基于Midas的贝雷梁钢便桥设计与验算

李郁林 成滢 封斌

摘要：为研究贝雷梁钢便桥的上部结构及下部结构的结构受力特性，采用有限元软件Midas/Civil对某贝雷梁加钢管柱钢便桥进行建模分析，得到分配梁、贝雷梁、钢管柱等应力参数，根据容许应力法，对各构件进行验算。计算结果表明，原方案支座处贝雷梁竖杆应力超限，采取加强措施后，应力满足规范要求。

关键词：钢便桥; 贝雷梁; 有限元分析; 承载能力极限

中图分类号：U445.35文献标志码：A

0引言

现行主流的桥梁施工方案中，钢便桥常被作为工程施工和运输的主要临时结构，被用以确保施工所需人员、材料及设备的进出，其对施工的正常进行及质量保障起到了重要的作用［1-3］。以往研究表明，贝雷架作为一种用途较多的支承构件，由于其采用的单销连接方式，使得其在实际工程具有便于拆装、维护及运输的优势，因此采用该种支架的贝雷梁钢便桥在桥梁设计及建设中得到了广泛的使用［4-5］。

针对贝雷梁钢便桥的结构设计分析，王其林［6］采用有Midas/Civil对某下承式贝雷梁钢便桥的受力分析结果表明，该桥主桁梁的剪切与弯曲应力最大值均出现在贝雷梁下弦杆处。侯孝振［7］对某跨河施工临时贝雷钢便桥的结构设计验算分析结果也表明，贝雷梁支撑点位置竖杆轴力较大，应在施工时重点关注，并加强监控。徐波等［8］针对下承式贝雷梁钢便桥的梁架组合形式研究表明，较贝雷梁单层三排贝布置方式，采用双层两排的布置方式更优，能够显著减小结构主梁的竖向位移。因此有必要针对贝雷梁钢便桥的上部结构（主要为贝雷梁）及下部结构的结构受力及安全性进行计算分析。

本文以某全长为78 m的贝雷梁钢便桥为工程背景，采用有限元软件Midas/Civil建立有限元模型，对该桥在不同荷载下的受力特性进行分析，并提出相关的设计参考建议。

1工程概况

本钢便桥全长78 m，采用贝雷梁、工字钢支架搭设，桥宽6 m，单车道，共1联，主要用于走行混凝土运输车等重载施工车辆（55 t），兼作施工平台。钢便桥下部采用A630×8 mm钢管桩基础，每排为3桩，间距2.45 m，排距12～15 m，其中，③、④、⑤、⑥位于水中，②位于岸坡，①、⑦位于岸上，如图1和图2所示。钢管桩顶部设置双拼40a工字钢横梁，纵向梁部采用普通型贝雷梁，为12 m+12 m+15 m+15 m+12 m+12 m连续梁桥结构，贝雷梁顶设置I20a工字钢，间距30 cm，其上满铺8 mm厚压花钢板。本钢便桥贝雷梁采用16 Mn钢，其他型钢采用Q235钢，材料力学性能参数如表1所示。

该钢便桥按钢管桩基础设计，桩侧摩擦力和桩端阻力采用了JTG 3363-2019《公路桥涵地基与基础设计规范》及JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》提供的经验数据。具体数据如表2所示。

2设计荷载及组合

对于该桥的荷载取值，参考相关规范，主要从永久作用与可变作用出发，并以此计算得到相应的荷载组合。其中恒载根据材料容重和体积计算，具体实现方法通过Midas软件根据有限元模型设定的截面和尺寸自行计算施加。

活载的取值则根据实际情况选取，主要考虑几部分：

（1）移动荷载考虑混凝土运输车等重载施工车辆（55 t），采用车道面加载。车辆荷载按照车道中心加载，横向车轮按照JTG D60-2015《公路桥涵设计通用规范》设置。

（2）对位于水中的钢管柱，考虑流水压力作用，根据JTG D60-2015《公路桥涵设计通用规范》式（1）计算。

P=KAγν22g（1）

式中：各符号参见JTG D60-2015《公路桥涵设计通用规范》，形状系数K取0.8，重力加速度取9.81 m/s2，流速v取1.5 m/s。通过计算可得到水中钢管桩单桩的流水压力为P=3.33 kN。

（3）验算钢管柱承载能力时，考虑上部结构传来的以及自身的风荷载，采用公路桥梁抗风设计规范中的方法计算。可得到单根钢管柱所受风荷载为1.51 kN/m，上部结构风荷载为1.85 kN/m。

采用上述计算所得到的永久作用与可变作用下的横载与活载数值，并参照公路桥涵通用设计规范进行荷载组合，取基本组合和标准组合，具体为：

验算强度的荷载组合：1.2恒载+1.4活载。

验算刚度的荷载组合：恒载+活载。

3结构受力分析

本文采用有限元软件Midas/Civil建立有限元模型，以此计算得到各节点处的最大应力及位移，从而对该贝雷梁钢便桥的结构受力特性及安全性进行分析研究。

3.1上部结构

该桥上部结构主要由工字钢分配梁、工字钢横梁以及贝雷梁组成，上部结构有限元模型如图3所示，模型采用杆单元建立，桥面板与横梁、横梁与纵梁之间均采用刚性连接，横梁下钢柱简化为支座，钢管柱单独分析。

