基于MIDAS Civil的某跨河钢便桥设计验算有限元分析

侯孝振 （安徽省路港工程有限责任公司，安徽 合肥 230022）

针对峡谷、河流等复杂的地理环境，桥梁工程施工为解决材料、机械设备运输及人员进出，贝雷梁钢便桥由于其施工便捷、强度高等特点，使得其在跨河流、峡谷施工中的应用变得越来越广泛。钢便桥结构连接节点较多，传力复杂，通过车辆荷载等较大动载荷，因此施工前进行安全验算是十分必要的。本文通过对某工程实例跨河贝雷梁钢便桥进行设计验算，采用MIDAS Civil有限元软件整体建模，进行不同工况下贝雷梁受力分析，验算其安全稳定性，为类似工程施工方案设计验算提供一定参考。

1 工程概况

某跨河施工临时贝雷钢便桥根据现场的地形、地貌采用上承式结构，桥面宽度6.0m，便桥跨度为5跨（9m+9m+3m+6m+9m），主纵梁采用3组6排双排单层标准贝雷桁架片（国标100型），贝雷间距为（0.9m+1.35m+0.9m+1.35m+0.9m），贝雷梁之间采用贝雷标准支撑架保持侧向稳定。主横梁选用双拼2工45a型钢，横向分配梁选用间距0.375m的I20a型钢，面板为10mm花纹钢板，便桥栏杆采用定型钢焊接立柱和护手，高度120cm。便桥两端与混凝土桥台相连，其余下部结构采用壁厚8mm，直径630mm的钢管桩基础，钢管桩之间采用联结（普钢槽钢C20a）连成整体。钢便桥布置简图见图1。

图1 钢便桥立面布置简图

2 材料参数

本工程钢便桥贝雷采用16Mn钢材，钢管桩及桩顶承重横梁、分配梁均采用Q235B钢材。采用容许应力法进行检算。Q235B钢：容许弯曲应力[σ]=145MPa，容许剪应力[τ]=85MPa；Q345B钢参数：容许弯曲应力[σ]=210MPa，容许剪应力[τ]=120MPa。根据《路桥施工计算手册》，临时性结构容许应力按提高30%～40%后使用，本项目按提高1.3计。

国标100型贝雷梁杆件特性表 表1

贝雷梁允许轴力如表1所示。

3 主要荷载

根据本工程钢便桥实际使用情况，桥面考虑以下几种主要荷载：①本便桥永久作用为材料自重恒载，软件自动计入；②12m的混凝土运输车，具体参数如下：整备重量16.2t，满载总重量47.4t，轴距3220（mm）+1150（mm），前轮荷载总重P=8t，后轮荷载总重P=39.4t；③25t汽车吊，其正向起吊最大吊重按15t计，侧向起吊最大吊重按15t计，主要用于便桥施工（沿便桥宽度居中行走，钓鱼法施工），25t汽车吊仅限于墩顶起吊作业，在便桥走行时为空载走行。吊机几何中心点布置于墩中心线处，且起吊作业时单个支点抄垫面积不得小于0.45m×1.0m，加载工况一：25t汽车吊墩顶侧吊，侧吊吊重设计容许值为15t。其中按单侧分别为35t和5t加载计算，加载工况二：25t汽车吊机墩顶正向起吊15t，考虑吊臂较小，支点荷载按均布计算；④挂车-100级平板车，参考《公路桥涵通用设计规范》中挂车参数执行；⑤制动力；⑥风荷载；⑦水流压力；⑧施工荷载：3kN/m。主要技术标准：设计限行速度15km/h，考虑便桥实际情况，不计冲击作用。

4 计算工况

根据本钢便桥实际使用情况，计算工况见表2。

5 有限元建模及边界条件设置

采用MIDAS Civil 2019进行整体建模计算。模型中钢管桩、贝雷梁、分配梁及承重横梁均采用梁单元模拟，分配梁和贝雷梁连接，贝雷梁和承重横梁连接，承重横梁和钢管桩连接均设置弹性连接，贝雷梁和桥台埋件连接采用铰结，钢管桩底部采用铰结钢管桩自嵌固点至桩顶长度按10m计算。

钢便桥计算工况表 表2

6 计算结果

采用MIDAS Civil 2019车道面荷载及车道线荷载（横向联系梁）两种方法分别加载车辆荷载计算。由于桥面板与分配梁I20a工字钢焊接成整体，其结构稳定可靠，本文对面板不进行验算。

6.1 横向分配梁I20a计算

由计算比较知最不利工况为工况1混凝土罐车无偏载，由图2知横向分配梁I20a最大竖向弯应力σ=121.6MPa<1.3x145=188MPa。

图2 横向分配梁I20a竖向弯应力云图（单位：MPa）

6.2 贝雷梁计算

由计算比较知贝雷梁最不利工况为工况6挂车有偏载，受力情况如图3～图5所示。

图3 贝雷梁弦杆轴力云图（单位：kN）

图4 贝雷梁竖腹杆轴力云图（单位：kN）

图5 贝雷梁斜腹杆轴力云图（单位：kN）

由图3～图5知贝雷梁结构弦杆最大轴力272.5kN，竖腹杆最大轴力206kN，斜腹杆最大轴力158kN，满足。

由图6知贝雷梁竖向位移最大值为11.0mm

图6 便桥竖向变形图（单位：mm）

6.3 桩顶横梁双拼工45a型钢计算

由计算比较知桩顶横梁最不利工况为工况5挂车无偏载，受力情况如图7所示。

由图7知桩顶横梁双拼工45a型钢最大组合应力σ=79.7MPa<1.3x145=188MPa。

图7 双拼工45a型钢组合应力云图（单位：MPa）

6.4 钢管桩强度及稳定性计算

由计算比较知钢管桩最不利工况为挂车作用下偏载，最不利基本组合为N=1488kN，M=32kN·m，M=35.4kN·m。钢管桩计算长度根据《港口工程桩基规范》(JTS167-4-2012)按一端固定一端自由移动铰计算。

计算长度l=14.6m，钢管桩按b类截面，稳定系数φ=0.774。

钢管桩稳定性满足要求。

7 结语

①本工程跨河钢便桥采用MIDAS Civil有限元计算，贝雷梁结构布置能满足设计要求，且在设计荷载条件下其横向分配梁、桩顶横梁及钢管桩的强度、稳定性均能满足要求；

②计算表明贝雷梁支撑点位置竖杆轴力较大，安全储备较小，施工过程需严格按照设计图纸施工，保证施工质量，且在使用过程需加强监测；

③本文简要分析了某跨河贝雷梁钢便桥的设计验算过程，为类似工程施工方案设计验算提供一定参考。