張振宇 陳德偉

摘 要：麻池村無(wú)止橋是香港無(wú)止橋慈善基金發(fā)起，香港離島扶輪社贊助，由內(nèi)地學(xué)生自主設(shè)計(jì)和施工的輕型貝雷橋。施工結(jié)束后經(jīng)測(cè)量，貝雷橋?qū)嶋H撓度與設(shè)計(jì)值差距較大。本文通過(guò)有限元軟件Midas/Civil建模計(jì)算該貝雷橋的恒載撓度并與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比分析，給出造成貝雷橋?qū)嶋H下?lián)媳壤碚撚?jì)算大的原因，并提出改善建議。

關(guān)鍵詞：無(wú)止橋；輕型貝雷片；撓度；連接；轉(zhuǎn)動(dòng)

1 項(xiàng)目概況

麻池村無(wú)止橋是第一座由學(xué)生自主設(shè)計(jì)和施工的人行貝雷橋。該橋位于重慶市彭水縣麻池村，橋梁?jiǎn)慰绮贾?，總長(zhǎng)15.2m，人行寬度1.25m，貝雷片及相關(guān)構(gòu)件采用Q235型鋼，單節(jié)貝雷片長(zhǎng)1.9m，全橋共8段貝雷片。貝雷片上下弦桿為C6.3槽鋼，直腹桿及斜腹桿采用C5槽鋼，橫梁采用I10工字鋼，抗風(fēng)拉桿采用L5角鋼。橋面板橫向分為兩塊，每塊長(zhǎng)1.89m，為4mm波紋鋼板焊接5cm高加勁肋。橋梁設(shè)計(jì)壽命10年，設(shè)計(jì)人群荷載取3.0kN/m2。

該貝雷橋由志愿者自行拼裝完成，施工結(jié)束后測(cè)量全橋恒載撓度。3月29日中午測(cè)量橋梁活載撓度，由于測(cè)量條件所限，不能全跨布置人群荷載，測(cè)量時(shí)選取18個(gè)體型偏大的男生站在中跨兩個(gè)節(jié)間內(nèi)，假設(shè)每個(gè)男生體重80kg，則相當(dāng)于在跨中兩個(gè)節(jié)段內(nèi)施加3.0kN/m2的人群荷載。測(cè)量當(dāng)日均為陰天，氣溫變化較小，故可忽略溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。貝雷橋上測(cè)點(diǎn)位于貝雷片上弦節(jié)間處，貝雷片分為河流上游和河流下游兩側(cè)，每側(cè)貝雷片布置端頭兩個(gè)測(cè)點(diǎn)加上中間七個(gè)節(jié)間共九個(gè)測(cè)點(diǎn)，雙側(cè)共18個(gè)測(cè)點(diǎn)，用水準(zhǔn)儀測(cè)量測(cè)點(diǎn)處的高程值。

圖中綠色曲線表示下游側(cè)貝雷片上弦撓度，黃色表示上游側(cè)貝雷片上弦撓度。由測(cè)量結(jié)果，29日中午的撓度測(cè)量值小于后兩次的測(cè)量值，29日下午和1日中午的撓度測(cè)量值基本一致，可認(rèn)為橋梁下?lián)线M(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。上游側(cè)貝雷片最終撓度為8.9cm，下游側(cè)為6.2cm，平均撓度7.5cm；上游側(cè)貝雷片撓度大于下游側(cè)，跨中最大撓度之差為2.8cm，表明橋梁略微向上游側(cè)傾斜。

在跨中布置人群荷載的情況下，橋梁跨中撓度平均增加6mm，增加幅度為9%。

2 有限元建模計(jì)算

采用有限元軟件Midas/Civil計(jì)算貝雷橋恒載和活載撓度。建立貝雷橋的有限元模型時(shí)可以忽略各種次要構(gòu)件和螺栓等，只對(duì)桁架、橫梁、斜撐、抗風(fēng)拉桿建模[1]。若各構(gòu)件仍用實(shí)際尺寸模擬，所得橋梁自重荷載將比實(shí)際值小。為了解決這一問(wèn)題，可以將被忽略的構(gòu)件重量折算到所建立的有限元模型上，通過(guò)調(diào)整這些構(gòu)件的密度使自重荷載與實(shí)際相符。由于模型中不包括橋面板，將橋面板的自重荷載折算為均布荷載加在橫梁上。

對(duì)單片貝雷片不能采桁架單元對(duì)其進(jìn)行建模，因?yàn)槿绻殃庩?yáng)頭連接看作是鉸接，該結(jié)構(gòu)將是幾何可變體系，而這與實(shí)際情況是不符合的。文獻(xiàn)[2]對(duì)于此問(wèn)題提出了兩種可行的有限元模型。第一種是桿梁混合模型，根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)情況，將弦桿和豎桿作為連續(xù)構(gòu)件，用梁?jiǎn)卧M；斜腹桿用桁架桿單元模擬，這種模型低估了斜腹桿兩端焊縫的嵌固作用。第二種是梁?jiǎn)卧Ｐ停袠?gòu)件均用梁?jiǎn)卧M，這種模型高估了腹桿兩端焊縫的嵌固作用。對(duì)比兩種模型的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，它們對(duì)結(jié)構(gòu)整體的模擬效果幾乎相同，兩種模型的撓度計(jì)算結(jié)果幾乎一致[3]。本文采用的是梁?jiǎn)卧Ｐ?，全橋均用梁?jiǎn)卧M，共313個(gè)單元，198個(gè)節(jié)點(diǎn)?；钶d加載方式為在中間兩跨的橫梁上加與實(shí)際活載大小相同的等效線荷載。在恒載作用下，結(jié)構(gòu)跨中最大撓度為3.3mm；在恒載與活載的組合作用下結(jié)構(gòu)跨中最大撓度為9.3mm，活載作用下結(jié)構(gòu)撓度增加6mm。

