建于淺覆蓋強風化層上的施工棧橋結構分析

趙明宇 黃志強 張文韜 趙國棟

1.沈陽工業大學建筑與土木工程學院 遼寧 沈陽 110000；2.中交路橋北方工程有限公司 北京 100024；3.中交路橋建設有限公司 北京 100024

鋼棧橋作為臨時施工通道，主要承受汽車移動荷載、施工荷載和流體壓力。鋼棧橋在工藝上靠焊接等方法把縱梁、橫梁和橋面鋼板等焊接在一起作為一個受力整體，有著結構受力體系清晰、裝配式施工快捷、工期較短等優點。在我國的橋梁、大壩、港口及渡船碼頭等工程中得到了大量應用[1]。

棧橋結構經過多年的發展，已有諸多學者對其進行了研究。龐瑞等[2]對某國家糧食儲備庫的鋼結構輸送棧橋進行了結構優化，對該對象進行了三維空間數值模擬分析，結果表明三維數值比二維數值分析更加有效全面。楊小軍[3]分析了采煤區桁架、電廠煤炭輸送桁架結構數據，驗算桁架結構在風荷載、豎向荷載、活荷載下的破壞情況。Mieszko等[4]以一座鋼結構棧橋為研究對象，長期監測其受力數據，對橋梁主桁架結構的抗疲勞性做了相應研究。

目前，Midas軟件被廣泛使用在鋼棧橋的計算分析中，其計算結果也得到行業內的認可。沈波等[5]、田娥等[6]用Midas軟件對鋼棧橋進行分析計算。周立強[7]對某拱橋進行荷載試驗和有限元數值模擬，并對各種工況進行確定和計算。劉歡[8]對東河大橋進行理論分析、數值模擬和荷載試驗相結合，從而對橋梁的安全性作出評估。由上可知，對棧橋的研究大都基于受力監測和數值模擬，從而對棧橋的受力狀態進行分析。

某高速接線工程面臨著大落差、水上無運梁通道和大縱坡運梁的施工難題。為解決水上無運梁通道的施工難題，經商議決定搭建臨時鋼棧橋作為運梁通道。另外，棧橋所在的逕口水庫因常年流水沖刷造成河床覆蓋層較少或無覆蓋層，岸區地質為斜截面強風化巖層，且河床存在2.3%的坡度，因此該棧橋的承載能力需要驗證。

本文采用荷載試驗和數值模擬對運梁鋼棧橋進行監測和受力分析，以期為類似工程提供參考。

1 鋼棧橋結構形式

運梁鋼棧橋共2聯，第1聯長27 m，第2聯長90 m。本文只計算第2聯。棧橋承重梁為雙拼40#工字鋼，分配梁為22a#工字鋼，棧橋面板為20#槽鋼倒扣，鋼管樁為φ630 mm×8 mm鋼管。棧橋上部結構為6排2組標準貝雷梁。鋼棧橋除貝雷梁為Q345鋼材外，其余均采用Q235鋼材。

2 棧橋荷載試驗測試

2.1 測試目的

荷載試驗是結構檢測中重要的方法和手段，它是對橋梁結構進行直接加載，以了解結構在荷載作用下的實際工作狀況，對結構的承載能力進行評定。

荷載試驗分為靜力荷載試驗和動力荷載試驗。靜力荷載試驗是指將靜止的荷載作用于橋梁上的指定位置，以便能夠測試出結構的靜應變、靜位移以及裂縫等，從而推斷橋梁結構在荷載作用下的工作狀態和使用能力。

