淺談施工鋼便橋安全性復核驗算

文｜廣州軌道交通建設監(jiān)理有限公司 陳佩珊

臨時鋼便橋通常運用于工程施工，可作為臨時通行的橋梁，也可作為結構施工的支撐結構，在施工上，靠焊接、栓接等方法把各種鋼結構互相連接和拼裝形成一個整體；在力學上，是一個主要承受豎向荷載和水平行車制動力、風載和流水壓力的支撐平臺；其內(nèi)部是承受拉、壓、彎的桿件互相作用而成。上述特點使臨時鋼表橋具有結構體系清晰、施工簡單、造價低、施工工期短、安全性好的突出特點，在工程建設中得到廣泛應用，掌握臨時鋼便橋的安全性復核驗算已成為工程技術管理人員的基本要求，現(xiàn)將我們承建的惠州龍門山區(qū)一溪谷兩岸施工鋼便橋安全核算總結如下。

1、工程簡介

本施工鋼便橋為解決惠州龍門山區(qū)一溪谷兩岸施工及社會車輛過河而臨時搭設，通行限載重量按掛-100考慮，車速不超過5km/h，雙向行駛。鋼便橋橋長84m，橋面寬度設計為7m寬，考慮常年水位標高為29.8m，50年一遇水位標高31.34m，接順道路標高37.5m，鋼便橋面標高為37.5m，高出常年水位7.7m。為確保行人過往安全在橋的兩外側用5×5角鐵和防護網(wǎng)做護欄，臨時橋墩持力層選擇強風化層做為承力層。

2、鋼便橋結構體系布置

鋼便橋橋長84m，橋面寬度按通行需求設置為7m寬，布置為路肩0.75m+行車道2.5m+車道分隔帶0.5+行車道2.5m+路肩0.75m，由于車道寬度有限，禁止大型車輛在便橋上匯車。考慮到山區(qū)橋梁的管理問題及附近存在大型施工樓盤，驗算復核荷載為掛-120，設計使用期限為三年。

由于鋼便橋為整體鋼結構，支墩采用φ630mm鋼管做為樁基礎，橫向按3根間距3m排列，縱向起、止跨跨度為6m，其它跨根據(jù)施工地質(zhì)情況為8-9m，不超過9m排列，計算跨度為9米，采用振動錘錘擊法貫入。為確保臨時支墩的穩(wěn)定性，臨時支墩之間橫向用[22槽鋼作剪刀叉連接；在鋼管頂面布置I45c工字鋼作為橫梁，在橫梁上面用單層四排84m通長貝雷片組作為縱梁，貝雷片間采用90支撐架聯(lián)接，貝雷組與組之間凈間距為3m，并設置連接斜撐。在貝雷梁上面按0.75m間距鋪設橫向I32c工字鋼，在I32c工字鋼上鋪型鋼-鋼板復合橋面板（結構為：主縱梁為I12B工字鋼，間距0.2m，橫向加勁肋為[12B槽鋼，間距0.8m。在[12槽鋼上面鋪設厚度16mm的花紋鋼板組成橋面），鋼便橋與地面過渡段采用填土方、石屑過渡。鋼便橋橫斷面圖如圖1。

圖1 鋼便橋橫斷面圖

3、鋼便橋驗算主要荷載參數(shù)

