值为0.7 mm。这是因为钢管桩在承受上部结构传来的荷载时，桩顶会产生一定程度的弯曲变形，该变形导致桩顶以下位置产生和桩顶水平位移反方向的位移，并且呈现受拉状态。另外，桩身的水平位移呈倒三角形分布，由于钢管桩桩底的约束作用，桩底位移为0。

由钢管桩应力变化曲线（图11）可知，钢管桩最大应力值22 MPa出现在桩顶以下1 m，并且是拉应力，这也说明当钢管桩承受荷载时，在桩顶1 m处发生了弯曲变形，导致钢管桩一侧受拉。随着钢管桩长度的增加，拉应力变为压应力，且应力值迅速减小，并在10 m处减小至2.5 MPa。

由钢管桩轴力变化曲线（图12）可知，钢管桩的轴力和钢管桩长度呈线性的关系。随着长度的增加，在桩底部达到最大轴力44 kN，并且轴力呈正三角形分布。在只存在风、水和自重荷载情况下，钢管桩受到风、水荷载水平力作用，桩底部弯矩值最大，弯矩叠加导致钢管桩底部轴力最大。同时，风、水荷载导致钢管桩局部出现拉应力。

图11 钢管桩应力变化曲线

图12 钢管桩轴力变化曲线

4.2.3 钢栈桥荷载试验和数值模拟数据对比

将钢栈桥现场荷载试验得到的贝雷梁竖向位移和数值模拟计算得到的贝雷梁竖向位移进行对比。现场对第4列贝雷片的竖向位移进行监测，为方便比较，取数值模拟中相同位置的贝雷片竖向位移。位移变化曲线如图13、图14所示。

图13 运梁车荷载试验中的贝雷梁竖向位移变化曲线

图14 数值模拟中的贝雷梁竖向位移曲线

由图13、图14可知：荷载试验得到的贝雷梁最大竖向位移为0.55 mm；数值模拟得到的贝雷梁最大竖向位移为0.51 mm；荷载试验和数值模拟二者得到的贝雷梁最大竖向位移相差0.04 mm，可以认定基本相同；每一跨栈桥结构的竖向位移变化表现为由两端向跨中增加，且在跨中节点处取得最大值。

荷载试验得到的最大竖向位移和数值模拟得到的最大竖向位移非常接近，说明钢栈桥在数值模拟中的受力接近实际工作中的栈桥受力，本次数值模拟的结果可以作为该栈桥荷载试验的结果补充。

经荷载试验和数值模拟验证，建于浅覆盖强风化层上的施工栈桥的稳定性满足安全要求，且安全富余量较大，这在一定程度上造成了材料的浪费。为减轻这种现象，该栈桥贝雷梁部分的材料可以更换为Q235钢材，从而增强工程的经济性。另外，运梁车在经过该施工栈桥时，应匀速通过，避免突然刹车和加速，以减小对栈桥的影响。

5 结语

基于运梁钢栈桥的静力荷载试验和数值模拟，可以得到以下结论：

1）在运梁车荷载、汽车吊荷载和装载机荷载的分别测试下，运梁钢栈桥各测点的校验系数均满足安全要求，运梁钢栈桥可以正常使用。

2）运梁钢栈桥钢管桩桩顶以下1 m处，钢管桩出现拉应力，这是由于钢管桩承受上部结构荷载导致弯曲变形和风、水荷载作用引起的。

3）计算结果显示栈桥上弦杆最大应力为74.5 MPa，下弦杆最大应力为77.4 MPa，皆小于材料的容许应力200 MPa，满足强度要求。

4）上下水平支撑角钢应力呈现反对称分布；在保持栈桥上部结构的稳定性中，内侧竖直支撑角钢比外侧竖直支撑角钢起到更重要的作用。

5）钢栈桥荷载试验得到的贝雷梁最大竖向位移为0.55 mm，钢栈桥数值模拟得到的贝雷梁最大竖向位移为0.51 mm。二者数值接近，数值模拟的结果可以作为栈桥荷载试验结果的补充。