貝雷梁結(jié)構(gòu)計(jì)算方法對(duì)比分析

程明明

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司 武漢市 430040； 2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢市 430040)

0 引言

貝雷梁原為軍用產(chǎn)品，隨著我國(guó)公路建設(shè)的發(fā)展，貝雷梁逐漸被利用在公路橋梁臨時(shí)結(jié)構(gòu)中。高效的周轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)在工程建設(shè)尤其是公路橋梁建設(shè)中發(fā)揮了重要的作用。

縱觀國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范，均無(wú)貝雷梁設(shè)計(jì)計(jì)算針對(duì)性的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，僅部分地方標(biāo)準(zhǔn)有所涉及。引用程度最高的為廣州軍區(qū)工程科研設(shè)計(jì)所編寫(xiě)的《裝配式公路鋼橋多用途使用手冊(cè)》，以下簡(jiǎn)稱(chēng)《裝配鋼橋手冊(cè)》。然而《裝配鋼橋手冊(cè)》主要設(shè)計(jì)依據(jù)為1986年頒布的《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ 025—86)，以下簡(jiǎn)稱(chēng)《老鋼橋規(guī)范》。

《老鋼橋規(guī)范》采用的是容許應(yīng)力法，然而現(xiàn)行規(guī)范均廣泛采用考慮分項(xiàng)系數(shù)的極限狀態(tài)法。如果參考現(xiàn)行規(guī)范對(duì)貝雷梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算不免會(huì)產(chǎn)生歧義。

工程實(shí)踐過(guò)程中，不同企業(yè)不同設(shè)計(jì)者會(huì)根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)參考不同的規(guī)范以及選擇不同的計(jì)算方法。本文將具體介紹分析常見(jiàn)的3種計(jì)算方法，并通過(guò)一系列的試驗(yàn)，分析對(duì)不同計(jì)算方法的差異以及缺陷。

1 貝雷梁以及設(shè)計(jì)指標(biāo)介紹

工程上常見(jiàn)為321型貝雷(圖1)，本文只針對(duì)321型貝雷進(jìn)行討論。

圖1 單片321型貝雷梁結(jié)構(gòu)示意圖[1]

根據(jù)《裝配鋼橋手冊(cè)》介紹貝雷梁為桁架結(jié)構(gòu)，桁架的弦桿由2根10號(hào)槽鋼組合而成，斜桿和豎桿由8號(hào)工字鋼制成，所有桿件材質(zhì)為16Mn。貝雷與貝雷之間通過(guò)銷(xiāo)軸連接。

1.1 桁架單元桿件設(shè)計(jì)指標(biāo)

根據(jù)桿件截面面積以及當(dāng)時(shí)的《老鋼橋規(guī)范》，裝配鋼橋手冊(cè)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(tài)下不考慮壓彎穩(wěn)定時(shí)的承載能力。

1.2 桁架等效梁?jiǎn)卧O(shè)計(jì)指標(biāo)

工程實(shí)踐中貝雷梁系由單元桁架銷(xiāo)接而成，單元間完全依靠銷(xiāo)軸傳力，結(jié)構(gòu)分析可以單元桁架為研究對(duì)象，《裝配鋼橋手冊(cè)》將內(nèi)力分為受純彎和純剪兩部分疊加而成[1]。

根據(jù)受力分析，彎矩由弦桿承受，剪力由豎桿和斜桿。再根據(jù)桿件的容許承載力推導(dǎo)出桁架單元等效梁?jiǎn)卧匦?，如?。

表2 貝雷桁架梁?jiǎn)卧匦员韀1]

2 常見(jiàn)設(shè)計(jì)計(jì)算方法介紹與對(duì)比分析

2.1 等效梁?jiǎn)卧?jì)算控制貝雷彎矩和剪力

本文定義為方法一，設(shè)計(jì)方法采用容許應(yīng)力法，貝雷等效為實(shí)腹鋼梁。計(jì)算貝雷梁內(nèi)力時(shí)荷載組合中各分項(xiàng)系數(shù)均取1.0，計(jì)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(jìn)行比較。貝雷以外的構(gòu)件設(shè)計(jì)采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，荷載組合各分項(xiàng)系數(shù)均依照現(xiàn)行規(guī)范取值。

此方法的優(yōu)點(diǎn)是，結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)便明了，貝雷設(shè)計(jì)與《裝配鋼橋手冊(cè)》保持高度的統(tǒng)一。

