陳小峰,邵 飛,徐 倩,白林越,高 岳
(陸軍工程大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院,江蘇 南京 210007)
我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,為橋梁建設(shè)事業(yè)的發(fā)展提供了良好的條件。橋梁事業(yè)的發(fā)展是確保社會(huì)生產(chǎn)和生活正?;幕緱l件之一。架設(shè)大跨徑橋梁在抗震救災(zāi)等工程保障活動(dòng)中起著先行作用,它是實(shí)現(xiàn)成功搶險(xiǎn)救災(zāi)的必要條件,直接為救災(zāi)人員和物資的輸送、被困人員的安全轉(zhuǎn)移服務(wù),是作戰(zhàn)工程保障的重要組成部分。因此,架設(shè)大跨度橋梁的任務(wù)特別是在地震、特大洪水、泥石流、冰雪等惡劣條件下的正常通車顯得尤為重要。研究如何快速架設(shè)大跨徑預(yù)應(yīng)力裝配式鋼橋?qū)焖贀岆U(xiǎn)救災(zāi)行動(dòng)具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。
“ZB-200 型裝配式公路鋼橋”是依據(jù)交通部交通戰(zhàn)備辦公室交戰(zhàn)備字[2002]22 號(hào)文下達(dá)的科研任務(wù)書研制的新型裝配式公路鋼橋,是我國(guó)本世紀(jì)國(guó)防交通戰(zhàn)備基本的制式橋梁器材。ZB-200 型鋼橋是一種可拆裝的下承式橋梁,由單銷將若干桁架單元連接成橋梁的承重主梁,用橫梁和橋板組裝成橋面結(jié)構(gòu)。該器材標(biāo)準(zhǔn)化程度高、互換性強(qiáng),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用靈活、拆裝方便、載重量大、適應(yīng)性好、全部構(gòu)件采用普通汽車運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)[1]。該器材結(jié)合國(guó)內(nèi)、外近年來(lái)在裝配式橋梁領(lǐng)域的最新發(fā)展和研究成果,按照我國(guó)交通戰(zhàn)備發(fā)展的實(shí)際需求,體現(xiàn)了“平戰(zhàn)結(jié)合,軍民兼用”的設(shè)計(jì)思想,較好地解決了我國(guó)原321 鋼橋雙層架設(shè)不方便、車行道寬度偏小、承載能力不足等問題。ZB-200 型鋼橋采用的接頭燕尾形抗疲勞結(jié)構(gòu)、橋板降載剪力銷、螺母套固定技術(shù)等創(chuàng)新技術(shù),明顯提高了橋梁的疲勞壽命,優(yōu)化了橋面結(jié)構(gòu),方便了橋板固定,提高了承載能力。朱永焯等人[2]為解決321 型裝配式公路鋼橋承載力不足、橋面較窄、疲勞壽命較低等問題,對(duì)ZB-200 型裝配式公路鋼橋進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。陳雙聰?shù)热薣3]以搶通毀于汶川地震的徹底關(guān)大橋?yàn)楸尘埃槍?duì)321 鋼橋和ZB-200 型鋼橋架設(shè)跨徑過小問題,提出對(duì)ZB-200 型裝配式公路鋼橋進(jìn)行預(yù)應(yīng)力技術(shù)改造,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的預(yù)應(yīng)索、撐桿和錨箱。黃海棠等人[4]在介紹貝雷梁錯(cuò)孔撓度現(xiàn)有計(jì)算方法的基礎(chǔ)上,提出了基于幾何學(xué)的貝雷梁錯(cuò)孔撓度計(jì)算新方法,并用算例驗(yàn)證了新方法的可靠性。
設(shè)計(jì)任務(wù):障礙寬度80m,快速架設(shè)臨時(shí)性橋梁,保障履帶式荷載50t,輪式軸壓力13t 以下的裝備和車輛迅速克服河川、斷橋、溝谷等障礙,以實(shí)現(xiàn)道路的搶通。
本設(shè)計(jì)將采用懸臂推送法架設(shè),架設(shè)的關(guān)鍵在于導(dǎo)梁的設(shè)計(jì),通過改變導(dǎo)梁橫截面的形式,實(shí)現(xiàn)橋梁的架通。采用的桁架截面形式主要包括以下幾種形式,即單排單層(SS)、單排單層加強(qiáng)型(SSR)、雙排單層加強(qiáng)型(DSR)、三排單層加強(qiáng)型(TSR)、三排雙層加強(qiáng)型(TDR,如圖1 所示)[5-6]。
圖1 三排雙層加強(qiáng)型(TDR)
