地铁基坑临时钢便桥受力状态研究及优化设计

高智鑫

（中电建铁路建设投资集团有限公司，北京 100070）

0 引言

城市地铁建设过程中，为缓解繁忙的地面交通压力，贝雷梁式临时钢便桥因其方便快捷、成本低廉、安全可靠等优点，已越来越成为地铁施工交通疏解的一种通用方法。国内外对贝雷梁本身结构的受力特点已做了成熟的研究，但是鲜有对于地铁施工围护桩兼做桥桩的钢便桥上下部结构共同受力互相影响的研究。贝雷梁刚度及强度储备量大，可作为临时结构的优先选项［1］，目前多数设计依据容许应力法及施工偏保守，施工过程中对加强杆件、桥梁变形缝设置等技术要点把控不到位。因此文中以工程实例为依托，以监测数据为指导，以建立Midas有限元模型及数值计算方法为核心手段，从研究变形缝出发，逐步深入的研究梁片横向间距、特殊杆件加强、支座沉降、结构形式对桥梁内力的影响，分析地铁基坑钢便桥受力状态，对原设计方案提出优化措施，推广到多跨钢便桥结构中并得出相应结论。这是一种新的尝试，也具有一定的科研和应用价值。

1 工程概况

1.1 原设计方案

文中依托的工程为郑州地铁银屏路站交通疏解所用贝雷梁临时钢便桥，为桥桩兼做围护桩体系，跨度20m，钢便桥采用321式贝雷梁（横向布置间距0.45m，每两片梁片用花架连为一组），取城市-A级荷载考虑。所处地层主要为黏质粉土、粉砂，地下水位埋深在8～10m，车站主体围护结构采用1000@1500mm钻孔灌注桩+内支撑形式。钢便桥于2020年11月架设启用，于2021年7月底拆除，使用期间温差较大。

1.2 对原设计定性分析

桥梁一般设变形缝，起缓冲外部冲击力、适应桥梁温度应变，减小温度应力等作用，设计未设置变形缝，初步分析钢便桥因升温变形受到约束，线膨胀系数为k=1.2e-5/℃，20m跨径温度高30℃，产生的变形最大为 ΔL=kLΔt=7.2mm，产生的应力为 σ=EΔL/L=74MPa，会产生较大温度应力，对桥梁受力产生不利影响；考虑到不设变形缝时，因桥梁计算结构体系变为超静定结构，有利于减小内力提高桥梁刚度，对结构受力有利。临时钢便桥不考虑地震等偶然荷载，因此定性分析无法判断，需要建模计算确定。

基坑围护桩未嵌入持力层，作为桥桩受力时按摩擦桩分析，若在上部结构荷载作用下其沉降量过大，将会影响桥梁的使用安全，因此有必要进行沉降分析。

2 上部结构分析

2.1 贝雷梁特性及建模原则

贝雷片由单元桁架销接而成，单元之间完全靠销钉传力，经查阅资料及现场试验，确定销钉连接在有限元模型中模拟为铰接较为合理［2］，单元桁架主要由上下弦杆、中间竖杆及斜杆用螺栓或焊接为整体，为内部超静定结构，多片单元桁架拼接成贝雷梁片再沿横向分布，横向通过联系梁连接以形成整体共同受力［3］。其结构形式如图1所示。

图1 贝雷片结构（单位：mm）

根据实际情况，弦杆腹杆模拟为梁单元；贝雷片内部节点为焊接，模拟为刚节点；单元之间为销钉连接模拟为铰接，具体操作为释放两端约束。橡胶支座采用节点弹性支承；荷载暂只考虑温度、车辆行人、结构自重，并进行荷载组合。设置变形缝时梁端按自由节点处理，不设变形缝时梁端节点处设为只受压节点弹性支承。

2.2 贝雷梁建模分析

按上述原则及原设计方案分别建立设变形缝及不设变形缝钢便桥模型如图2所示。

图2 钢便桥模型

建立模型后进行钢便桥整体及局部稳定性分析均满足要求，杆件应力及变形数据如表1所示。

表1 考虑温差作用时有无伸缩缝对钢便桥刚度强度的影响（加强弦杆）

根据文中上述分析可以得出：

不设变形缝，受力后能使跨中弦杆的应力减小约30MPa，支座竖杆的应力变化不大；但温差作用下产生额外次应力55MPa，但能使挠度由28mm降低到19.9mm。

由于模型未考虑抗震及车辆制动荷载，最后施工时在梁端部采用半刚性措施，介于两者之间，即现场抄垫+15mm厚木模板。

2.3 桥梁监测

为验证模型计算数据合理性同时确保桥梁使用安全，进行应力应变监测，监测点布置见图3。

图3 钢便桥应力监测布置

钢桁架梁应力可按下面公式进行。

式中，p为钢桁架梁应力；k为传感器的标定系数；f0为传感器在支撑受力前的初始自振频率；f为应力计在某一荷载时测量的自振频率。采集监测数据并计算分析结果见表2。

表2 桥梁应力监测

得出在荷载及温度作用下，实测监测数据与模型计算数据基本吻合。

3 下部结构分析

下部结构为围护桩兼做桥桩结构，模拟为支撑式支挡体系与摩擦型桥桩的复合受力体系［4］，简化结构形式见图4。

图4 结构受力

基坑内侧土压力ps=ksv+ps0；ps0为初始分布土压力；v为土体压缩的水平位移值；桩身土体摩擦刚度系数k=C0A0，C0=m0h，可查表带入公式［5］，按上述公式计算土压力、钢支撑混凝土支撑弹性刚度、土体摩擦刚度等，建立Midas受力模型，将上部结构分析中的支座反力按节点力施加到下部结构模型中。进行荷载组合并运行分析后，得出桩顶沉降值为8.55mm，在设计允许范围内，与监测数据吻合，后续分析可以直接使用此结果。

4 方案优化

钢便桥杆件材料为Q345钢，［σ］=210MPa［6］，根据前面计算结果，最大弦杆应力为118MPa，其他杆件应力也普遍偏低，设计偏保守，材料利用率不高，从更换加强型弦杆为普通弦杆；加强部分薄弱杆件；加大梁片横向间距几方面进行优化，如表3所示。

表3 优化梁片间距及部分杆件

方案优化为450+900普通弦杆加强竖杆，能满足使用要求。

5 推广应用

经建模分析及优化过程研究，在地铁基坑围护桩兼做桥桩体系中，单跨20m钢便桥受力合理，结构安全可靠，但当跨径超过20m时，应力及挠度值即将超限，为了推广应用到更宽的基坑，现研究当跨径40m

（1）L<20m，采用450+900普通弦杆加强竖杆；

（2） 20m

（3） 40m

6 结语

从研究临时钢便桥变形缝对其结构受力的影响出发，充分考虑温差及围护桩沉降等因素，依次对上部结构、下部结构进行分析，得出如下结论：

（1） 围护桩兼做桥桩结构体系在临时交通疏解的应用能满足受力需要。

（2） 在使用环境温差较大的地区设置变形缝对钢便桥受力影响较大，通过研究，采用半刚性缝能有效减小温度应力同时能保证挠度不超限。

（3） 通过调整梁片间距、加强部分杆件能在保证桥梁本身安全可靠的前提下大幅提高材料利用率、节约成本。