贝雷梁钢栈桥承载能力评定研究

李欣然

(广西交投科技有限公司,广西 南宁 530022)

0 引言

多年以来,贝雷梁钢栈桥作为公路桥梁施工跨越河道和水上作业平台的临时结构,得到最为广泛的应用。作为临时结构通道,往往需要通行较特殊的车辆,对已经使用一定年限后的贝雷梁钢栈桥承载能力是否还满足通行要求,需要做进一步的检测和评定[1]。本文以某实际使用2年后的贝雷梁钢栈桥为例,通过资料核查、外观检查和采用Midas Civil软件对其结构进行验算[2],并系统评定其各个部件承载能力是否满足总重60 t的罐车通行要求。

1 工程概况

该钢栈桥建成于2020年11月,全长171 m,桥面宽度为6 m,其上构为321型装配式贝雷钢桥部件组建上承型式钢栈桥,单层3组贝雷梁结构。下构为钢管桩基础焊接φ630 mm(壁厚10 mm)的钢管立柱,立柱顶吊装Ⅰ40b工字钢作为承重横梁,横梁上安装321型贝雷片,再铺设Ⅰ20b工字钢,在Ⅰ20b工字钢上铺设10 mm厚的花纹钢面板。桥梁后续需要通行最大60 t重的罐车。桥梁立面和横断面布置如图1、图2所示。

图1 钢栈桥立面图(cm)

图2 钢栈桥横断面图(cm)

2 资料核查和外观检查

桥梁基本资料核查:收集该桥梁建设资料及图纸、建成时间、拟通行车辆及最大载荷,现场核查桥梁主要的结构数据。根据现场核查,该钢栈桥的跨径组合为(10.5+6.0+3×9.0+7.5+3.0+7×9.0+3.0+4×9.0)m,共设置2个制动墩。横向设置3组贝雷片,每组2排,桥面板宽6.00 m。

外观检查以目测为主,结合测量设备进行,并拍照记录。外观检查结果:该桥主要病害为锈蚀,大部分贝雷梁均出现涂层脱落、钢表面锈蚀,未脱漆的贝雷梁涂层老化变色;贝雷片弦杆、斜杠、支撑花架、螺栓、连接销、保险销、贝雷组间联系、横向工字梁、承重横梁、钢管桩、剪刀撑、焊接节点板均存在大面积锈蚀状况。

3 检算系数Z1值的确定

根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)第7.4条钢结构承载能力评定规定:(1)钢结构桥梁结构构件强度、总体稳定性和疲劳强度验算应按现行公路桥涵设计规范执行,其应力限值取值为Z1[σ];(2)钢结构荷载作用下的变形评定如下[3]:

fdl

(1)

式中:[f]——容许变形值;

Z1——承载能力检算系数。

检算系数Z1取值:根据外观检查结果,本桥钢结构锈蚀面积已超50%以上,根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011),该桥的承载能力计算系数Z1取0.85,即其应力限值和钢管桩稳定性取值为0.85[σ]、结构变形限值为0.85[f]。

4 承载能力计算

4.1 建立有限元模型

4.1.1 材料

根据桥梁资料及参考《装配式公路钢桥制造》(JT/T 728-2008)、《装配式公路钢桥多用途使用手册》等资料,并依据《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64-2015)钢材的设计强度指标,考虑到装配式公路钢桥为限制荷载的临时性桥梁,其容许应力可提高1.3倍[4],该桥的材料特性如表1所示。

表1 材料特性表

4.1.2 有限元模型

贝雷片弦杆、斜杆、支撑花架、横向分配梁、承重横梁、贝雷组间联系、钢管桩和剪刀撑均用梁单元模拟,花纹钢面板用板单元模拟,纵向贝雷片之间的节点释放梁端约束(即释放3个方向的转动约束)。根据跨径大小和最不利原则,本次建模为第1～5跨。有限元模型如图3所示。

唉，那个调皮的学生又一次扭过头去，脸上还挂着灿烂的笑容，像是对上课老师的挑衅。我每一次经过窗口，他几乎都有这个动作。

图3 钢栈桥第1～5跨有限元模型图

4.2 定义荷载组合

该桥拟通行混凝土罐车总重为600 kN,考虑桥梁自重、活载及冲击系数、温度影响,荷载组合如下:

(1)结构强度、钢管桩稳定性按承载能力极限状态进行计算:

工况一:1.2自重+1.3×1.4罐车活载。

工况二:1.2自重+1.3×1.4罐车活载+1.05温升20 ℃。

工况三:1.2自重+1.3×1.4罐车活载+1.05温降15 ℃。

(2)结构挠度按正常使用极限状态进行计算:

工况四:自重+罐车活载。

工况五:自重+罐车活载+温升20 ℃。

工况六:自重+罐车活载+温降15 ℃。

4.3 各构件计算结果

(1)根据计算系数Z1值和荷载工况组合,贝雷梁强度和挠度计算结果如表2、表3所示。

表2 贝雷梁强度计算结果表

表3 贝雷梁挠度计算结果表

由表2、表3可知,贝雷梁拉压弯应力、剪应力和挠度计算值均小于折减后的容许值,满足要求。

(2)根据计算系数Z1值和荷载工况组合,承重横梁强度和挠度计算结果如下页表4、表5所示。

表4 承重横梁强度计算结果表

表5 承重横梁挠度计算结果表

由表4～5计算结果可知,承重横梁拉压弯应力、剪应力和挠度计算值均小于折减后的容许值,满足要求。

(3)根据计算系数Z1值和荷载工况组合,钢管桩强度计算结果如表6所示。

表6 钢管桩强度计算结果表

由表6计算结果可知,钢管桩拉压弯应力计算值、剪应力计算值均小于折减后的容许值,满足要求。

(4)钢管桩稳定性计算结果。

依据《钢结构设计标准》(GB 50017-2017)整体稳定性计算:钢管桩采用一端固结一端铰接,计算长度系数为μ=0.7,钢管桩高度h=11.2 m,钢管桩面积A=1.563×104mm2,惯性矩I=7.861×108mm4,惯性半径i=224.264 mm,长细比λ=μh/i=34.959,满足《钢结构设计标准》(GB 50017-2017)第7.4.6条轴心受压柱容许长细比150的要求。查《钢结构设计标准》(GB 50017-2017)表D.0.2,钢管桩稳定系数ψ=0.918,考虑计算系数Z1后的轴心受压稳定性计算公式为:

N/(ψA)≤Z1[σ]

(2)

局部稳定性计算:轴心受压构件要求不出现局部失稳,圆管压杆的外径与壁厚之比不应超过100×(235/fy)。考虑检算系数Z1后的计算结果为:钢管桩外径与壁厚之比=630/8=78.75,<0.85×100×(235/fy)=85,满足要求。

如表7计算结果所示,钢管桩整体和局部稳定性均满足要求。

5 结语

随着我国桥梁施工技术的蓬勃发展,钢栈桥作为常用的临时结构被广泛应用。本文以某旧钢栈桥拟通行总重600 kN罐车为研究背景,对该桥进行承载能力评定。通过对该桥基本资料核查、外观检查,运用Midas Civi软件对钢栈桥贝雷梁、承重横梁和钢管桩进行强度、挠度和稳定性计算,计算结果与折减后容许值进行比较,判定钢栈桥承载能力是否满足通行总重600 kN罐车的要求。结果表明:该钢栈桥各构件的强度、挠度和稳定性都满足要求,桥梁可通行总重600 kN罐车。因此,该方法可以为其他相似临时结构桥梁的承载能力评定提供参考。