缺點(diǎn)主要有兩點(diǎn)：

(1)同一設(shè)計(jì)中容許應(yīng)力法和極限狀態(tài)共存，可能會(huì)產(chǎn)生一定混淆和理解不當(dāng)。例如，重慶市地方標(biāo)準(zhǔn)《現(xiàn)澆混凝土橋梁梁柱式模板支撐架安全技術(shù)規(guī)范》(DBJ 50-112—2016)，該規(guī)范采用的是極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，但其附錄C 貝雷梁的承載力設(shè)計(jì)值及截面幾何特性中所給的彎矩和剪力承載力設(shè)計(jì)值與本文1.2節(jié)所述的桁架等效梁?jiǎn)卧菰S彎矩和容許剪力一致。貝雷抗力設(shè)計(jì)與容許值取值一樣，難免會(huì)給設(shè)計(jì)者造成一定困擾，影響設(shè)計(jì)結(jié)果。

(2)某些情況下，等效梁?jiǎn)卧獰o(wú)法反映真實(shí)受力情況。《裝配鋼橋手冊(cè)》中貝雷有特定的使用和構(gòu)造要求，使用方法不當(dāng)或構(gòu)造不合理會(huì)導(dǎo)致貝雷桿件實(shí)際受力與理論受力出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致貝雷無(wú)法達(dá)到等效預(yù)期效果。若實(shí)際使用過(guò)程中將貝雷支點(diǎn)設(shè)置在非豎桿處，必然會(huì)導(dǎo)致部分桿件內(nèi)力偏大，而計(jì)算過(guò)程仍然按照梁?jiǎn)卧刃Ш?jiǎn)化，實(shí)際與理論不符。如圖2所示，左邊非標(biāo)準(zhǔn)貝雷制作隨意，右邊貝雷支點(diǎn)設(shè)置在非節(jié)點(diǎn)非豎桿處。

圖2 貝雷實(shí)際使用示例

2.2 桁架計(jì)算控制桿件軸力

表3 貝雷桁架單元桿件承力設(shè)計(jì)值

此方法的優(yōu)點(diǎn)是，計(jì)算過(guò)程較為簡(jiǎn)便，能比較好地反映貝雷構(gòu)件真實(shí)受力。

此方法的缺點(diǎn)主要有兩點(diǎn)：

(1)單一軸力并不能完全反映貝雷桿件受力情況。按照現(xiàn)行的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，貝雷按照桁架計(jì)算均達(dá)不到可以忽略節(jié)點(diǎn)剛性的條件，也就是說(shuō)貝雷構(gòu)件的彎矩不可忽略，特別是在側(cè)向荷載作用下，貝雷構(gòu)件內(nèi)力彎矩占比較大。

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

①手冊(cè)[1]計(jì)算如下：

自由長(zhǎng)度l0=0.9×99=89cm

回轉(zhuǎn)半徑ry=1.18cm

查表的軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)φ=0.66

②按《鋼標(biāo)》計(jì)算：

計(jì)算長(zhǎng)度取桁架桿件節(jié)間長(zhǎng)度l0=99cm

查表的軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)φ=0.544

可見(jiàn)二者相差1.2倍，對(duì)貝雷桿件的設(shè)計(jì)影響較大。

2.3 桁架計(jì)算控制桿件強(qiáng)度和壓彎穩(wěn)定性

本文定義為方法三，設(shè)計(jì)方法采用極限狀態(tài)法，按照桁架對(duì)貝雷進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，控制貝雷桿件強(qiáng)度和穩(wěn)定性，計(jì)算貝雷桿件的內(nèi)力時(shí)荷載組合按照現(xiàn)行規(guī)范取分項(xiàng)系數(shù)。計(jì)算得桿件軸力和彎矩，然后按照相應(yīng)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行桿件強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算。

此方法的優(yōu)點(diǎn)是，完全依照現(xiàn)行的規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，可以真實(shí)地反映桿件受力情況，同時(shí)保證了桿件強(qiáng)度和壓彎穩(wěn)定性。

3 常見(jiàn)設(shè)計(jì)計(jì)算方法試驗(yàn)對(duì)比

為更加具象三種計(jì)算方法對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的差別，筆者將進(jìn)行一系列試驗(yàn)。主要試驗(yàn)方法為，針對(duì)同一結(jié)構(gòu)和同一荷載，分別通過(guò)三種方法進(jìn)行計(jì)算并進(jìn)行比較。