3.1 鋼便橋自重

上部結構恒重（按一跨（9m）計算）

（1）16mm厚鋼板，單位面積重156kg，則1.256KN/m2，一跨9*7=63m2，重79.128KN。

（2) [12槽鋼+I12工字鋼，單位重24.999Kg/m，則 0.25KN/m，一跨28條，長9m，重35.28KN。

（3）面層分配梁I32c，單位重65.689kg/m，則0.66kN/m，一跨28條，長7m，重 129.36KN。

（4）縱向主梁：橫向單層四排貝雷梁，一跨重36KN。

（5）樁頂分配主梁：2*I45c，單位重174.97kg/m ,則1.75kN/m，可忽略。

綜上所述，鋼便橋一跨（9m）自重q1=（79.128+35.28+129.36+36）/9=31.1KN/m。

3.2 車輛荷載

鋼便橋按照掛-120進行驗算，主要技術指標如圖2。

3.3 沖擊荷載

鋼便橋設計行車速度為5km/h，汽車沖擊荷載可按汽車總重的10%計算，及1.1倍系數(shù)考慮。

3.4 汽車制動力

汽車在鋼便橋上行駛時最大速度15km/h，禁止在橋上急剎車，汽車制動力可不予考慮。

3.5 風荷載、水流荷載

只對鋼管基礎產(chǎn)生影響，詳見鋼管基礎穩(wěn)定性驗算。

4、各類材料容許應力

鋼便橋結構強度設計采用容許應力法，計算過程中采用的材料參數(shù)如下：

Q235鋼材的允許應力：【σ】=180MPa；Q235鋼材的允許剪應力：【τ】=110MPa。

Q235鋼材的彈性模量：E=2.1×105MPa；16Mn鋼材的允許應力：【σ】=237MPa。

16Mn鋼材的允許剪應力：【τ】=104MPa；16Mn鋼材的彈性模量：E=2.1×105MPa。

I32C：A=79.92cm2,W=760.8cm3,I=1217 3cm4。

圖2 掛-120布置示意圖（荷載單位：KN，尺寸單位：m）

2*I45C：A=240.8cm2,W=3135.8cm3,I=1 875.4cm4。

鋼便橋剛度設計按格構件撓度fmax＜l/250～l/400行控制

貝雷架縱梁應按其最不利受力狀態(tài)，驗算時采用不加強貝雷梁，驗算以剛度與穩(wěn)定性控制為主，按規(guī)范要求，其最大撓度不超過L/800，以確保安全。根據(jù)《321裝配式公路鋼橋手冊》荷載、跨徑與橋梁組合配置表查得：

W=7151.1 cm3；J=500994.4cm4；Mmax=1575.4KN·m；Qmax=490.5KN。

5、鋼便橋驗算

5.1 橫向33C小橫梁驗算

按正常使用條件的最不利荷載進行驗算，其最不利荷載為在使用過程中，汽車荷載出現(xiàn)在跨中，且單側直接壓在貝雷梁上方，另一側汽車車輪壓在I33c承重梁上方。根據(jù)施工實際情況，各型鋼及各種材料接觸處，均采用焊接或加固固結，因此所有梁的驗算均采用固端梁進行計算。

（1）基本數(shù)據(jù)

a、跨徑：計算跨徑：L=9m。b 、橋面寬度：7 m。c、設計荷載：一側汽車車輪壓在I 3 3 c承重梁上方，集中荷載：Pk=300*1.1/2=165KN，均布荷載qk=31.1KN/m；

（2）采取力的疊加原理計算：

①抗彎強度驗算

跨中彎矩最大：Mm=PL/8+qL2/24=79.3 kN.m，σ=M/W= 104MPa＜180 MPa

②抗剪強度驗算

支座剪力最大：Q=P/2+qL/2=132.26 kN，τ=1.5Q/A=24.83 MPa ＜110 MPa

③撓度驗算

跨中撓度最大：f m=P3/ L192EI+qL4/384EI=1.4mm＜3.2*103/800=4mm。

5.2 貝雷梁計算

參考《公路橋涵設計手冊-基本資料》第一版可得以下計算：整個車在全部進入貝雷梁橋跨后，對貝雷梁的受力為最大，計算跨中時的彎矩和撓度為最大，靠近支點時該支點處的剪力為最大。采取力的疊加原理計算：

①抗彎強度驗算

Mm=PL12/L+ PL22/L +qL2/24=250.53 kN.m＜1576.4 kN.m，σ=M/W= 35MPa＜237MPa

②剪力計算

Q=P*2+qL/2=469.95 KN＜【Q】=490.5KN

③撓度計算

跨中撓度f=PL12L*(3-4*L1/L)/24JI+PL22L*(3-4*L2/L)/24JI+ qL3/384/JI

=1.44mm＜[f]=9000/800=11.25mm

5.3 大橫梁2*I45c梁驗算

大橫梁采用2*I45c工字鋼，雙排橫向放置于鋼管樁上，支點間距3m，其上部是貝雷梁，按2等跨集中荷載簡化計算，根據(jù)貝雷梁計算的結果，最大剪力在支座處，支座即為該橫梁位置，因此，P=Q=469.95KN。