動力荷載試驗是指采用動力荷載以測出結構的動力特性，從而判斷出橋梁結構在動力荷載下受沖擊和振動的影響。動力荷載產生的動力效應一般大于相應的靜力效應。

為保證運梁鋼棧橋能夠滿足運梁需求的穩定性和安全性，需要對鋼棧橋進行荷載試驗。

2.2 測試方案及加載設備

經過現場查看和商議，采用行車試驗測試方案。

荷載試驗的加載設備為：25 t汽車吊，整車質量為30 t；SH160型內燃固定平臺式運梁車，整車質量為90.5 t；50型裝載機，整車質量為17 t。

測試方案為：

1）利用50型裝載機，從第2聯第7跨開始，設置等間距7～10個停車點（基本是在分配梁處），每個停車位靜止5～10 s，進行準靜載試驗測試。

2）利用25 t汽車吊，從第2聯第7跨開始，設置等間距7～10個停車點（基本是在分配梁處），每個停車位靜止5～10 s，進行準靜載試驗測試。

3）利用SH160型內燃固定平臺式運梁車，運載25 m標準箱梁，從第2聯第7跨開始，設置等間距7～10個停車點（基本是在分配梁處），每個停車位靜止5～10 s，進行準靜載試驗測試。

2.3 測點布置

運梁鋼棧橋測點主要分布在棧橋的承重梁、分配梁、鋼管樁、剪刀撐和貝雷片位置。其中測點具體布置情況如下：運梁棧橋第2聯第7跨與第8跨聯結處設置承重梁應變片，鋼管樁、剪刀撐應變片，以及分配梁弦式應變片；運梁棧橋第2聯第8跨設置分配梁跨中位移計、貝雷片位移計以及貝雷片應變片。

3 測試結果分析

3.1 荷載試驗結果分析

在運梁車荷載作用下，主要測點的應變和位移變化曲線如圖1所示。

由鋼管樁樁身應變曲線看出，由于鋼管樁需要承擔棧橋上部結構自重，所以一直處于受壓狀態。在運梁車靠近測點、經過測點和遠離測點這個過程中，鋼管樁壓應變分2次增長。當運梁前車經過測點時，應變急速增長到最大值99 με，前車遠離測點時，應變回落到10 με。運梁后車經過測點，壓應變再次增加到99 με，運梁后車遠離測點后，鋼管樁壓應變逐漸趨近0。說明荷載的施加位置對鋼管樁樁身應變影響非常明顯。在運梁前車和后車經過測點時，樁身應變增加89 με。

承重梁的作用是承受荷載并將上部結構的荷載傳遞給鋼管樁。同時，承重梁也起到了約束鋼管樁的作用，減小鋼管樁水平兩側位移，避免鋼管樁向兩側偏移過大而導致棧橋失穩。由樁頂承重梁跨中應變變化曲線（圖2）可知，測試過程中承重梁的跨中應變是拉應變，跨中承重梁處于受拉狀態，其拉應變的峰值為169 με。承重梁在鋼管樁的支承作用下，相當于一根跨中受拉的簡支梁。

圖1 鋼管樁樁身應變變化曲線

圖2 樁頂承重梁跨中應變變化曲線

經過測試，測得在運梁車荷載作用下棧橋第2聯第8跨相鄰跨跨中分配梁的跨中位移最大值為0.45 mm，第2聯第8跨分配梁跨中位移最大值為0.44 mm（圖3）。由此可以得知，在運梁車荷載作用下，分配梁跨中位移最大值非常接近。在運梁車荷載作用下，棧橋貝雷片的應變變化曲線如圖4所示。

由圖4可知，運梁棧橋第8跨第4、第5列貝雷片在運梁車荷載作用下，其應變主要是拉應變，說明第4、第5列貝雷片在荷載作用下受拉，其拉應變峰值為37 με。

第4、第5列貝雷片的受力情況較為復雜，測試開始階段，貝雷片受拉，但在20～100 s之間受壓，且峰值為10 με，然后壓應變逐漸減小為0，由受壓變為受拉。拉應在50 s內快速增長，并在380 s時達到峰值76 με、52 με，之后拉應變減小。

