上承式多跨临时桥设计研究

2021-09-08杜力松黄亚新张釜恺

科技创新与应用 2021年24期

杜力松，黄亚新，张釜恺

（陆军工程大学野战工程学院，江苏南京 210007）

桥梁设施的建设在国家的政治、经济和国防建设中具有十分重要的作用，是关乎国家综合发展的命脉工程。近年来，随着我国经济社会的发展，桥梁设施的建设呈现出越来越繁荣的局面，道路交通网络对其的依赖性也越来越强。桥梁往往是道路交通网络中的咽喉与枢纽，然而在历次大灾大难面前，众多民用桥梁损毁严重，震后的交通网络趋于瘫痪。因此，震后快速启动应急抢险预案，进而制定合理的施工组织方案，实现桥梁的快速架设与抢通任务艰巨、意义重大。

开展上承式多跨临时桥设计研究，可以缩短制定抢通方案的时间，提高施工组织方案的针对性，最终提高抢通的效率，具有前瞻性和实用性。是震后桥梁设施抢通的基础和保障，能大大提高抢通的效率，保证顺利完成救援任务[1]。

经过若干年的发展，我国在公路桥梁规范、准则的制定已经相当完备，交通部、建设部等部门先后出台了一系列有关桥梁设计、施工的规范、准则，为国内桥梁建设提供了有力的理论支撑。1993年，原建设部颁布了《城市桥梁设计准则》（CJJ 11-93），该设计准则对城市桥梁的设计和规划横断面布置管线、车辆荷载、人群荷载、建筑艺术处理等作出了规定[2]。1998年，原建设部颁布了《城市桥梁荷载设计标准》（CJJ 77-98），对城市桥梁荷载标准作出了规定[3]。2000年，《公路桥涵施工技术规范》（JTJ 041-2000）颁布，该规范对提高我国公路桥梁施工的技术水平、规范施工工艺、保证工程质量起到了重要作用[4]。2004年，原交通部颁布了《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004），对公路桥涵的建筑界限作了修改，增加了汽车专用公路桥涵的有关规定，对桥涵设计洪水频率作了局部改动，对桥涵设计的布载规则作了补充[5]。2007年，原交通部颁布了《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007），修改了地基土的分类及工程特性的有关规定、公路桥涵浅基础设计的有关规定、冻土地区基础设计的有关规定，完善了桩基础设计的有关规定，补充了后压浆设计等成熟的先进技术，新增了地下连续墙设计等内容[6]。2011年，原交通部颁布了《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50-2011），新增了“扩大基础、承台与墩台”“海洋坏境桥梁”“安全施工与坏境保护”“工程交工”等4个章节，对原规范的附录和术语进行了删减和修订[7]。2015年，交通运输部发布了《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015），增加了桥涵结构的设计使用年限和耐久性要求，完善了极限状态的设计理论和方法，改进了作用组合分类及计算方法，调整了公路桥梁设计汽车荷载标准[8]。2020年，《公路桥涵施工技术规范》（JTGT 3650-2020）颁布，在总结桥涵工程施工实践经验并借鉴国外先进技术标准的基础上，吸纳技术成熟、工艺先进、经济合理、安全环保、节能减排的“四新”技术，更好体现“安全、耐久、环保、节能减排、可持续发展”的桥涵工程建设理念[9]。

本文结合现实生活中钢便桥工程实例，研究利用321型装配式公路钢桥制式器材快速架设上承式临时桥梁，保障交通线的畅通。主要研究了上承式临时桥梁架设时需要解决的若干关键技术，提出了桥梁结构总体设计方案，绘制了桥梁总体设计图纸；完成了设计计算说明书；建立了迈达斯有限元分析模型，并且与理论计算结果进行了比对分析，验证了该设计方案可行性；制定了施工方案部署，为灾后抢险救灾和重建提供决策支持。

1 桥梁结构总体设计

设计任务：障碍宽度40m，桥面宽度10m，沙质粘性土，土壤的容许压应力取180kN/m2，设计荷载为公路一级荷载，双车道并双人行道，快速架设。

1.1 总体设计方案

将该临时性桥梁设计为上承式、三跨、双车道（15+12+15）的形式，桥面宽度约为10m。

（1）从快速架设的角度出发，主桁采用“制式”的12片321型装配式公路钢桥器材，主桁之间设置横向连接系材，横向连接系材为制式90支撑架。

（2）桥面系简化设计，省去横梁、纵梁，采取直接密布15×15cm方木的形式，而后在上面加盖8mm花纹钢板，既减轻了桥面自重，又简化了施工作业，满足了快速架设的需求。