3.1.120a工字钢分配梁

间距30 cm的20a工字钢有限元模型如图4所示，其中上部结构各构件的最大正应力与剪应力计算结果如表3所示。可以发现20a工字钢的最大正应力为62.0 MPa，最大剪应力为19.5 MPa，均小于钢材容许应力，满足强度设计要求。

3.1.240a工字钢横梁

钢管桩顶部设置的双拼40a工字钢横梁各节点的竖向挠度如图5所示，可以发现最大竖向挠度为0.62 mm，小于规范要求的6000/500=12 mm，满足安全需求。钢横梁底部支反力，即钢管桩顶部竖向力计算结果如图6所示，其中最大支反力为500.6 kN。

同时由表3可知，20a工字钢的最大正应力为70.0 MPa，最大剪应力为47.03 MPa，均小于鋼材容许应力，满足强度设计要求。

3.1.3贝雷梁计算结果

贝雷梁主要由斜撑、竖杆、弦杆组成，利用Midas计算可得到各个构件的应力，同样该贝雷梁各构件处的最大正应力与剪应力分析计算结果如表3所示。可以发现贝雷梁竖杆、弦杆的最大正应力和最大剪应力均小于容许应力，满足强度设计要求。

而支座处竖杆由于所受剪力较大，剪力由支点处竖杆承担，使得竖杆最大压应力约为209 MPa（图7），超过竖杆8号工字钢的容许应力，需作加强处理。加强采用10号槽钢，位置为各钢管柱支点中心线两侧的贝雷梁竖杆处，如图8所示。加强后，贝雷梁竖杆最大正应力计算结果如图9所示，最大正应力约为140 MPa，小于钢材容许应力，满足强度设计要求。

3.2下部结构

该桥的下部结构采用钢管桩作为上部结构的支撑结构，对上部结构的正常使用和安全有重要作用，本设计对钢管桩进行单独计算分析，主要计算其稳定性、入土深度以及贯入度。

3.2.1压杆稳定性验算

由上部结构的计算可知，标准组合下边支点钢管桩最大支反力为315 kN，中支点钢管桩最大支反力为501 kN；基本组合下边支点钢管桩最大支反力为430 kN，中支点钢管桩最大支反力为681 kN。

根据桩基础设计规范和钢结构设计规范以及本钢管柱的设计参数可得到其长细比λ=46.11，稳定系数为φ=0.927，故其稳定应力大小σ=N/（φA）=47.09 MPa，小于185 MPa，满足压杆稳定要求。

3.2.2横向和竖向荷载共同作用下稳定性验算

根据本设计实际情况可知，横桥向中间单排桩刚度最小，需考虑风力及流水压力对排桩的水平作用。梁部风荷载按加载长度15 m（单排柱所承担的横向阻风长度）计算，简化为集中力作用于柱顶部分，采用Midas建立有限元模型进行计算，位移计算结果如图10所示。计算时偏安全地按照钢管桩顶部自由考虑，此时钢管桩可看作悬臂体系，由计算結果过可知，在最不利风和流水荷载作用下柱顶产生的位移为7.8 mm，小于10140/400=25.35 mm，对整体结构的稳定性影响较小，表明本设计在各个工况下的稳定性满足规范要求。

3.2.3钢管桩入土深度计算

本次施工采用钢管桩按闭口锤击入土，桩长从局部冲刷线算起。根据JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》相关规定，采用式（2）计算。

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+λpqpkAp（2）

式中各参数含义参照规范，其中，桩的周长u取1.978 m，λp取1.0，地质参数参照施工图资料，结合规范选取，具体参数见表2。通过反复计算，取中支点钢管桩入土深度为20 m，桩底标高为16.2 m，桩端进入第4号地层粉细砂中1.4 m，可求得Quk=1817.9 kN，Ra=Quk/2=908.9 kN>681 kN。即选用此入土深度满足设计要求。

3.2.4贯入度计算

根据格尔塞万诺夫打桩公式，计算打桩时最后10击的下沉量e，即为贯入度见式（3）。

e=n×A×Q×Hm×p×（m×p+n×A）×Q+K2×qq+Q（3）

式中：e为贯入度；n根据材料和桩帽，取n=2.0；A桩支撑面积，为15 600 mm2；Q为落锤重量，D60取Q=6500 kN；m为安全系数，对于临时结构，取m=1.5；P为桩设计承载能力，取1 817 kN；K为恢复系数，取K=0；q为桩和桩帽的重量，按桩长27 m计算，q=27×0.0156×78.5=33.064 kN。

通过上述计算可得贯入度为5.11 cm。钢管柱施工时可以桩底标高控制为主，贯入度控制为辅。

4结论

本文利用有限元软件Midas/Civil对某连续钢便桥进行了设计计算，得到了钢便桥各个构件的应力分布，并根据计算结果对部分构件进行了加固，使得设计满足工程需求，并得到结论：

（1）对于钢便桥的设计计算而言，可以利用有限元软件Midas/Civil，分别计算上、下部结构，得到各个构件的应力，根据应力是否超限选择合适的设计更改方案。

（2）桥梁支座处所受剪力较大，采用标准设计时，该处构件易成为薄弱点，需作局部加强处理。

（3）钢管柱设计施工时，宜同时计算入土深度和贯入度，以便实际施工时以桩底标高控制为主，贯入度控制为辅，提高施工进度。

参考文献

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［8］徐波，郑伟佳，吴炎奎，等.下承式贝雷梁钢便桥应用［J］.西北水电，2022（3）：96-99.

［作者简介］李郁林（1994—），男，硕士，工程师，研究方向为桥梁勘察设计。