3.1 方法一試驗(yàn)計(jì)算

工程實(shí)踐中，普通321型貝雷的跨度一般在6～21m之間居多。本試驗(yàn)將選取單跨簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)進(jìn)行試算，試驗(yàn)跨度設(shè)計(jì)在6～21m之間，荷載為使貝雷達(dá)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(yīng)力法荷載不乘分項(xiàng)系數(shù)，不考慮貝雷自重。結(jié)果如表4所示。

表4 方法一試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

3.2 方法二試驗(yàn)計(jì)算

試驗(yàn)對(duì)象為試驗(yàn)一中的跨度和荷載，按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)進(jìn)行計(jì)算，恒載分項(xiàng)系數(shù)取1.35。計(jì)算提取各桿件的軸力，整理如表5所示。

表5 方法二試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

將方法二試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果與方法一試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知，按方法一計(jì)算滿足要求時(shí)，貝雷在現(xiàn)行的規(guī)范體系內(nèi)存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

二者差異主要原因有：2.2節(jié)中桿件承力提高比例系數(shù)1.117與荷載分項(xiàng)系數(shù)1.35存在著不對(duì)等情況；荷載施加方式不同，《裝配鋼橋手冊(cè)》荷載均以節(jié)點(diǎn)荷載施加，但是工程實(shí)際存在很多均布荷載的情況。

3.3 方法三試驗(yàn)計(jì)算

試驗(yàn)對(duì)象為試驗(yàn)一中的跨度和荷載，按照《鋼標(biāo)》進(jìn)行計(jì)算，恒載分項(xiàng)系數(shù)取1.35。計(jì)算提取各桿件的軸力和彎矩，分別計(jì)算桿件強(qiáng)度和壓彎穩(wěn)定性，整理結(jié)果如表6所示。根據(jù)計(jì)算分析可知，貝雷各構(gòu)件均為平面外穩(wěn)定性控制設(shè)計(jì)，故表6只列出平面外穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果。

表6 方法三試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

從結(jié)果可知，方法三計(jì)算結(jié)果最不利。

方法三與方法二結(jié)果差異主要原因有：軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算存在差異；計(jì)算穩(wěn)定性時(shí)彎矩是否考慮了彎矩的影響。

4 常見(jiàn)設(shè)計(jì)計(jì)算方法實(shí)例對(duì)比

4.1 工程背景

漢江孤山航電樞紐主體二標(biāo)二期工程，左區(qū)泄水閘共7跨9個(gè)排架柱，兩個(gè)排架柱之間設(shè)置系梁，系梁跨度17.8m，梁高1.5m，梁寬1m。系梁澆筑時(shí)采用貝雷梁結(jié)構(gòu)，支架結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 系梁支架結(jié)構(gòu)圖

4.2 計(jì)算方法

對(duì)系梁支架分別按照3種方法進(jìn)行建模計(jì)算，方法一貝雷按照梁簡(jiǎn)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(jiǎn)化計(jì)算模型圖

圖5 貝雷按桁架簡(jiǎn)化計(jì)算模型圖

4.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

方法一計(jì)算結(jié)果：貝雷最大彎矩為678kN·m，最大剪力為169kN，滿足要求，計(jì)算通過(guò)。

方法二計(jì)算結(jié)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(jié)果計(jì)算不通過(guò)。

方法三計(jì)算結(jié)果：弦桿最大應(yīng)力為408MPa，不滿足要求，上弦桿滿鋪分配梁，下弦桿受壓，不計(jì)算弦桿穩(wěn)定性；豎桿最大應(yīng)力為268MPa，穩(wěn)定性1.62，不滿足要求；斜桿最大應(yīng)力為223MPa，穩(wěn)定性1.34。綜合結(jié)果計(jì)算不通過(guò)。

從實(shí)例計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析可知，在方法一計(jì)算通過(guò)的情況下，方法二計(jì)算不通過(guò)，方法三計(jì)算不通過(guò)。其中方法三計(jì)算結(jié)果更加不利，總體而言使用方法一的風(fēng)險(xiǎn)更大，方法二風(fēng)險(xiǎn)稍小，計(jì)算結(jié)果總體趨勢(shì)與試驗(yàn)對(duì)比比較吻合。

5 結(jié)論及建議

從上述試驗(yàn)對(duì)比分析和實(shí)例對(duì)比分析可知，在現(xiàn)行規(guī)范體系下，方法三更加適用于貝雷結(jié)構(gòu)的計(jì)算。方法三的計(jì)算方法既能模擬貝雷的真實(shí)受力，又能很好地契合現(xiàn)行規(guī)范，安全可靠。