根據(jù)桁架不同截面的容許彎矩[M]和容許剪力[Q]進(jìn)行試算,并運(yùn)用MIDAS 軟件進(jìn)行有限元分析,確定懸臂推送法架設(shè)所用導(dǎo)梁形式為:8 節(jié)單排單層(SS),6 節(jié)單排單層加強(qiáng)型(SSR),5 節(jié)雙排單層加強(qiáng)型(DSR),4 節(jié)三排單層加強(qiáng)型(TSR),4 節(jié)三排雙層加強(qiáng)型(TDR)。導(dǎo)梁總體方案如圖2 所示。
圖2 導(dǎo)梁總體設(shè)計(jì)方案
本設(shè)計(jì)采用邊拼裝邊推送的方法進(jìn)行,需要對(duì)懸臂推送架設(shè)過程中桁架推出穩(wěn)定校核進(jìn)行計(jì)算,本設(shè)計(jì)將導(dǎo)梁的計(jì)算分為兩個(gè)階段進(jìn)行。表1、表2 為計(jì)算中涉及的相關(guān)參數(shù)表。
表1 桁架容許內(nèi)力(半邊橋)
表2 ZB-200 型裝配式橋每橋節(jié)(3.048m)重量P
圖3 導(dǎo)梁未達(dá)到對(duì)岸搖滾階段
1.3.1 桁架變截面處彎矩、剪力驗(yàn)算
SS-SSR 截面彎矩M1,剪力Q1;SSR-DSR 截面彎矩M2,剪力Q2。
DSR-TSR 截面彎矩M3,剪力Q3;TSR-TDR 截面彎矩M4,剪力Q4,具體參數(shù)見表3。
表3 桁架變截面處彎矩、剪力驗(yàn)算
1.3.2 橋跨懸出端穩(wěn)定性驗(yàn)算以我岸搖滾為矩心,橋跨懸出端靜載產(chǎn)生傾覆力矩(M傾),搖滾之后拼裝的橋跨靜載所產(chǎn)生穩(wěn)定力矩(M穩(wěn))。不致傾覆,須滿足M穩(wěn)>1.3M傾,見表4。
表4 橋跨懸出端穩(wěn)定性驗(yàn)算
1.3.3 主桁下弦桿受局部彎曲的強(qiáng)度驗(yàn)算
采用懸臂推送法架設(shè)時(shí),由于導(dǎo)梁和橋跨不斷向前推出,搖滾支撐位置不斷發(fā)生變化,橋跨承受的支反力和計(jì)算彎矩都不斷變化,下弦桿受到搖滾的集中反力產(chǎn)生局部彎矩和懸出端的負(fù)彎矩的作用,下弦桿有可能發(fā)生局部失穩(wěn)。驗(yàn)算時(shí),就下弦桿而言,當(dāng)懸出端將到達(dá)對(duì)岸,但尚未搭上對(duì)岸搖滾時(shí),此時(shí),懸出端跨度最大且我岸搖滾正好在主桁下弦節(jié)點(diǎn)之間,下弦桿件受局部彎矩最大,最有可能發(fā)生失穩(wěn)。
假設(shè)每岸設(shè)置4 個(gè)搖滾,通過軟件計(jì)算可得我岸每個(gè)搖滾的最大支反力R=452.64kN,顯然每個(gè)搖滾支反力大于其承載力250kN。故需要設(shè)置平衡梁組件以減小每個(gè)搖滾的支反力。所以分擔(dān)到每個(gè)搖滾的反力R=226.32kN,而一個(gè)搖滾上有3 個(gè)滾輪,則每個(gè)滾輪上承受的力為1/3R,即75.44kN。
由圖4 得,滾輪的作用力不在下弦桿兩節(jié)點(diǎn)的中心處,但計(jì)算時(shí)將其看做在中心處,使弦桿偏安全。
圖4 我岸搖滾平衡梁組件示意圖
查表得弦桿2-[10 得:Wx=79.4cm3,A2=25.48cm2,Ix=396.6cm4,示意圖見圖5。
圖5 加強(qiáng)弦桿慣性矩示意圖
所以,下弦桿的局部彎矩滿足要求。
式中:N-弦桿軸向壓力;l-弦桿節(jié)點(diǎn)間距;h-主桁高度;M-支反力產(chǎn)生的局部彎矩;M0-支反力產(chǎn)生的簡(jiǎn)支梁的最大彎矩。
1.3.4 橋跨懸出端的撓度計(jì)算
用懸臂推送法架設(shè)時(shí),由于導(dǎo)梁自身的重量,橋跨懸出端產(chǎn)生彈性撓度f(wàn)彈和非彈性撓度f(wàn)非彈。假定懸臂端在我岸搖滾處為固定端,則:
通過計(jì)算得:TSR-TDR 截面因非彈性撓度產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角為4θ=9.36×10-4rad。
通過結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器求得:TSR-TDR 截面因彈性撓度產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角為0.00286rad。
式中:θ-連接銷轉(zhuǎn)角;L-每節(jié)桁架長(zhǎng)度;lSS、lSSR、lDSR、lTSR、lT-DRL-SS、SSR、DSR、TSR、TDR 型桁架長(zhǎng)度;q-桁架每縱長(zhǎng)米等效靜載;lSS、lSSR、lDSR、lTSR、lTDR-SS、SSR、DSR、TSR、TDR型桁架截面的慣性矩;Δ-銷孔間隙,取0.5mm。
