鋁合金箱式模塊組合橋結構及承載能力分析

梁進軍 李志剛 王廣政

（解放軍理工大學 南京 210007）

近年來我國自然災害頻發，其中地震災害常常造成嚴重人員傷亡，引起道路坍塌、橋梁損毀，致使交通受阻［1］。目前大多數道路橋梁搶通搶建應急保障裝備的通載能力較強，但因其自重較大，在地震災害發生后其機動性受到限制，而抗震救災時一般急需通往災區的物資運輸車輛、救援裝備荷載等級較低，這就使得現有應急交通保障裝備特別是橋梁保障裝備難以發揮作用［2－4］。

針對上述情況，本文設計一種適用于搶險救災的道路橋梁應急搶通箱式模塊，模塊為封閉式結構，其外部橫向、縱向均設置連接器。通過連接器，模塊可以根據搶通需要快速拼組滿足特定功能要求的結構系統。箱式模塊以拼裝為車轍式應急橋跨越道路障礙、實施道路橋梁應急搶通為主要用途，此外還可拼組臨時簡易橋墩、水上施工平臺和簡易浮橋，具有一物多用的功能［5］。

1 箱式模塊橋結構

1.1 橋節單元

箱式模塊拼組車轍式箱梁橋保障災害發生后搶險救援人員和救災車輛第一時間能趕到現場，確保生命線通道的通行。根據應急搶通工程的特點與應用實際，確定箱式模塊拼組成車轍式箱梁橋主要技術參數為：設計通行荷載：公路二級；單跨最大跨徑：20m。

箱式模塊重量需要控制在人力操作范圍之內，傳統的鋼材難以滿足設計需要。鋁合金作為一種新興材料，由于相對密度小、比強度高、無磁性，以及良好的加工成型性能，被廣泛應用于各種焊接產品之中［6］。該模塊主體結構選用6061－T6鋁合金材料。

根據箱式模塊的應用實際，從模塊的制造、運輸、拼裝等因素綜合考慮，設計其外觀尺寸為2 000mm×900mm×800mm（長×寬×高），見圖1。模塊縱向端部上下各布置3組單雙耳連接構件，見圖2；橫向兩側上部各布置2組單雙耳連接構件，采用單銷連接，見圖3；橫向下部采用豎向單孔結構，見圖4。

圖1 箱式模塊總體結構

圖2 箱式模塊縱向連接件結構

圖3 上部單雙耳橫向連接器

圖4 下部丙丁接頭橫向連接器

1.2 車轍式箱梁橋架設單元

（1）橫向連接梁。橫向連接梁是連接2個車轍的獨立單元，以提高全橋的整體性。每2個箱式模塊通過2個橫向連接梁連接成組，箱式模塊縱向相連構成車轍。見圖5，橫向連接梁采用Q235合金鋼，上部通過單銷與箱式模塊側面的橫向連接單雙耳構件相連，下部為丙丁接頭連接。

圖5 橫向連接梁模型圖

（2）導梁。導梁是車轍式箱梁橋的架設機構，見圖6，每節導梁單元長2m，采用Q235合金鋼，上側設置槽鋼，下端兩側各設置槽鋼，呈三角結構，導梁單元之間采用單銷連接。

圖6 導梁單元模型圖

橫向連接梁上部布置的滾輪可在導梁上部槽內滾動，下側2導輪可沿導梁下側槽型構件翼緣滾動。

1.3 橋跨拼組與架設

2個箱式模塊通過2個橫向連接梁構成一個推送單元（見圖7），通過導梁實現推送架設，見圖8。圖9是模塊的實際架設。

圖7 推送組示意圖

圖8 架設示意圖

圖9 實地架設的箱式模塊橋

2 車轍式箱梁橋結構性能模擬分析

在MIDAS／Civil中按照實際尺寸建立模型，利用有限元軟件進行初步分析研究。模擬分析車轍式箱梁橋在設計荷載靜態最不利工況作用下的撓度、結構的頻率特性，以及移動荷載作用下的動力響應，為確定車轍式箱梁橋的安全使用條件提供參考依據。

