劉而繼、康春光
(武漢二航路橋特種工程有限責(zé)任公司,湖北武漢430061)
近年來,隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要,大件運(yùn)輸?shù)膰嵨怀什粩嘣黾拥内厔輀1]。由于車輛超載等原因,造成橋梁損傷甚至橋梁坍塌等事故頻發(fā),大件運(yùn)輸車輛過橋安全性校核具有重要意義[2]。公路大件運(yùn)輸過程具有一定的危險(xiǎn)性,為保障運(yùn)輸?shù)陌踩訹3],應(yīng)嚴(yán)格按照運(yùn)輸規(guī)范進(jìn)行運(yùn)輸。大件運(yùn)輸過程中,保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全至關(guān)重要,因此,橋梁檢測和加固也是不可或缺的[4]。
大件運(yùn)輸過程中經(jīng)常遇到某些途經(jīng)路線上的橋梁限載情況,通常普遍的做法是對(duì)橋梁進(jìn)行加固后提升橋梁的承載能力使大件運(yùn)輸重車安全通過橋梁,該方法對(duì)橋梁承載能力的提升水平有限且時(shí)間較長。因此,可在原橋梁周邊位置快速建立滿足荷載通行條件的臨時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)以供大件運(yùn)輸車輛的通行?;诖吮尘?,分析兩種不同結(jié)構(gòu)形式的臨時(shí)鋼棧橋(上承式貝雷梁鋼棧橋、下承式貝雷梁鋼棧橋)在大件運(yùn)輸情況下的受力性能,合理選擇貝雷梁鋼棧橋的結(jié)構(gòu)形式。
某一石油化工行業(yè)的物流單位需運(yùn)輸一件超過160t 重型石油冶煉設(shè)備,通過20世紀(jì)90年代修建于國道上的跨江1×36m 雙曲拱橋。該橋梁設(shè)計(jì)車輛荷載為“汽車-超20、掛-120”,根據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG/T H21—2011)[5]被評(píng)定為4 類橋。根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評(píng)定規(guī)程》(JTG/T J21—2011)[6]與《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》(JTG/T J21-01—2015)對(duì)該橋分別進(jìn)行靜載試驗(yàn)與動(dòng)載試驗(yàn),橋梁強(qiáng)度和整體剛度不滿足設(shè)計(jì)荷載等級(jí)“汽車-超20、掛-120”的要求,主梁腹板斜向裂縫為結(jié)構(gòu)性受力裂縫,對(duì)局部截面削弱明顯,影響結(jié)構(gòu)安全。因此該橋梁不具備大件運(yùn)輸車輛安全通行的條件。
貝雷梁具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)輸方便、架設(shè)快捷、載重量大、跨距與立柱高度可調(diào)、互換性好、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于橋梁工程施工領(lǐng)域[7]。綜合以上特點(diǎn)分析得出,在原舊橋的西側(cè)建設(shè)一座滿足該車輛荷載通行條件的臨時(shí)性貝雷梁鋼棧橋。
橋梁采用“321”型貝雷梁作為主要材料。橋梁橫向布置為5m×0.9m,總寬為4.5m,貝雷梁棧橋跨度選擇4m×9m。分別設(shè)計(jì)上承式、下承式標(biāo)準(zhǔn)形式貝雷梁鋼棧橋,并通過Midas Civil 有限元分析軟件建立計(jì)算模型對(duì)這兩種不同類型的臨時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)性能上的分析對(duì)比。上承式貝雷梁鋼棧橋設(shè)計(jì)三維模型如圖1所示,下承式貝雷梁鋼棧橋設(shè)計(jì)三維模型如圖2所示。
圖1 上承式貝雷梁鋼棧橋示意圖
圖2 下承式貝雷梁鋼棧橋示意圖
上部結(jié)構(gòu)貝雷片、上弦桿、下弦桿、豎向支撐架、水平支撐架、橫向分配梁、橋面板均采用16Mn 鋼板,下部結(jié)構(gòu)承重梁、鋼管樁、樁間橫向、縱向、斜向支撐均采用Q235 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼。