1.3.5 架設(shè)連桿的設(shè)計(jì)計(jì)算
由于導(dǎo)梁自重產(chǎn)生的撓度和對(duì)岸可能高于我岸,使導(dǎo)梁低于對(duì)岸搖滾,無(wú)法搭接上,因此必須在導(dǎo)梁下適當(dāng)位置安裝架設(shè)連桿,使導(dǎo)梁前端翹起獲得一定抬高,以保證順利搭接對(duì)岸搖滾。架設(shè)前首先平整場(chǎng)地,盡量使使兩岸的高差為0。我岸搖滾的高度為754mm,對(duì)岸搖滾的高度為346mm,懸出端的撓度為3.16m。
每個(gè)架設(shè)連桿前最多可接四節(jié)桁架。所以,為使懸出端能順利搭接對(duì)岸搖滾,需使導(dǎo)梁前四節(jié)翹起的高度h滿足:h>3.16-(0.754-0.346)=2.752m,參數(shù)見表5。
表5 架設(shè)連桿位置及前端翹起高度
設(shè)計(jì)中,分別在第一節(jié)與第二節(jié)、第三節(jié)與第四節(jié)之間、第四節(jié)與第五節(jié)之間設(shè)置架設(shè)連桿。導(dǎo)梁的架設(shè)連桿設(shè)計(jì)如圖6 所示。
圖6 架設(shè)連桿設(shè)計(jì)
則翹起高度為:h=2.72+0.4=3.12m>2.752m。所以,架設(shè)連桿設(shè)計(jì)符合要求。
當(dāng)導(dǎo)梁搭接到對(duì)岸時(shí),為減小對(duì)岸搖滾的支反力同時(shí)考慮架設(shè)場(chǎng)地的限制,采用每推出一段拆掉一段導(dǎo)梁的方法進(jìn)行架設(shè)。通過初步試算可知,當(dāng)TDR 搭接對(duì)岸時(shí),橋跨結(jié)構(gòu)對(duì)對(duì)岸每個(gè)支座產(chǎn)生的壓力最大,最大值為443.81kN,設(shè)置兩個(gè)搖滾,每個(gè)搖滾分擔(dān)的支反力為221.91kN,小于其允許承載力250kN,所以,對(duì)岸一共設(shè)置4 個(gè)搖滾滿足要求(每半邊橋設(shè)置2 個(gè))。
滾輪的作用力不在下弦桿兩節(jié)點(diǎn)的中心處,但計(jì)算時(shí)假定滾輪作用于桿件中心處,使弦桿偏安全。
具體示意圖及驗(yàn)算見表6、圖7。
表6 導(dǎo)梁接觸對(duì)岸搖滾推送階段驗(yàn)算
圖7 對(duì)岸搖滾作用位置示意圖
如圖8 所示。
圖8 架設(shè)流程
滾座分為搖滾和平滾兩種,根據(jù)勘測(cè)時(shí)的選線來(lái)確定搖滾和平滾的位置,進(jìn)行滾座的安裝。搖滾安置在我岸與對(duì)岸的岸邊,我岸的搖滾也稱為架設(shè)滾用于橋梁的推出;對(duì)岸的搖滾也稱為落地滾用于橋梁的上岸。通過計(jì)算,確定我岸為帶平衡梁搖滾,對(duì)岸為不帶平衡梁的搖滾。平滾安置在我岸搖滾之后,用于支承橋梁和減小橋梁在推出過程中的阻力。滾座的設(shè)置如圖9-11 所示。
圖9 平滾布置
圖10 我岸帶平衡梁的搖滾布置
圖11 對(duì)岸不帶平衡梁的搖滾布置圖
第1、2 橋節(jié)拼裝分別如圖12、13 所示。
圖12 第1 橋節(jié)拼裝
圖13 第2 橋節(jié)拼裝
DSR 結(jié)構(gòu)的拼裝分別如圖14-16 所示。
圖14 DSR 結(jié)構(gòu)第1 橋節(jié)拼裝
圖15 DSR 結(jié)構(gòu)第2 橋節(jié)拼裝(一)
圖16 DSR 結(jié)構(gòu)第2 橋節(jié)拼裝(二)
橋梁落橋如圖17 所示。
圖17 落橋示意圖
本研究主要探討了利用ZB-200 型裝配式公路鋼橋架設(shè)跨徑大于80m 的預(yù)應(yīng)力橋梁過程的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。進(jìn)行了架設(shè)大跨徑橋梁的總體方案設(shè)計(jì)計(jì)算;采用懸臂推送法架設(shè),區(qū)分導(dǎo)梁懸出狀態(tài)的兩個(gè)階段,對(duì)桁架結(jié)構(gòu)彎矩、剪力、懸出端穩(wěn)定性、下弦桿的局部彎曲強(qiáng)度、懸出端的撓度進(jìn)行了驗(yàn)算;設(shè)計(jì)了大跨徑橋梁架設(shè)的作業(yè)方法與組織,繪制了架設(shè)作業(yè)圖紙。對(duì)于擴(kuò)大現(xiàn)有裝備的使用范圍,提高大跨度江河應(yīng)急保障能力具有重要現(xiàn)實(shí)意義。