3 計(jì)算值與實(shí)測(cè)值差異分析

該貝雷橋成橋后，在人群荷載的作用下實(shí)際結(jié)構(gòu)下?lián)吓cMidas計(jì)算結(jié)果相等，說(shuō)明用梁?jiǎn)卧M該貝雷橋可得到較為精確的結(jié)果。在恒載作用下，結(jié)構(gòu)撓度實(shí)測(cè)值約為7.5mm，而電算結(jié)果為3.3mm，差距較大。分析其原因有以下幾個(gè)。

（1）貝雷片在陰陽(yáng)頭連接處會(huì)有一定轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)下?lián)?。貝雷片之間采用陰陽(yáng)頭連接，陰頭在構(gòu)造上會(huì)有一個(gè)凸出的部分，剛好卡在陽(yáng)頭的槽鋼中，從而限制接頭處的轉(zhuǎn)動(dòng)。而實(shí)際上由于加工誤差，凸出部分不能卡到槽鋼中，僅靠螺栓連接會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在連接處出現(xiàn)一定的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)到一定角度后接頭處卡死不再轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)誤差積累將導(dǎo)致橋梁越靠近跨中撓度越大。在橋梁架設(shè)到位后連接處轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到最大，橋梁跨中撓度也達(dá)到最大。

（2）陰陽(yáng)頭連接采用高強(qiáng)螺栓，螺栓孔徑大于螺桿直徑，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)下?lián)?。由于該貝雷片為非?biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，沒(méi)有專(zhuān)用的銷(xiāo)釘，在設(shè)計(jì)時(shí)將陰陽(yáng)頭原來(lái)的銷(xiāo)釘連接改用M30高強(qiáng)螺栓連接。根據(jù)規(guī)范要求，M30螺栓孔孔徑為32mm，比螺桿直徑大2mm。誤差積累下去導(dǎo)致跨中撓度增大。

（3）結(jié)構(gòu)電算時(shí)全橋采用梁?jiǎn)卧?，所有?jié)點(diǎn)均為剛結(jié)點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果偏小。實(shí)際結(jié)構(gòu)除了貝雷片內(nèi)部為焊接，可看作剛接外，其余連接均為半剛接或鉸接。在全橋穩(wěn)定之前這些節(jié)點(diǎn)均可轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度。在全橋穩(wěn)定后，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到最大且不能再繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)節(jié)點(diǎn)可看作剛接。故結(jié)構(gòu)電算將所有節(jié)點(diǎn)視為剛結(jié)點(diǎn)將導(dǎo)致自重荷載作用產(chǎn)生的撓度偏小。當(dāng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定下來(lái)之后，所有節(jié)點(diǎn)不再發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，計(jì)算的活載撓度與實(shí)際測(cè)量值相同表明此時(shí)用剛結(jié)點(diǎn)模擬可得到與實(shí)際情況較為吻合的結(jié)果，。

4.結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

造成該人行貝雷橋的恒載撓度實(shí)測(cè)值遠(yuǎn)大于計(jì)算值的主要原因是貝雷片節(jié)點(diǎn)連接處發(fā)生少量轉(zhuǎn)動(dòng)，每節(jié)貝雷片轉(zhuǎn)動(dòng)積累導(dǎo)致跨中出現(xiàn)較大撓度。螺栓孔徑大于螺桿直徑以及加工誤差等都會(huì)增大跨中撓度。另外，在建模計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的情況，否則所得撓度值偏小。

4.2 建議

為確保貝雷橋成橋時(shí)接近理想成橋狀態(tài)，保證橋梁使用安全性，提出以下改良建議。

（1）提高工廠加工精度，保證陰頭凸起部分能剛好插入陽(yáng)頭槽鋼中，限制陰陽(yáng)頭處相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

（2）陰陽(yáng)頭連接采用銷(xiāo)釘。銷(xiāo)釘孔徑與銷(xiāo)釘直徑大小相等，消除螺栓孔徑大于螺桿直徑對(duì)結(jié)構(gòu)撓度的影響。

（3）結(jié)構(gòu)拼裝過(guò)程中盡量保持水平，在橋架落位之前保證貝雷橋的成橋線型。

參考文獻(xiàn)

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[3] 徐關(guān)堯，朱杰.裝配式公路鋼橋使用中應(yīng)注意的若干問(wèn)題[C].中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)全國(guó)會(huì)員代表大會(huì)暨學(xué)術(shù)年會(huì)，2007.