圖3 跨中分配梁豎向位移

圖4 棧橋貝雷片應變變化曲線

棧橋第4、第5列貝雷片屬于豎腹桿，豎腹桿的作用為增強抗剪能力與結構支撐。在本次測試中，發現靠近橫橋向外側的豎直腹桿一直受拉，橫橋向內側豎直腹桿的受力狀態隨著荷載位置的變化而不斷變化。豎直腹桿連接著上下弦桿，當弦桿兩端受到豎直荷載時，腹桿和弦桿的剛節點發生轉動，導致腹桿受拉。

在實際工程中，棧橋上下弦桿還連接支撐角鋼。支撐角鋼作為聯結件，和棧橋主體結構形成一個受力整體，共同承擔上部荷載，并約束貝雷片的側向扭轉。這就使貝雷片同時受到支撐角鋼提供的力，受力情況復雜，特別是內側貝雷梁，聯結桿件多，受力更加復雜，導致內側貝雷片受力狀態不斷變化。

在汽車吊荷載作用下，在汽車吊向測點靠近的過程中，第4、第5列貝雷片拉應變穩定增長，在到達測點，也就是在300 s和400 s之間出現20 με左右的上下波動。這種現象是由汽車吊在經過該處測點時，反復停車和啟動引起結構振動導致的。

建筑工程中的振動影響主要有3類：地震，風振，機械、交通及環境振動。本次測試中的振動屬于第3類振動，雖然該類振動對結構自身的影響較小，但存在著一定的危險性。當載重較大的車輛在棧橋上反復停車或啟動，其引起的振動會造成構件應力變化不規律，加速構件的損壞。因此，當車輛載重較大時，需減少在棧橋上停車的次數。

3.2 運梁棧橋結構荷載測試試驗計算分析

靜力試驗荷載可按控制內力、應力或變位等效原則確定，靜力荷載試驗結構校驗系數ζ的計算按式（1）進行。

式中：Se——試驗荷載作用下主要測點的實測彈性變位或應變值；

Sc——試驗荷載作用下主要測點的理論計算變位或應變值。

靜力荷載試驗結構校驗系數ζ是試驗荷載作用下測點的實測彈性變位或應變值與相應的理論計算值的比值。ζ值小于1時，代表橋梁的實際狀況要好于理論狀況。

靜力荷載試驗結構校驗系數ζ的計算結果如表1和表2所示。

表1 運梁鋼棧橋荷載試驗測試結果1

表2 運梁鋼棧橋荷載試驗測試結果2

由表1和表2可知：

1）運梁棧橋各測點的校驗系數在裝載機、汽車吊和運梁車3種荷載作用下均小于1，說明該棧橋滿足安全要求。

2）距離第8跨第4列貝雷片1.5 m處測點位移的校驗系數接近1，說明該處結構滿足安全要求，但已經接近使用極限。在運梁工程中，3種荷載不應同時作用在運梁棧橋上。

4 數值模擬分析

因為在荷載試驗中，某些結構位置不便于粘貼應變片，如角鋼，所以無法得到這些位置的應變變化。為得到類似結構的受力狀態，對棧橋進行數值模擬，作為對荷載試驗的結果補充。

4.1 運梁棧橋模型建立

選取中間的三跨棧橋進行三維空間建模，并對各種桿件賦予各自材料特性：棧橋的鋼橋面板通過板單元模擬，其他單元均采用梁單元模擬；面板單元和分配梁單元、分配梁單元與貝雷梁單元采用彈性連接。鋼管樁的底部采用剛性節點。棧橋模型共2 794個節點，4 132個單元。

