钢管桩偏位对钢便桥结构受力的影响分析

张林

摘 要：钢便桥主要有钢结构和桁架结构两种形式，其中桁架形式的钢便桥主要以贝雷片为主要的受力结构。桁架式钢便桥主要采用装配式施工，一般要求贝雷片的竖杆位于钢管桩顶部的分配梁处。但是由于施工现场的不可控因素，无法满足这一要求。本论文以某实际工程为例，通过建立有限元模型，分析钢管桩偏位对贝雷片受力的影响，并针对性的提供加固措施。

关键词：钢管桩;偏位;钢便桥;贝雷片;有限元

0 引言

桥梁施工过程中，经常需要修建钢便桥，以实现便道跨河或者提供操作平台等目的，但是在钢便桥施工过程中，由于钢管桩打桩位置的偏差等原因，常常出现贝雷片的竖杆位置并没有位于钢管桩顶部的双拼工字钢分配梁，在重载作用下，使贝雷片的下弦杆出现较大的应力而存在安全隐患。本论文以实际工程为例，通过MIDAS CIVIL建立有限元模型，分析这种现象对钢便桥强度的影响。

1 项目概况

1.1 现场工况介绍

某下承式提篮钢管拱桥在施工时，由于施工场地条件的限制，需要在河道中架设钢便桥以提供操作平台，其钢便桥的钢桁支架的立柱采用φ630x10 mm圆钢管，纵桥向普通位置间距约为9 m，预留航道位置间距16.5 m;横桥向设置4根，间距为3.5 m、3.3 m、3.5 m。相邻钢管间设置斜撑、横撑，采用φ219x10 mm钢管连接，竖向间距为3.0 m。钢管支架顶横桥向设置两道长12 m的2xI32工字钢作为顶部分配梁，分配梁与钢管之间采取限制相对位移的措施;纵向布置4组共8片贝雷架，贝雷架顶满铺16 mm厚钢板。贝雷梁材质为16Mn钢，其余材料材质均为Q235钢。但是由于施工不可控因素，钢便桥每跨的实际间距为9.295 m+8.483 m+9.348 m+5.784 m+4.190 m+15.605 m +9.365 m+9.840 m+7.918 m+6.160 m导致贝雷片的竖杆并未位于横梁位置。

1.2 荷载分析

钢便桥的架设主要是为了主梁架设提供操作平台，因此荷载主要包含自重和吊车两个部分：（1）自重：从上到下依次包括桥面板、纵向分配梁、横向分配梁、贝雷片、加固杆件、双拼工字钢分配梁等。（2）130 t吊车：先采用两台130 t吊车，单台吊车自重为50 t，考虑配重30 t，支腿纵向间距8.5 m，横向间距8.5 m。吊装构件最大重为34 t，平均每台吊车分摊17 t，吊钩重2 t，吊装时考虑1.2倍的动力系数，即：19*1.2=22.8 t，吊装时总重为：50+30+22.8=102.8 t。吊装时考虑，极限状态认为只有侧向两支腿受力，因此单腿受力为51.4 t，建模时按照单腿60 t计算。

2 建模

运用midas civil软件，对钢管桩偏位和未偏位两种工况建立钢便桥上部结构模型，其中桥面板采用板单元进行模拟，其他杆件建立成梁单元，通过支承边界条件约束整体结构，双拼工字钢与贝雷梁之间、贝雷梁与横向工字钢之间、横向工字钢与纵向工字钢之间以及纵向工字钢与桥面板之间均采用弹性连接进行约束。

3 计算结果

钢管桩偏位和钢管桩没有偏位两种工况下，钢便桥上部结构各个部件的最大应力及最大剪应力结果如表1所示。

计算结果显示，当钢管桩没有发生偏位时，钢便桥上部结构各个部件的应力及剪应力均没有超过各自材料的承载能力。当钢管桩在施工过程中，由于不可控因素发生偏位时，钢管桩顶部的双拼工字钢与贝雷片搭接之处并不在贝雷片的竖杆处，导致此处贝雷片下弦杆的弯矩和剪力急剧增加，从而使此处构件的应力增大，此处下弦杆的最大剪应力为342.5 MPa，超过材料剪应力容许值160 MPa，最大应力为663.3 MPa，超过材料极限容许值275 MPa。

4 加固处理

4.1 加固措施

通过分析计算结果，得知贝雷片的强度超过其强度允许值的主要原因在于两个方面：第一，桥面板上承受的吊车荷载太大，经过纵横向分配梁的传递之后，贝雷片实际承受的荷载远远超过钢管桩偏位这种工况时贝雷片的承载能力;第二，钢管桩偏位，导致下弦杆与双拼工字钢接触位置处产生较大的弯矩，出现明显的应力集中现象，从而使下弦杆的应力超过其极限容许应力。因此本文提出两项针对性的加固措施，即：（1）在双拼工字钢及纵横向工字钢分配梁之间每排增加8根钢管支撑，从而使桥面板的部分荷载直接传递至双拼工字钢，减小贝雷片的受力;（2）在偏位的钢管桩顶部贝雷片的上下弦杆之间增加双拼槽钢，从而减小双屏工字钢与下弦杆接触位置处的弯矩，减小应力集中现象，如图1（a）、（b）。

4.2 加固后计算结果

在原来模型的基础上增加加固的杆件之后，贝雷片下弦杆出现的最大应力由原来的663.3 MPa降低为207.5 MPa，如图2所示，满足贝雷片材料的强度承载能力，说明加固措施具有明显的效果。

5 总结

本文通过MIDAS CIVIL软件建立了钢管桩偏位与两种工况的钢便桥上部结构有限元模型，对比分析了钢管桩偏位对钢便桥上部结构受力的影响，结果显示钢管桩偏位对于贝雷片下弦杆的强度具有显著的不利效應，会急剧增大贝雷片下弦杆的应力，并针对性的提出两项加固措施，具有明显成效。

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