大件運(yùn)輸車經(jīng)過動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)(WIM)確定荷載軸距、軸重比例,簡化后作為荷載依據(jù)分析貝雷梁鋼棧橋的受力性能,特種車主車軸線荷載為16t(2×3.4m),副車軸線荷載為16×18t(16×1.3m)。
以單跨9m(4×9m)鋼棧橋作為計(jì)算模型,有限元計(jì)算模型的參數(shù)如表1所示,上、下承式鋼棧橋的計(jì)算模型分別如圖3、圖4所示,采用有限元計(jì)算軟件Midas Civil 分別計(jì)算貝雷梁鋼棧橋主梁受力、變形及支反力。
表1 鋼棧橋計(jì)算模型信息
圖3 上承式貝雷梁鋼棧橋計(jì)算模型
圖4 下承式貝雷梁鋼棧橋計(jì)算模型
如圖5、圖6所示,上承式鋼棧橋橋面板順橋向側(cè)邊產(chǎn)生的應(yīng)力最大,下承式鋼棧橋橋面板橫橋向側(cè)邊產(chǎn)生的應(yīng)力最大,且應(yīng)力普遍大于上承式。如圖7、圖8所示,上、下承式橋面系板均在中心位置產(chǎn)生的撓度值最大,下承式最大撓度值約為上承式最大撓度值的2 倍。綜上可知,下承式橋面板的受力性能弱于上承式。
圖5 上承式橋應(yīng)力
圖6 下承式橋應(yīng)力
圖7 上承式橋位移
圖8 下承式橋位移
如圖9、圖10 的應(yīng)力及圖11、圖12 的變形所示,兩種結(jié)構(gòu)類型鋼棧橋的承重梁應(yīng)力及撓度最大值大致相同,上承式承重梁最大應(yīng)力及撓度發(fā)生于中間鋼管支撐上方,下承式承重梁最大應(yīng)力及撓度發(fā)生于兩側(cè)鋼管支撐上方,下承式承重梁較上承式承重梁受力性能更為均勻。
圖9 上承式橋承重梁應(yīng)力
圖10 下承式橋承重梁應(yīng)力
圖11 上承式橋承重梁變形
圖12 下承式橋承重梁變形
如圖13、圖14 及圖15、圖16所示,貝雷梁最大應(yīng)力發(fā)生位置均位于支點(diǎn)處,該處應(yīng)力容易發(fā)生應(yīng)力集中,且下承式應(yīng)力最大值相對(duì)于上承式約高10%,下承式應(yīng)力分布均勻性較弱。上承式相對(duì)于下承式變形更為均勻,下承式變形往橋面內(nèi)側(cè)偏移。
圖13 上承式橋貝雷梁應(yīng)力
圖14 下承式橋貝雷梁應(yīng)力
圖15 上承式橋貝雷梁變形
圖16 下承式橋貝雷梁變形
如圖17、圖18 及圖19、圖20所示,上承式鋼管支撐主要由中間鋼管受力,下承式鋼管支撐主要由邊側(cè)鋼管受力,上承式應(yīng)力最大值約為下承式的2 倍,上承式下部結(jié)構(gòu)整體變形強(qiáng)于下承式,上承式鋼棧橋變形協(xié)調(diào)能力較強(qiáng)。
圖17 上承式橋下部結(jié)構(gòu)應(yīng)力
圖18 下承式橋下部結(jié)構(gòu)應(yīng)力
圖19 上承式橋下部結(jié)構(gòu)變形
圖20 下承式橋下部結(jié)構(gòu)變形
基于大件運(yùn)輸?shù)暮奢d作用,分別對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)形式的貝雷梁鋼棧橋進(jìn)行空間有限元分析計(jì)算分析,得出以下結(jié)論:
一是上承式貝雷梁鋼棧橋上部結(jié)構(gòu)的整體受力性能要優(yōu)于下承式,上部結(jié)構(gòu)受力更為均勻,構(gòu)件之間承擔(dān)外力聯(lián)系密切,可將結(jié)構(gòu)的材料性能充分發(fā)揮。
二是上承式貝雷梁鋼棧橋下部結(jié)構(gòu)的整體受力性能要弱于下承式,下部鋼管支撐受力主要集中于中間鋼管,造成該鋼管支撐的應(yīng)力相對(duì)較大,上承式整體變形能力強(qiáng)于下承式。鑒于大件運(yùn)輸作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)的概率較大,使用上承式作為大件運(yùn)輸車通行的臨時(shí)結(jié)構(gòu),需對(duì)下部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及穩(wěn)定性進(jìn)行關(guān)注并優(yōu)化。
三是大件運(yùn)輸下貝雷梁鋼棧橋某一構(gòu)件的連接失效將導(dǎo)致應(yīng)力的快速提升,臨時(shí)貝雷梁鋼棧橋通行大件運(yùn)輸車輛之前需建立檢查制度,以保證通行安全。