①抗彎強度驗算

跨中彎矩最大：M m=2 P2b a2/L3=32.19 kN.m，σ=M/W= 51MPa＜180 MPa

②抗剪強度驗算

支座剪力最大：Q=P*2a*(1+2b/L)/L2=309.95 kN，τ=1.5Q/A=9.65 MPa ＜110 MPa

③撓度驗算

跨中撓度最大：fm=2Pa3b2/(3EI*(3a+b)2)=1.09mm＜3*103/800=3.75mm。

5.4 鋼管樁驗算

單根鋼管樁的最大軸向壓力按照I45C大橫梁計算結果為309.95kN。所以單根樁的最大軸向壓力為31t，考慮1.2倍安全系數(shù)，故單樁最大軸向壓力按37.2t即P=Nmax=372kN計算。施工時振錘振動力取值不小于45t。該地域地質(zhì)資料顯示，從上到下主要為：粉質(zhì)粘土，卵石，全風化砂巖，中風化砂巖。由于施工中存在地質(zhì)情況變化較大的情況，實際施工過程中應先試樁，再參考以上數(shù)據(jù)，插打鋼管樁時貫入度不得小于6cm/min。

①軸心受壓計算

φ630鋼管樁力學性能：截面積A=15632mm2，回轉半徑i=219mm；

鋼管長度：L=12m，長細比：λ=L/i=55，查《鋼結構設計規(guī)范》 附錄C可知：

穩(wěn)定系數(shù)φ=0.900，鋼管容許壓力：

[N]= φ*A*【σ】=2532KN＞ 372KN ，滿足要求。

②受側向水壓力和風壓力時的驗算

a、流水壓力

施工區(qū)域流水流速3m/s，根據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》，則流水壓力為：

F=kAγV2/2g= 0.8*0.63*10*32/2*9.8=2.2KN/m，即鋼管樁在水中的自由段承受2.2KN/m的水流壓力，可忽略不計。

b、風荷載

由于風力達到7級以上時鋼便橋停止施工或通行，所以不考慮風荷載和車荷載同時作用的情況，風荷載系數(shù)w=1.15 KN/m2，一跨上部結構p1=1.15*6*2.15=14.8KN/m，水面以上鋼管樁p2=1.15*1.2=1.38KN/m。

c、穩(wěn)定性驗算：

鋼管樁穩(wěn)定性驗算計算模型如圖7，考慮施工的實際情況，按一端固定，一端絞支的桿件模型計算。這里采用φ600鋼管長度為12m，壁厚1cm；具體計算如下：

①長細比驗算：（μ取0.7）

②安全系數(shù)計算：由材料力學中的安全系數(shù)計算，λ≦132時，不可以運用歐拉公式計算極限承載力，所以運用經(jīng)驗公式，對于A3鋼：

所以，鋼管樁是穩(wěn)定的，可以承受上部荷載。

因此：使用是安全的。

6、計算結論

根據(jù)以上受力分析及計算模型可以得知，此型鋼組合結構鋼便橋采用φ630 mm鋼管做為鋼便橋的臨時支墩，橫向按3根間距3m排列，縱向間距橋頭按6m，其它跨不超過9m排列；在鋼管頂面布置2*I45c工字鋼作為橫梁；在橫梁工字鋼上面用單層四排84m通長軍用貝雷片組作為縱梁；在縱向貝雷梁上面按0.75m間距鋪設橫向I32c工字鋼，在I32c工字鋼上鋪I12工字鋼，間距0.2m，再鋪橫肋[12槽鋼，間距0.8m；在[12槽鋼上面鋪設厚度16mm的花紋鋼板組成鋼平臺橋面，鋼便橋與地面過渡段采用填土方、石屑和C30鋼筋混凝土過渡，滿足相關設計規(guī)范及實際荷載要求。

7、結束語

臨時鋼便橋具有結構清晰，受力模型簡單的特點，關鍵是充分掌握最不利條件下的荷載工況、明確荷載傳遞路徑從而使整個受力體系核算步驟清晰、明了、從強度、穩(wěn)定性著手進行安全性驗算，這是鋼便橋驗算的核心工作。