貝雷梁結構計算方法對比分析

程明明

(1.中交第二航務工程局有限公司 武漢市 430040； 2.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室 武漢市 430040)

0 引言

貝雷梁原為軍用產品，隨著我國公路建設的發展，貝雷梁逐漸被利用在公路橋梁臨時結構中。高效的周轉性、較高程度的裝配化以及高效的鋼材截面利用率，貝雷梁結構在工程建設尤其是公路橋梁建設中發揮了重要的作用。

縱觀國家標準和行業規范，均無貝雷梁設計計算針對性的標準規范，僅部分地方標準有所涉及。引用程度最高的為廣州軍區工程科研設計所編寫的《裝配式公路鋼橋多用途使用手冊》，以下簡稱《裝配鋼橋手冊》。然而《裝配鋼橋手冊》主要設計依據為1986年頒布的《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》(JTJ 025—86)，以下簡稱《老鋼橋規范》。

《老鋼橋規范》采用的是容許應力法，然而現行規范均廣泛采用考慮分項系數的極限狀態法。如果參考現行規范對貝雷梁結構進行設計計算不免會產生歧義。

工程實踐過程中，不同企業不同設計者會根據自身經驗參考不同的規范以及選擇不同的計算方法。本文將具體介紹分析常見的3種計算方法，并通過一系列的試驗，分析對不同計算方法的差異以及缺陷。

1 貝雷梁以及設計指標介紹

工程上常見為321型貝雷(圖1)，本文只針對321型貝雷進行討論。

圖1 單片321型貝雷梁結構示意圖[1]

根據《裝配鋼橋手冊》介紹貝雷梁為桁架結構，桁架的弦桿由2根10號槽鋼組合而成，斜桿和豎桿由8號工字鋼制成，所有桿件材質為16Mn。貝雷與貝雷之間通過銷軸連接。

1.1 桁架單元桿件設計指標

根據桿件截面面積以及當時的《老鋼橋規范》，裝配鋼橋手冊得到各桿件理論容許承載力如表1。

表1 貝雷桁架單元桿件理論容許承載力[1]

其中桁架各單元在各種受力狀態下不考慮壓彎穩定時的承載能力。

1.2 桁架等效梁單元設計指標

工程實踐中貝雷梁系由單元桁架銷接而成，單元間完全依靠銷軸傳力，結構分析可以單元桁架為研究對象，《裝配鋼橋手冊》將內力分為受純彎和純剪兩部分疊加而成[1]。

根據受力分析，彎矩由弦桿承受，剪力由豎桿和斜桿。再根據桿件的容許承載力推導出桁架單元等效梁單元特性，如表2。

表2 貝雷桁架梁單元特性表[1]

2 常見設計計算方法介紹與對比分析

2.1 等效梁單元計算控制貝雷彎矩和剪力

本文定義為方法一，設計方法采用容許應力法，貝雷等效為實腹鋼梁。計算貝雷梁內力時荷載組合中各分項系數均取1.0，計算所得的貝雷彎矩和剪力與表2的貝雷容許彎矩和容許剪力進行比較。貝雷以外的構件設計采用極限狀態設計方法，荷載組合各分項系數均依照現行規范取值。

此方法的優點是，結構計算簡便明了，貝雷設計與《裝配鋼橋手冊》保持高度的統一。

缺點主要有兩點：

(1)同一設計中容許應力法和極限狀態共存，可能會產生一定混淆和理解不當。例如，重慶市地方標準《現澆混凝土橋梁梁柱式模板支撐架安全技術規范》(DBJ 50-112—2016)，該規范采用的是極限狀態設計法，但其附錄C 貝雷梁的承載力設計值及截面幾何特性中所給的彎矩和剪力承載力設計值與本文1.2節所述的桁架等效梁單元容許彎矩和容許剪力一致。貝雷抗力設計與容許值取值一樣，難免會給設計者造成一定困擾，影響設計結果。

(2)某些情況下，等效梁單元無法反映真實受力情況。《裝配鋼橋手冊》中貝雷有特定的使用和構造要求，使用方法不當或構造不合理會導致貝雷桿件實際受力與理論受力出現偏差，導致貝雷無法達到等效預期效果。若實際使用過程中將貝雷支點設置在非豎桿處，必然會導致部分桿件內力偏大，而計算過程仍然按照梁單元等效簡化，實際與理論不符。如圖2所示，左邊非標準貝雷制作隨意，右邊貝雷支點設置在非節點非豎桿處。

圖2 貝雷實際使用示例

2.2 桁架計算控制桿件軸力

表3 貝雷桁架單元桿件承力設計值

此方法的優點是，計算過程較為簡便，能比較好地反映貝雷構件真實受力。

此方法的缺點主要有兩點：

(1)單一軸力并不能完全反映貝雷桿件受力情況。按照現行的鋼結構設計相關的標準和規范，貝雷按照桁架計算均達不到可以忽略節點剛性的條件，也就是說貝雷構件的彎矩不可忽略，特別是在側向荷載作用下，貝雷構件內力彎矩占比較大。