鋼棧橋所受荷載需根據實際施工情況確定。此鋼棧橋主要行駛車輛為質量約90 t（900 kN）的運梁車，運梁車荷載布置如圖5所示。

圖5 運梁車荷載布置示意

由于棧橋位于水庫內，故需要考慮流水壓力對鋼管樁的影響。根據資料，流水壓力為14.4 kN。

風荷載對鋼棧橋的影響不容忽略。鋼棧橋工作地點的施工風速為37.4 m/s，基本風壓為1.242 kN/m2。

本文采用的荷載組合為：自重＋900 kN運梁車＋流水壓力＋風荷載。

對棧橋結構進行模擬計算，棧橋結構模型如圖6所示。棧橋上的行車方向為圖中左側到右側。為使計算結果更加接近實際情況，棧橋的模型存在2.3%的坡度。

圖6 運梁棧橋模型

該棧橋結構強度采用容許應力法，材料的各項參數如表3所示。

表3 材料參數

根據JGJ 025—1986《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》規定，臨時結構可在容許應力的基礎上乘以1.3的擴大系數。

4.2 計算結果分析

4.2.1 鋼棧橋上部結構分析

棧橋的上部結構主要是貝雷梁，貝雷梁的上下弦桿提供抗彎能力，斜腹桿提供抗剪能力，豎腹桿的作用為增強抗剪能力與結構支撐，且3種類型構件的相互影響作用很小。

取圖6模型中的中間跨弦桿進行分析。以所選取的順橋向首個上下弦桿節點為坐標原點。不同位置的順橋向上下弦桿應力變化曲線如圖7、圖8所示。

圖7 上弦桿應力變化曲線

圖8 下弦桿應力變化曲線

由圖7可知，橫橋向的3根上弦桿的應力均呈現同升同降的趨勢。其中上弦桿應力的最大值74.5 MPa出現在橫橋向第2根上弦桿12 m處，且遠遠大于其他2根上弦桿的最大值49.9 MPa和49.3 MPa。

當運梁車荷載作用在橋面上時，6根上弦桿發生不同程度的彎曲變形，所提供的抗彎能力也不同，橫橋向第2和第4根上弦桿為承擔豎向荷載作出的貢獻相對較大。這是運梁車豎向荷載的作用位置所造成的。從荷載作用圖可知，運梁車荷載作用位置距離第2和第4根上弦桿較近，導致應力值偏大。

由圖8可知，下弦桿應力最大值77.4 MPa出現在橫橋向第2根下弦桿起始節點處，且3根下弦桿相同距離處的應力值非常接近。說明荷載作用位置對棧橋下弦桿的受力狀態的影響并不明顯。

運梁鋼棧橋上下弦桿應力最大值77.4 MPa＜最大許用應力（200 MPa），因此鋼棧橋的上部結構滿足強度要求。

對棧橋結構中的支撐角鋼進行強度分析。支撐角鋼在運梁車荷載作用下的應力情況如圖9所示。

由圖9可知，水平支撐角鋼的最大應力值為29.1 MPa。豎直支撐角鋼的最大應力值為21.9 MPa。另外，上下水平角鋼的應力呈反對稱分布。豎直支撐角鋼的應力從左到右依次減小。其中圖9左側豎直支撐角鋼處于棧橋貝雷梁內側，右側支撐角鋼處于貝雷梁外側。由此可以得知，棧橋在承受運梁車荷載時，連接貝雷梁內側的豎直支撐角鋼應力值較外側豎直支撐角鋼應力值大。說明在保持棧橋上部結構的穩定性中，內側支撐角鋼比外側支撐角鋼起到了更重要的作用。

4.2.2 鋼棧橋下部結構分析

在運梁車荷載作用下，鋼管樁樁身會產生一定的水平位移和豎向位移。分別取位移值最大的2根樁的位移情況進行分析，如圖10所示。

圖9 支撐角鋼應力

圖10 鋼管樁水平位移變化曲線

由圖10可知，在運梁車荷載作用下，鋼管樁樁身的順橋方向水平位移最大值并沒有出現在樁頂，而是出現在樁頂以下1 m位置處，其值為0.7 mm。這是因為鋼管樁在承受上部結構傳來的荷載時，樁頂會產生一定程度的彎曲變形，該變形導致樁頂以下位置產生和樁頂水平位移反方向的位移，并且呈現受拉狀態。另外，樁身的水平位移呈倒三角形分布，由于鋼管樁樁底的約束作用，樁底位移為0。