箱式模塊主梁、次梁、橫隔板均采用梁單元建立模型，支撐端柱采用桁架單元，面板采用板單元。有限元模型中對于箱式模塊的縱向連接接頭，根據連接單耳板厚度建立實腹矩形截面梁單元，采用釋放梁端約束功能模擬鉸接，橫向連接系上部與箱式模塊的單銷連接做同樣處理，下部丙丁接頭的連接處理為釋放豎直方向的約束。整橋模型見圖10。

圖10 車轍式箱梁橋整體結構模型

2.1 車轍式箱梁橋彈性撓度分析

模擬計算可得，整橋在設計荷載作用下，沿Z軸方向跨中最大位移為99.6mm，整橋變形形狀示意見圖11。

圖11 整橋沿Z軸方向位移示意圖

由以上分析計算可知，模擬計算得到整橋在設計荷載最不利作用位置作用下彈性撓度f＝99.6mm，在此條件下靜止活荷載產生的彈性撓度相對值：

對臨時和短期通行的鋼橋來說，撓度滿足要求。

2.2 車轍式箱梁橋模態分析

車轍式箱梁橋是簡支體系，將梁的兩端按兩端簡支條件施加約束。增加頻率數量可以提高結果的精確性，但所需的分析時間會很長，而且高階模態對結構的動力反應的影響不是很大，針對本設計模型考慮到前4階模態。表1列出了前4階的模態頻率，相應的振型見圖12。

表1 車轍式箱梁橋前4階自振頻率

國內外大量車輛振動試驗表明，重載車輛的基頻主要集中在2.5～3.5Hz之間［7］，分析得到車轍式箱梁橋第一階頻率為6.19Hz，因此，在車輛通行時，一般不會發生共振效應使得橋梁結構失效。

圖12 車轍式箱梁橋振型圖

車轍式箱梁橋最易發生的變形是豎直方向的彎曲，以及2車轍沿豎直方向的錯位。其中1階振型為豎直方向振動，從第2階振型開始出現正弦形狀的豎直方向振動，說明車轍式箱梁橋橫向剛度較好。

3 結語

鋁合金箱式模塊橋具有重量輕，架設靈活的優點，但其承載力是關注的重點。本文通過對箱式模塊拼組的車轍式箱梁橋結構模擬分析，得到車轍式箱梁橋在設計靜止活荷載作用下的彈性撓度，符合相關規范，通過模態分析得到車轍式箱梁橋的自振頻率特性及振型，為車轍式箱梁橋的應用提供參考依據。分析表明，鋁合金箱式模塊橋可以通行汽－15車輛荷載，完全可以滿足一般性車輛的通行需求。

［1］楊喜凱，李聚軒，王傳義，等.災后公路交通基礎設施功能快速恢復研究［J］.國防交通工程與技術，2009（1）：7－8.

［2］胡立成，趙世宜.重大地質災害公路軍事運輸保障研究［J］.國防交通工程與技術，2009（4）：31－33.

［3］張孝倫，張瑜潔.汶川地震搶修與保暢主要措施［J］.武漢工業學院學報，2009（3）：35－49.

［4］莊衛林，蔣勁松.四川公路橋梁震后搶通、保通及恢復技術［J］.西南公路，2010（2）：33－35.

［5］尹永升，李志剛，李 聰.道路應急搶通多用途箱式模塊設計構思與應用探究［J］.國防交通工程與技術，2013，11（4）：28－30.

［6］吳 蕓，張其林，俞寶達.縱向焊接鋁合金柱構件承載力試驗研究及數值分析［J］.力學季刊，2011（3）：418－420.

［7］宋一凡.公路橋梁動力學［M］.北京：人民交通出版社，2000.