铝合金箱式模块组合桥结构及承载能力分析

梁进军 李志刚 王广政

（解放军理工大学 南京 210007）

近年来我国自然灾害频发，其中地震灾害常常造成严重人员伤亡，引起道路坍塌、桥梁损毁，致使交通受阻［1］。目前大多数道路桥梁抢通抢建应急保障装备的通载能力较强，但因其自重较大，在地震灾害发生后其机动性受到限制，而抗震救灾时一般急需通往灾区的物资运输车辆、救援装备荷载等级较低，这就使得现有应急交通保障装备特别是桥梁保障装备难以发挥作用［2－4］。

针对上述情况，本文设计一种适用于抢险救灾的道路桥梁应急抢通箱式模块，模块为封闭式结构，其外部横向、纵向均设置连接器。通过连接器，模块可以根据抢通需要快速拼组满足特定功能要求的结构系统。箱式模块以拼装为车辙式应急桥跨越道路障碍、实施道路桥梁应急抢通为主要用途，此外还可拼组临时简易桥墩、水上施工平台和简易浮桥，具有一物多用的功能［5］。

1 箱式模块桥结构

1.1 桥节单元

箱式模块拼组车辙式箱梁桥保障灾害发生后抢险救援人员和救灾车辆第一时间能赶到现场，确保生命线通道的通行。根据应急抢通工程的特点与应用实际，确定箱式模块拼组成车辙式箱梁桥主要技术参数为：设计通行荷载：公路二级；单跨最大跨径：20m。

箱式模块重量需要控制在人力操作范围之内，传统的钢材难以满足设计需要。铝合金作为一种新兴材料，由于相对密度小、比强度高、无磁性，以及良好的加工成型性能，被广泛应用于各种焊接产品之中［6］。该模块主体结构选用6061－T6铝合金材料。

根据箱式模块的应用实际，从模块的制造、运输、拼装等因素综合考虑，设计其外观尺寸为2 000mm×900mm×800mm（长×宽×高），见图1。模块纵向端部上下各布置3组单双耳连接构件，见图2；横向两侧上部各布置2组单双耳连接构件，采用单销连接，见图3；横向下部采用竖向单孔结构，见图4。

图1 箱式模块总体结构

图2 箱式模块纵向连接件结构

图3 上部单双耳横向连接器

图4 下部丙丁接头横向连接器

1.2 车辙式箱梁桥架设单元

（1）横向连接梁。横向连接梁是连接2个车辙的独立单元，以提高全桥的整体性。每2个箱式模块通过2个横向连接梁连接成组，箱式模块纵向相连构成车辙。见图5，横向连接梁采用Q235合金钢，上部通过单销与箱式模块侧面的横向连接单双耳构件相连，下部为丙丁接头连接。

图5 横向连接梁模型图

（2）导梁。导梁是车辙式箱梁桥的架设机构，见图6，每节导梁单元长2m，采用Q235合金钢，上侧设置槽钢，下端两侧各设置槽钢，呈三角结构，导梁单元之间采用单销连接。

图6 导梁单元模型图

横向连接梁上部布置的滚轮可在导梁上部槽内滚动，下侧2导轮可沿导梁下侧槽型构件翼缘滚动。

1.3 桥跨拼组与架设

2个箱式模块通过2个横向连接梁构成一个推送单元（见图7），通过导梁实现推送架设，见图8。图9是模块的实际架设。

图7 推送组示意图

图8 架设示意图

图9 实地架设的箱式模块桥

2 车辙式箱梁桥结构性能模拟分析

在MIDAS／Civil中按照实际尺寸建立模型，利用有限元软件进行初步分析研究。模拟分析车辙式箱梁桥在设计荷载静态最不利工况作用下的挠度、结构的频率特性，以及移动荷载作用下的动力响应，为确定车辙式箱梁桥的安全使用条件提供参考依据。

箱式模块主梁、次梁、横隔板均采用梁单元建立模型，支撑端柱采用桁架单元，面板采用板单元。有限元模型中对于箱式模块的纵向连接接头，根据连接单耳板厚度建立实腹矩形截面梁单元，采用释放梁端约束功能模拟铰接，横向连接系上部与箱式模块的单销连接做同样处理，下部丙丁接头的连接处理为释放竖直方向的约束。整桥模型见图10。

图10 车辙式箱梁桥整体结构模型

2.1 车辙式箱梁桥弹性挠度分析

模拟计算可得，整桥在设计荷载作用下，沿Z轴方向跨中最大位移为99.6mm，整桥变形形状示意见图11。

图11 整桥沿Z轴方向位移示意图

由以上分析计算可知，模拟计算得到整桥在设计荷载最不利作用位置作用下弹性挠度f＝99.6mm，在此条件下静止活荷载产生的弹性挠度相对值：

对临时和短期通行的钢桥来说，挠度满足要求。

2.2 车辙式箱梁桥模态分析

车辙式箱梁桥是简支体系，将梁的两端按两端简支条件施加约束。增加频率数量可以提高结果的精确性，但所需的分析时间会很长，而且高阶模态对结构的动力反应的影响不是很大，针对本设计模型考虑到前4阶模态。表1列出了前4阶的模态频率，相应的振型见图12。

表1 车辙式箱梁桥前4阶自振频率

国内外大量车辆振动试验表明，重载车辆的基频主要集中在2.5～3.5Hz之间［7］，分析得到车辙式箱梁桥第一阶频率为6.19Hz，因此，在车辆通行时，一般不会发生共振效应使得桥梁结构失效。

图12 车辙式箱梁桥振型图

车辙式箱梁桥最易发生的变形是竖直方向的弯曲，以及2车辙沿竖直方向的错位。其中1阶振型为竖直方向振动，从第2阶振型开始出现正弦形状的竖直方向振动，说明车辙式箱梁桥横向刚度较好。

3 结语

铝合金箱式模块桥具有重量轻，架设灵活的优点，但其承载力是关注的重点。本文通过对箱式模块拼组的车辙式箱梁桥结构模拟分析，得到车辙式箱梁桥在设计静止活荷载作用下的弹性挠度，符合相关规范，通过模态分析得到车辙式箱梁桥的自振频率特性及振型，为车辙式箱梁桥的应用提供参考依据。分析表明，铝合金箱式模块桥可以通行汽－15车辆荷载，完全可以满足一般性车辆的通行需求。

［1］杨喜凯，李聚轩，王传义，等.灾后公路交通基础设施功能快速恢复研究［J］.国防交通工程与技术，2009（1）：7－8.

［2］胡立成，赵世宜.重大地质灾害公路军事运输保障研究［J］.国防交通工程与技术，2009（4）：31－33.

［3］张孝伦，张瑜洁.汶川地震抢修与保畅主要措施［J］.武汉工业学院学报，2009（3）：35－49.

［4］庄卫林，蒋劲松.四川公路桥梁震后抢通、保通及恢复技术［J］.西南公路，2010（2）：33－35.

［5］尹永升，李志刚，李 聪.道路应急抢通多用途箱式模块设计构思与应用探究［J］.国防交通工程与技术，2013，11（4）：28－30.

［6］吴 芸，张其林，俞宝达.纵向焊接铝合金柱构件承载力试验研究及数值分析［J］.力学季刊，2011（3）：418－420.

［7］宋一凡.公路桥梁动力学［M］.北京：人民交通出版社，2000.