由鋼管樁應力變化曲線（圖11）可知，鋼管樁最大應力值22 MPa出現在樁頂以下1 m，并且是拉應力，這也說明當鋼管樁承受荷載時，在樁頂1 m處發生了彎曲變形，導致鋼管樁一側受拉。隨著鋼管樁長度的增加，拉應力變為壓應力，且應力值迅速減小，并在10 m處減小至2.5 MPa。

由鋼管樁軸力變化曲線（圖12）可知，鋼管樁的軸力和鋼管樁長度呈線性的關系。隨著長度的增加，在樁底部達到最大軸力44 kN，并且軸力呈正三角形分布。在只存在風、水和自重荷載情況下，鋼管樁受到風、水荷載水平力作用，樁底部彎矩值最大，彎矩疊加導致鋼管樁底部軸力最大。同時，風、水荷載導致鋼管樁局部出現拉應力。

圖11 鋼管樁應力變化曲線

圖12 鋼管樁軸力變化曲線

4.2.3 鋼棧橋荷載試驗和數值模擬數據對比

將鋼棧橋現場荷載試驗得到的貝雷梁豎向位移和數值模擬計算得到的貝雷梁豎向位移進行對比。現場對第4列貝雷片的豎向位移進行監測，為方便比較，取數值模擬中相同位置的貝雷片豎向位移。位移變化曲線如圖13、圖14所示。

圖13 運梁車荷載試驗中的貝雷梁豎向位移變化曲線

圖14 數值模擬中的貝雷梁豎向位移曲線

由圖13、圖14可知：荷載試驗得到的貝雷梁最大豎向位移為0.55 mm；數值模擬得到的貝雷梁最大豎向位移為0.51 mm；荷載試驗和數值模擬二者得到的貝雷梁最大豎向位移相差0.04 mm，可以認定基本相同；每一跨棧橋結構的豎向位移變化表現為由兩端向跨中增加，且在跨中節點處取得最大值。

荷載試驗得到的最大豎向位移和數值模擬得到的最大豎向位移非常接近，說明鋼棧橋在數值模擬中的受力接近實際工作中的棧橋受力，本次數值模擬的結果可以作為該棧橋荷載試驗的結果補充。

經荷載試驗和數值模擬驗證，建于淺覆蓋強風化層上的施工棧橋的穩定性滿足安全要求，且安全富余量較大，這在一定程度上造成了材料的浪費。為減輕這種現象，該棧橋貝雷梁部分的材料可以更換為Q235鋼材，從而增強工程的經濟性。另外，運梁車在經過該施工棧橋時，應勻速通過，避免突然剎車和加速，以減小對棧橋的影響。

5 結語

基于運梁鋼棧橋的靜力荷載試驗和數值模擬，可以得到以下結論：

1）在運梁車荷載、汽車吊荷載和裝載機荷載的分別測試下，運梁鋼棧橋各測點的校驗系數均滿足安全要求，運梁鋼棧橋可以正常使用。

2）運梁鋼棧橋鋼管樁樁頂以下1 m處，鋼管樁出現拉應力，這是由于鋼管樁承受上部結構荷載導致彎曲變形和風、水荷載作用引起的。

3）計算結果顯示棧橋上弦桿最大應力為74.5 MPa，下弦桿最大應力為77.4 MPa，皆小于材料的容許應力200 MPa，滿足強度要求。

4）上下水平支撐角鋼應力呈現反對稱分布；在保持棧橋上部結構的穩定性中，內側豎直支撐角鋼比外側豎直支撐角鋼起到更重要的作用。

5）鋼棧橋荷載試驗得到的貝雷梁最大豎向位移為0.55 mm，鋼棧橋數值模擬得到的貝雷梁最大豎向位移為0.51 mm。二者數值接近，數值模擬的結果可以作為棧橋荷載試驗結果的補充。