(2)《裝配鋼橋手冊》貝雷構件理論容許承載力的計算考慮了構件的軸穩定性的折減，但是其構件的軸壓穩定性計算與現行規范不一致。

①手冊[1]計算如下：

自由長度l0=0.9×99=89cm

回轉半徑ry=1.18cm

查表的軸心受壓構件的穩定系數φ=0.66

②按《鋼標》計算：

計算長度取桁架桿件節間長度l0=99cm

查表的軸心受壓構件的穩定系數φ=0.544

可見二者相差1.2倍，對貝雷桿件的設計影響較大。

2.3 桁架計算控制桿件強度和壓彎穩定性

本文定義為方法三，設計方法采用極限狀態法，按照桁架對貝雷進行設計計算，控制貝雷桿件強度和穩定性，計算貝雷桿件的內力時荷載組合按照現行規范取分項系數。計算得桿件軸力和彎矩，然后按照相應的鋼結構設計規范和標準進行桿件強度和穩定性驗算。

此方法的優點是，完全依照現行的規范進行設計計算，可以真實地反映桿件受力情況，同時保證了桿件強度和壓彎穩定性。

3 常見設計計算方法試驗對比

為更加具象三種計算方法對設計結果的差別，筆者將進行一系列試驗。主要試驗方法為，針對同一結構和同一荷載，分別通過三種方法進行計算并進行比較。

3.1 方法一試驗計算

工程實踐中，普通321型貝雷的跨度一般在6～21m之間居多。本試驗將選取單跨簡支結構進行試算，試驗跨度設計在6～21m之間，荷載為使貝雷達到其容許的彎矩或剪力所需的荷載，荷載定義為恒載，容許應力法荷載不乘分項系數，不考慮貝雷自重。結果如表4所示。

表4 方法一試驗計算結果

3.2 方法二試驗計算

試驗對象為試驗一中的跨度和荷載，按照《鋼結構設計標準》(GB 50017—2017)進行計算，恒載分項系數取1.35。計算提取各桿件的軸力，整理如表5所示。

表5 方法二試驗計算結果

將方法二試驗計算結果與方法一試驗計算結果對比可知，按方法一計算滿足要求時，貝雷在現行的規范體系內存在一定的安全風險。

二者差異主要原因有：2.2節中桿件承力提高比例系數1.117與荷載分項系數1.35存在著不對等情況；荷載施加方式不同，《裝配鋼橋手冊》荷載均以節點荷載施加，但是工程實際存在很多均布荷載的情況。

3.3 方法三試驗計算

試驗對象為試驗一中的跨度和荷載，按照《鋼標》進行計算，恒載分項系數取1.35。計算提取各桿件的軸力和彎矩，分別計算桿件強度和壓彎穩定性，整理結果如表6所示。根據計算分析可知，貝雷各構件均為平面外穩定性控制設計，故表6只列出平面外穩定計算結果。

表6 方法三試驗計算結果

從結果可知，方法三計算結果最不利。

方法三與方法二結果差異主要原因有：軸心受壓構件的穩定系數計算存在差異；計算穩定性時彎矩是否考慮了彎矩的影響。

4 常見設計計算方法實例對比

4.1 工程背景

漢江孤山航電樞紐主體二標二期工程，左區泄水閘共7跨9個排架柱，兩個排架柱之間設置系梁，系梁跨度17.8m，梁高1.5m，梁寬1m。系梁澆筑時采用貝雷梁結構，支架結構圖如圖3所示。

圖3 系梁支架結構圖

4.2 計算方法

對系梁支架分別按照3種方法進行建模計算，方法一貝雷按照梁簡化建模，方法二和方法三貝雷按照桁架建模。

圖4 貝雷按梁簡化計算模型圖

圖5 貝雷按桁架簡化計算模型圖

4.3 計算結果對比

方法一計算結果：貝雷最大彎矩為678kN·m，最大剪力為169kN，滿足要求，計算通過。

方法二計算結果：弦桿最大軸力為632kN，不滿足要求，其他桿件均能滿足要求。綜合結果計算不通過。

方法三計算結果：弦桿最大應力為408MPa，不滿足要求，上弦桿滿鋪分配梁，下弦桿受壓，不計算弦桿穩定性；豎桿最大應力為268MPa，穩定性1.62，不滿足要求；斜桿最大應力為223MPa，穩定性1.34。綜合結果計算不通過。

從實例計算結果對比分析可知，在方法一計算通過的情況下，方法二計算不通過，方法三計算不通過。其中方法三計算結果更加不利，總體而言使用方法一的風險更大，方法二風險稍小，計算結果總體趨勢與試驗對比比較吻合。

5 結論及建議

從上述試驗對比分析和實例對比分析可知，在現行規范體系下，方法三更加適用于貝雷結構的計算。方法三的計算方法既能模擬貝雷的真實受力，又能很好地契合現行規范，安全可靠。