鋼管樁偏位對鋼便橋結構受力的影響分析

張林

摘 要：鋼便橋主要有鋼結構和桁架結構兩種形式，其中桁架形式的鋼便橋主要以貝雷片為主要的受力結構。桁架式鋼便橋主要采用裝配式施工，一般要求貝雷片的豎桿位于鋼管樁頂部的分配梁處。但是由于施工現場的不可控因素，無法滿足這一要求。本論文以某實際工程為例，通過建立有限元模型，分析鋼管樁偏位對貝雷片受力的影響，并針對性的提供加固措施。

關鍵詞：鋼管樁;偏位;鋼便橋;貝雷片;有限元

0 引言

橋梁施工過程中，經常需要修建鋼便橋，以實現便道跨河或者提供操作平臺等目的，但是在鋼便橋施工過程中，由于鋼管樁打樁位置的偏差等原因，常常出現貝雷片的豎桿位置并沒有位于鋼管樁頂部的雙拼工字鋼分配梁，在重載作用下，使貝雷片的下弦桿出現較大的應力而存在安全隱患。本論文以實際工程為例，通過MIDAS CIVIL建立有限元模型，分析這種現象對鋼便橋強度的影響。

1 項目概況

1.1 現場工況介紹

某下承式提籃鋼管拱橋在施工時，由于施工場地條件的限制，需要在河道中架設鋼便橋以提供操作平臺，其鋼便橋的鋼桁支架的立柱采用φ630x10 mm圓鋼管，縱橋向普通位置間距約為9 m，預留航道位置間距16.5 m;橫橋向設置4根，間距為3.5 m、3.3 m、3.5 m。相鄰鋼管間設置斜撐、橫撐，采用φ219x10 mm鋼管連接，豎向間距為3.0 m。鋼管支架頂橫橋向設置兩道長12 m的2xI32工字鋼作為頂部分配梁，分配梁與鋼管之間采取限制相對位移的措施;縱向布置4組共8片貝雷架，貝雷架頂滿鋪16 mm厚鋼板。貝雷梁材質為16Mn鋼，其余材料材質均為Q235鋼。但是由于施工不可控因素，鋼便橋每跨的實際間距為9.295 m+8.483 m+9.348 m+5.784 m+4.190 m+15.605 m +9.365 m+9.840 m+7.918 m+6.160 m導致貝雷片的豎桿并未位于橫梁位置。

1.2 荷載分析

鋼便橋的架設主要是為了主梁架設提供操作平臺，因此荷載主要包含自重和吊車兩個部分：（1）自重：從上到下依次包括橋面板、縱向分配梁、橫向分配梁、貝雷片、加固桿件、雙拼工字鋼分配梁等。（2）130 t吊車：先采用兩臺130 t吊車，單臺吊車自重為50 t，考慮配重30 t，支腿縱向間距8.5 m，橫向間距8.5 m。吊裝構件最大重為34 t，平均每臺吊車分攤17 t，吊鉤重2 t，吊裝時考慮1.2倍的動力系數，即：19*1.2=22.8 t，吊裝時總重為：50+30+22.8=102.8 t。吊裝時考慮，極限狀態認為只有側向兩支腿受力，因此單腿受力為51.4 t，建模時按照單腿60 t計算。

2 建模

運用midas civil軟件，對鋼管樁偏位和未偏位兩種工況建立鋼便橋上部結構模型，其中橋面板采用板單元進行模擬，其他桿件建立成梁單元，通過支承邊界條件約束整體結構，雙拼工字鋼與貝雷梁之間、貝雷梁與橫向工字鋼之間、橫向工字鋼與縱向工字鋼之間以及縱向工字鋼與橋面板之間均采用彈性連接進行約束。

3 計算結果

鋼管樁偏位和鋼管樁沒有偏位兩種工況下，鋼便橋上部結構各個部件的最大應力及最大剪應力結果如表1所示。

計算結果顯示，當鋼管樁沒有發生偏位時，鋼便橋上部結構各個部件的應力及剪應力均沒有超過各自材料的承載能力。當鋼管樁在施工過程中，由于不可控因素發生偏位時，鋼管樁頂部的雙拼工字鋼與貝雷片搭接之處并不在貝雷片的豎桿處，導致此處貝雷片下弦桿的彎矩和剪力急劇增加，從而使此處構件的應力增大，此處下弦桿的最大剪應力為342.5 MPa，超過材料剪應力容許值160 MPa，最大應力為663.3 MPa，超過材料極限容許值275 MPa。

4 加固處理

4.1 加固措施

通過分析計算結果，得知貝雷片的強度超過其強度允許值的主要原因在于兩個方面：第一，橋面板上承受的吊車荷載太大，經過縱橫向分配梁的傳遞之后，貝雷片實際承受的荷載遠遠超過鋼管樁偏位這種工況時貝雷片的承載能力;第二，鋼管樁偏位，導致下弦桿與雙拼工字鋼接觸位置處產生較大的彎矩，出現明顯的應力集中現象，從而使下弦桿的應力超過其極限容許應力。因此本文提出兩項針對性的加固措施，即：（1）在雙拼工字鋼及縱橫向工字鋼分配梁之間每排增加8根鋼管支撐，從而使橋面板的部分荷載直接傳遞至雙拼工字鋼，減小貝雷片的受力;（2）在偏位的鋼管樁頂部貝雷片的上下弦桿之間增加雙拼槽鋼，從而減小雙屏工字鋼與下弦桿接觸位置處的彎矩，減小應力集中現象，如圖1（a）、（b）。

4.2 加固后計算結果

在原來模型的基礎上增加加固的桿件之后，貝雷片下弦桿出現的最大應力由原來的663.3 MPa降低為207.5 MPa，如圖2所示，滿足貝雷片材料的強度承載能力，說明加固措施具有明顯的效果。

5 總結

本文通過MIDAS CIVIL軟件建立了鋼管樁偏位與兩種工況的鋼便橋上部結構有限元模型，對比分析了鋼管樁偏位對鋼便橋上部結構受力的影響，結果顯示鋼管樁偏位對于貝雷片下弦桿的強度具有顯著的不利效應，會急劇增大貝雷片下弦桿的應力，并針對性的提出兩項加固措施，具有明顯成效。

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