（3）桥端部需要清理出一定的作业场地，端支座附近地面夯实，以满足地基承载力的需求；桥台采用石砌挡墙的形式，宽1m，高1.8m，长12m。

（4）中间桩采用吊车悬挂震动钢管桩的方案，每架设一跨再打另一排桩，每排4孔，共需两排；钢管桩采用Φ720×8mm焊接螺旋钢管桩。

（5）在桥头显著位置设置适当的限速及允许通过荷载标志，在桥头及跨中设置照明装置，并布设栏杆。

1.2 方案设计图纸

1.2.1 立面图（见图1）

图1 321型装配式公路钢桥上承式临时桥梁立面图

1.2.2 横断面图（见图2）

图2 321型装配式公路钢桥上承式临时桥梁横断面图

1.2.3 端部构造图（见图3）

图3 321型装配式公路钢桥上承式临时桥梁端部构造图

1.2.4 俯视图（见图4）

图4 321型装配式公路钢桥上承式临时桥梁俯视图

1.2.5 横向连接系布置图（见图5）

图5 321型装配式公路钢桥上承式临时桥梁横向连接系布置图

2 设计计算

设计荷载：公路一级荷载。

2.1 主桁架设计计算

2.1.1 主桁架弯矩计算

公路一级车道荷载的均布荷载标准值为qk=10.5kN/m，集中标准荷载按以下标准选取：桥梁计算跨径小于或等于5m时，Pk=180kN；桥梁计算跨径等于或大于50m时，Pk=360kN；桥梁计算跨径在5~50m之间时，Pk值采用线性内插求得。计算剪力效应时，Pk的值应乘以1.2[10-14]，见图6及表1。

表1 车辆荷载的主要技术指标

图6 集中荷载与均布荷载示意图

该上承式总长42m，分三跨（15+12+15），桥梁共布置12片321型装配式公路钢桥主桁，主桁间距0.9m，桥面宽约10m。上部结构密布150×150mm方木，加盖8mm花纹钢板。

在计算主桁内力时，简化为简支梁体系。由于各跨之间会有相互约束作用，则按简支梁计算时会更加保守。

则单片桁架由静载产生的弯矩为：

保守认为车道荷载由3排桁架承担，不均匀系数为1.2；

有：M=M0+M1=57.0+512.0=569.0kNm<[M]=788.2kNm。

所以主桁的弯矩在许可范围内，满足要求。

2.1.2 主桁架剪力计算

利用在计算弯矩过程中的部分结果，有剪力计算如下[10-14]：

所以主桁的剪力在许可范围内，满足要求。

2.1.3 主桁架挠度计算

主桁架由结构自重产生的弹性挠度[10-14]：

主桁架由静活载产生的弹性挠度：

主桁架非弹性挠度：

用累加法计算非弹性挠度：

综上：f=f1+f2+f3=1.1+7.4+12.0=20.5mm，

2.1.4 弦杆最大应力计算

车轮集中载产生的应力计算[10-14]：

上弦杆计算长度l=70.5cm，上弦杆W＝79.4cm3，P=

上弦杆局部弯曲应力为：

上弦杆轴向力产生的应力计算：

σ＝σ1＋σ2＝54.4+159.5=213.9MPa<[σ]=0.9σs=315MPa，满足要求。

2.2 桥面系、桥脚、桥台、附属设施设计计算

桥面系、桥脚、桥台、附属设施的设计计算[10-15]结果详见表2。

表2 桥面系、桥脚、桥台、附属设施设计计算

3 MIDAS有限元分析

3.1 建立模型

按照以下步骤建立模型[16-18]：（1）定义材料和截面；（2）建立模型；（3）添加边界条件；（4）输入自重荷载；（5）输入移动荷载；（6）分析数据；（7）运行结构分析；（8）查看结果。

3.2 MIDAS有限元分析结果

3.2.1 结构自重弹性挠度

经MIDAS有限元分析，结构自重产生的弹性挠度为：f1=1.06mm，见图7。

图7 MIDAS有限元分析-结构自重产生的弹性挠度

3.2.2 活载弹性挠度

活载产生的弹性挠度为：f2=8.46mm，见图8。

图8 MIDAS有限元分析-活载产生的弹性挠度

3.2.3 上弦杆组合应力

上弦杆局部应力最大值为：σmax=177MPa<[σ]=0.9σs=315MPa，满足要求，见图9。

图9 MIDAS有限元分析-上弦杆组合应力

3.2.4 横向连接系受力

横向连接系应力最大值为：σ＝94MP a<[σ]=188MPa，满足要求，见图10。

图10 MIDAS有限元分析-横向连接系受力

3.2.5 方木应力

经MIDAS有限元分析，方木弯曲应力为：σ＝8.4MP a<[σw]=14.5MPa，满足要求，见图11。

图11 MIDAS有限元分析-方木应力

3.3 有限元分析结果与理论计算结果对比分析

由表3得：（1）理论计算结果与MIDAS有限元分析结果，两者都满足设计要求；（2）计算过程中获得的结果均是按最不利情况计算得出，结构主要控制参数与容许值有一定差距，结构设计偏于安全、保守，如有需要，可进一步简化设计，以降低成本；（3）自重产生的挠度、方木应力这两项内容相对误差均较小，一定程度上反映了有限元模型建立的准确性、可靠性，而有限元模型分析结果又进一步佐证了该设计方案的可行性，为施工的可行性提供重要的数据支持，为施工组织决策提供重要的理论支撑。