基于大件运输贝雷梁钢栈桥选型分析

刘而继、康春光

（武汉二航路桥特种工程有限责任公司，湖北武汉430061）

0 引言

近年来，随着经济发展的需要,大件运输的吨位呈不断增加的趋势[1]。由于车辆超载等原因,造成桥梁损伤甚至桥梁坍塌等事故频发,大件运输车辆过桥安全性校核具有重要意义[2]。公路大件运输过程具有一定的危险性,为保障运输的安全性[3]，应严格按照运输规范进行运输。大件运输过程中,保证桥梁结构的安全至关重要,因此,桥梁检测和加固也是不可或缺的[4]。

大件运输过程中经常遇到某些途经路线上的桥梁限载情况，通常普遍的做法是对桥梁进行加固后提升桥梁的承载能力使大件运输重车安全通过桥梁，该方法对桥梁承载能力的提升水平有限且时间较长。因此，可在原桥梁周边位置快速建立满足荷载通行条件的临时桥梁结构以供大件运输车辆的通行。基于此背景，分析两种不同结构形式的临时钢栈桥（上承式贝雷梁钢栈桥、下承式贝雷梁钢栈桥）在大件运输情况下的受力性能，合理选择贝雷梁钢栈桥的结构形式。

1 工程概况

某一石油化工行业的物流单位需运输一件超过160t 重型石油冶炼设备，通过20世纪90年代修建于国道上的跨江1×36m 双曲拱桥。该桥梁设计车辆荷载为“汽车-超20、挂-120”，根据《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/T H21—2011）[5]被评定为4 类桥。根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21—2011）[6]与《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21-01—2015）对该桥分别进行静载试验与动载试验，桥梁强度和整体刚度不满足设计荷载等级“汽车-超20、挂-120”的要求，主梁腹板斜向裂缝为结构性受力裂缝，对局部截面削弱明显，影响结构安全。因此该桥梁不具备大件运输车辆安全通行的条件。

贝雷梁具有结构简单、运输方便、架设快捷、载重量大、跨距与立柱高度可调、互换性好、适应性强的特点，广泛应用于桥梁工程施工领域[7]。综合以上特点分析得出，在原旧桥的西侧建设一座满足该车辆荷载通行条件的临时性贝雷梁钢栈桥。

2 不同形式贝雷梁钢栈桥计算

2.1 钢栈桥构造

桥梁采用“321”型贝雷梁作为主要材料。桥梁横向布置为5m×0.9m，总宽为4.5m，贝雷梁栈桥跨度选择4m×9m。分别设计上承式、下承式标准形式贝雷梁钢栈桥，并通过Midas Civil 有限元分析软件建立计算模型对这两种不同类型的临时桥梁结构进行力学性能上的分析对比。上承式贝雷梁钢栈桥设计三维模型如图1所示，下承式贝雷梁钢栈桥设计三维模型如图2所示。

图1 上承式贝雷梁钢栈桥示意图

图2 下承式贝雷梁钢栈桥示意图

上部结构贝雷片、上弦杆、下弦杆、竖向支撑架、水平支撑架、横向分配梁、桥面板均采用16Mn 钢板，下部结构承重梁、钢管桩、桩间横向、纵向、斜向支撑均采用Q235 普通碳素结构钢。

2.2 贝雷梁钢栈桥有限元模型计算

大件运输车经过动态称重系统(WIM)确定荷载轴距、轴重比例，简化后作为荷载依据分析贝雷梁钢栈桥的受力性能，特种车主车轴线荷载为16t（2×3.4m），副车轴线荷载为16×18t（16×1.3m）。

以单跨9m（4×9m）钢栈桥作为计算模型，有限元计算模型的参数如表1所示，上、下承式钢栈桥的计算模型分别如图3、图4所示，采用有限元计算软件Midas Civil 分别计算贝雷梁钢栈桥主梁受力、变形及支反力。

表1 钢栈桥计算模型信息

图3 上承式贝雷梁钢栈桥计算模型

图4 下承式贝雷梁钢栈桥计算模型

3 上、下承式受力对比分析

3.1 桥面板受力性能分析对比

如图5、图6所示，上承式钢栈桥桥面板顺桥向侧边产生的应力最大，下承式钢栈桥桥面板横桥向侧边产生的应力最大，且应力普遍大于上承式。如图7、图8所示，上、下承式桥面系板均在中心位置产生的挠度值最大，下承式最大挠度值约为上承式最大挠度值的2 倍。综上可知，下承式桥面板的受力性能弱于上承式。

图5 上承式桥应力

图6 下承式桥应力

图7 上承式桥位移

图8 下承式桥位移

3.2 承重梁受力性能分析对比

如图9、图10 的应力及图11、图12 的变形所示，两种结构类型钢栈桥的承重梁应力及挠度最大值大致相同，上承式承重梁最大应力及挠度发生于中间钢管支撑上方，下承式承重梁最大应力及挠度发生于两侧钢管支撑上方，下承式承重梁较上承式承重梁受力性能更为均匀。

图9 上承式桥承重梁应力

图10 下承式桥承重梁应力

图11 上承式桥承重梁变形

图12 下承式桥承重梁变形

3.3 贝雷梁性能分析对比

如图13、图14 及图15、图16所示，贝雷梁最大应力发生位置均位于支点处，该处应力容易发生应力集中，且下承式应力最大值相对于上承式约高10%，下承式应力分布均匀性较弱。上承式相对于下承式变形更为均匀，下承式变形往桥面内侧偏移。

图13 上承式桥贝雷梁应力

图14 下承式桥贝雷梁应力

图15 上承式桥贝雷梁变形

图16 下承式桥贝雷梁变形

3.4 下部结构分析对比

如图17、图18 及图19、图20所示，上承式钢管支撑主要由中间钢管受力，下承式钢管支撑主要由边侧钢管受力，上承式应力最大值约为下承式的2 倍，上承式下部结构整体变形强于下承式，上承式钢栈桥变形协调能力较强。

图17 上承式桥下部结构应力

图18 下承式桥下部结构应力

图19 上承式桥下部结构变形

图20 下承式桥下部结构变形

4 结论

基于大件运输的荷载作用，分别对两种不同结构形式的贝雷梁钢栈桥进行空间有限元分析计算分析，得出以下结论：

一是上承式贝雷梁钢栈桥上部结构的整体受力性能要优于下承式，上部结构受力更为均匀，构件之间承担外力联系密切，可将结构的材料性能充分发挥。

二是上承式贝雷梁钢栈桥下部结构的整体受力性能要弱于下承式，下部钢管支撑受力主要集中于中间钢管，造成该钢管支撑的应力相对较大，上承式整体变形能力强于下承式。鉴于大件运输作用下结构发生失稳的概率较大，使用上承式作为大件运输车通行的临时结构，需对下部结构的强度及稳定性进行关注并优化。

三是大件运输下贝雷梁钢栈桥某一构件的连接失效将导致应力的快速提升，临时贝雷梁钢栈桥通行大件运输车辆之前需建立检查制度，以保证通行安全。