公路工程施工便桥是公路工程施工中常见的临时性设施, 它在公路桥梁施工中起着举足轻重的作用。近20年来, 贝雷架梁钢便桥大量应用于地铁、市政工程的交通疏解及施工场地中。钢便桥的优势主要在于租赁方便、搭建迅速、适应性好, 能满足不同跨度及荷载要求、后期拆除方便、使用时间较短时租用费用低^[1]。

随着公路工程设计施工水平的飞速发展, 常用标准下承式钢便桥存在的问题逐步显现出来, 主要体现在:

1) 标准下承式钢便桥使用的桥面板桥面净宽小, 不方便履带式起重机及汽车式起重机作业。

2) 标准下承式钢便桥由于结构尺寸以及构件规格较小, 其承受的荷载有一定局限性^[2]。

3) 标准下承式施工钢便桥有效通行宽度为3.7m, 极限通行宽度4.0m;普通履带式机械通行要求4.5m。随着施工机械越来越大, 桥梁宽度已不能满足大型机械的通行要求。

为解决履带式起重机和大型载重汽车作业问题, 同时为提高钢便桥承载能力, 研发一种新型下承式钢便桥, 并对这种新型钢便桥进行静载试验和理论计算。

与传统下承式钢便桥相比, 该新型超宽下承式钢便桥具备如下特点。

1) 新型超宽下承式施工钢便桥有效通行宽度为4.27m, 极限通行宽度为4.57m。

2) 新型下承式钢便桥整体质量轻。

3) 新型下承式钢便桥高差小。

4) 新型超宽下承式施工钢便桥横梁采用H450×200型钢, 横梁安放空间大, 同时可以根据荷载情况及桥面净宽要求改变横梁尺寸。

该新型超宽钢便桥横梁通过贝雷片的定位销进行定位安装, 同时通过II型弹条固定, 通过横梁斜撑及拉杆将横梁与贝雷梁连接成整体, 整体稳定性好, 钢桥长25.5m、宽5.6m。两侧的主梁桁架由2片桁架组装而成, 每片桁架由8个贝雷片拼装而成。主梁桁架、横杆、剪刀撑共同组成钢便桥结构主体。钢便桥结构如图1所示。

静载试验模拟履带式起重机及载重汽车施工机械在桥面作业工况。

履带式起重机的宽度与钢便桥的宽度可以认为近似相等, 取4.77m。假定履带式起重机为2条矩形均布荷载布置在钢便桥上, 即履带式起重机2条履带与桥面直接接触。加载时预先搭设等面积垫板, 在垫板上进行均布堆载。考虑便携式桥梁仅通车使用, 并非施工操作面, 则加载量为履带式起重机自重的1.2倍 (不考虑吊重) 。最大弯矩工况分3级进行加载, 每次加载后静置5min进行观测, 最大剪力工况分2级进行加载, 每次加载后静置5min进行观测。

根据GBJ22—87《厂矿道路设计规范》^[3]第5.5.3条, 辅助道路按履带车-50级计算:考虑此桥梁计划应用工程中多为重载机械, 车重按80t计算, 其他规格按履带车计算, 履带长B=4.5m, 单条履带着地宽度l=0.35m, 履带横向中距L=2.5m。模拟履带式起重机采取2种工况。

钢便桥跨中位置堆载模拟最大弯矩工况, 如图2a所示。

钢便桥支座位置堆载模拟最大剪力工况, 如图2b所示。

模拟载重汽车加载时, 汽车轮距与钢便桥的宽度有一定差距, 取其最不利位置进行加载。在模拟汽车与钢便桥接触时, 用4个垫板模拟轮胎, 以集中力的形式加载在钢便桥上, 垫板上架垫板, 在板上堆积原材料加载。根据实际汽车情况, 在车头位置和车尾位置堆积不同质量的荷载。

根据GBJ22—87《厂矿道路设计规范》第5.5.3条, 并考虑该新型桥梁主要承受重载机械车重, 故荷载采用汽车超-20级计算;车重55t, 汽车的轴距B=4m, 轮距H=1.8m, 车头荷载F₁=50k N, 车尾荷载F₂=100k N, 单个轮胎接地面积0.3m×0.2m, 后轮按0.6m×0.2m计算。模拟载重汽车采取3种工况。

钢便桥跨中位置堆载, 模拟最大弯矩中心荷载情况, 如图2c所示。

钢便桥跨中位置堆载, 模拟最大弯矩偏心荷载情况, 如图2d所示。

钢便桥支座位置堆载, 模拟最大剪力偏心荷载情况, 如图2e所示。

静载试验过程中观测钢便桥结构关键构件的应力、应变及结构关键点位移随加载过程的变化。

本次静载试验的钢便桥按简支梁桥考虑, 根据相关试验规程, 简支梁桥的危险截面是: (1) 跨中主梁最大正弯矩截面; (2) 主梁L/4跨度处较大弯矩及较大剪力截面; (3) 支座附近主梁最大剪力截面。

分别针对上述3类危险截面布置测点, 2个主梁桁架支座处的上下腹杆;1/4处的上下腹杆和上下弦杆;跨中的上下弦杆;跨中横杆和跨中处的剪刀撑。每根杆件粘贴2个应变片, 测点布置如图3所示。

钢便桥的2个主梁桁架和纵向系杆的边支座处、1/4跨处、跨中处、3/4跨处分别布置竖向位移传感器, 在钢便桥的跨中布置横向位移传感器。

桥梁跨度24m, 测点布置由一侧支座开始至跨中再至另一侧支座每隔6m布置一测点, 监测两侧贝雷架垂直位移, 测点布置于桥梁两侧主桁架中的内侧桁架底部;桥梁跨中横梁、纵梁相交位置布置1个测点, 监测桥梁跨中纵梁垂直位移;桥梁中部布置1个测点, 监测桥梁跨中水平位移点。测点布置如图4所示。

根据新型下承式钢便桥试验总图进行整体三维空间建模, 采用通用有限元分析软件MIDAS Gen8.3.6进行计算分析, 采用杆端弯矩释放模拟定位销连接做法, 采用弹性连接模拟钢便桥边界条件, 考虑施工仿真模拟分析进行各级荷载施加。依据前述加载工况, 计算各级荷载作用下, 各测量杆件应力分布以及关键点位移变化。以工况3为例, 最大荷载作用下结构构件应力分布如图5所示。

在加载过程中对钢便桥的挠度、应力、应变进行测量监控, 并与理论计算结果进行比较分析。各工况下测点数据 (示例) 对比如图6所示。

从上述应变、位移试验结果与理论计算结果对比图看出:测点在加载过程中变化趋势与理论计算结果基本相吻合, 大部分测点加载过程中的实测数值与理论计算值基本一致。

针对新型超宽下承式钢便桥进行了模拟履带式起重机以及载重汽车作用下的5种工况下满载试验, 测试加载试验过程中的构件内力以及结构变形, 并与理论计算结果进行对比分析。试验结果表明:

1) 构件表面应力在各种工况满载作用下未出现杆件屈服现象;结构变形也未出现超过规范容许限值的现象。说明该新型下承式钢便桥可以满足使用要求, 其安全性和使用性可以得到保证。

2) 所有测点在加载过程中变化趋势与理论计算基本相符, 绝大部分测点加载过程中的实测数值与理论计算基本一致。说明实际结构的安装与组装具备结构计算所需要的可简化性。

综上, 通过本次试验, 证明新型加宽下承式钢便桥在传统便桥结构的基础上进行适当改进, 弥补了传统钢便桥在施工中的不便, 同时又满足安全性和实用性的要求, 可以在充分论证的基础上投入到实际工程应用。