程明明
中交第二航務工程局有限公司 長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室
摘 要：貝雷梁以其高效的周轉性和鋼材截面使用率在工程建設臨時結構中得到廣泛應用，但由于缺乏針對性的規範标準，其設計計算方法在不同企業、不同設計者中存在不統一的情況，在現行規範體系下，部分設計計算方法存在一定的安全風險。對常見的三種設計計算方法進行介紹并予以對比，分析各種方法的差異及存在的缺陷，以尋找最适合于貝雷梁結構計算的方法。
關鍵詞：貝雷梁;計算方法;容許應力法;極限狀态法;對比分析;
0 引言
貝雷梁原為軍用産品，随着大陸公路建設的發展，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使用率，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。
縱觀國家标準和行業規範，均無貝雷梁設計計算針對性的标準規範，僅部分地方标準有所涉及。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範》(JTJ 025—86)，以下簡稱《老鋼橋規範》。
《老鋼橋規範》采用的是容許應力法，然而現行規範均廣泛采用考慮分項系數的極限狀态法。如果參考現行規範對貝雷梁結構進行設計計算不免會産生歧義。
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範以及選擇不同的計算方法。本文将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 貝雷梁以及設計名額介紹
工程上常見為321型貝雷(圖1)，本文隻針對321型貝雷進行讨論。
圖1 單片321型貝雷梁結構示意圖[1] 下載下傳原圖
根據《裝配鋼橋手冊》介紹貝雷梁為桁架結構，桁架的弦杆由2根10号槽鋼組合而成，斜杆和豎杆由8号工字鋼制成，所有杆件材質為16Mn。貝雷與貝雷之間通過銷軸連接配接。
1.1 桁架單元杆件設計名額
根據杆件截面面積以及當時的《老鋼橋規範》，裝配鋼橋手冊得到各杆件理論容許承載力如表1。
表1 貝雷桁架單元杆件理論容許承載力[1] 下載下傳原圖
其中桁架各單元在各種受力狀态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名額
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》将内力分為受純彎和純剪兩部分疊加而成[1]。
根據受力分析，彎矩由弦杆承受，剪力由豎杆和斜杆。再根據杆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] 下載下傳原圖
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。計算貝雷梁内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态設計方法，荷載組合各分項系數均依照現行規範取值。
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态共存，可能會産生一定混淆和了解不當。例如，重慶市地方标準《現澆混凝土橋梁梁柱式模闆支撐架安全技術規範》(DBJ 50-112—2016)，該規範采用的是極限狀态設計法，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緻。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緻貝雷杆件實際受力與理論受力出現偏差，導緻貝雷無法達到等效預期效果。若實際使用過程中将貝雷支點設定在非豎杆處，必然會導緻部分杆件内力偏大，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，左邊非标準貝雷制作随意，右邊貝雷支點設定在非節點非豎杆處。
2.2 桁架計算控制杆件軸力
本文定義為方法二，設計方法采用極限狀态法，按照桁架對貝雷進行設計計算，控制貝雷杆件的軸力，計算貝雷杆件的軸力時荷載組合按照現行規範取分項系數。杆件的承載力設計值由其理論容許承載力乘以比例系數得到。例如，若設計參考《鋼結構設計标準》(GB 50017—2017)，以下簡稱《鋼标》，Q345(16Mn)鋼材設計強度為305N/mm2[2]。《裝配鋼橋手冊》中16Mn容許應力為273N/mm2，那麼比例系數
。得到杆件承力設計值如表3。
圖2 貝雷實際使用示例 下載下傳原圖
表3 貝雷桁架單元杆件承力設計值 下載下傳原圖
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杆件受力情況。按照現行的鋼結構設計相關的标準和規範，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，特别是在側向荷載作用下，貝雷構件内力彎矩占比較大。
(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範不一緻。
①手冊[1]計算如下:
②按《鋼标》計算:
計算長度取桁架杆件節間長度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，對貝雷杆件的設計影響較大。
2.3 桁架計算控制杆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态法，按照桁架對貝雷進行設計計算，控制貝雷杆件強度和穩定性，計算貝雷杆件的内力時荷載組合按照現行規範取分項系數。計算得杆件軸力和彎矩，然後按照相應的鋼結構設計規範和标準進行杆件強度和穩定性驗算。
此方法的優點是，完全依照現行的規範進行設計計算，可以真實地反映杆件受力情況，同時保證了杆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别，筆者将進行一系列試驗。主要試驗方法為，針對同一結構和同一荷載，分别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。本試驗将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 下載下傳原圖
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《鋼結構設計标準》(GB 50017—2017)進行計算，恒載分項系數取1.35。計算提取各杆件的軸力，整理如表5所示。
其中設計比為杆件軸力與表3杆件承載力設計杆件設計軸力值的比值。即
表5 方法二試驗計算結果 下載下傳原圖
将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，貝雷在現行的規範體系記憶體在一定的安全風險。
二者差異主要原因有:2.2節中杆件承力提高比例系數1.117與荷載分項系數1.35存在着不對等情況;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《鋼标》進行計算，恒載分項系數取1.35。計算提取各杆件的軸力和彎矩，分别計算杆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隻列出平面外穩定計算結果。
表6 方法三試驗計算結果 下載下傳原圖
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 常見設計計算方法執行個體對比
4.1 工程背景
漢江孤山航電樞紐主體二标二期工程，左區洩水閘共7跨9個排架柱，兩個排架柱之間設定系梁，系梁跨度17.8m，梁高1.5m，梁寬1m。系梁澆築時采用貝雷梁結構，支架結構圖如圖3所示。
4.2 計算方法
對系梁支架分别按照3種方法進行模組化計算，方法一貝雷按照梁簡化模組化，方法二和方法三貝雷按照桁架模組化。
圖3 系梁支架結構圖 下載下傳原圖
圖4 貝雷按梁簡化計算模型圖 下載下傳原圖
圖5 貝雷按桁架簡化計算模型圖 下載下傳原圖
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:弦杆最大軸力為632kN，不滿足要求，其他杆件均能滿足要求。綜合結果計算不通過。
方法三計算結果:弦杆最大應力為408MPa，不滿足要求，上弦杆滿鋪配置設定梁，下弦杆受壓，不計算弦杆穩定性;豎杆最大應力為268MPa，穩定性1.62，不滿足要求;斜杆最大應力為223MPa，穩定性1.34。綜合結果計算不通過。
從執行個體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執行個體對比分析可知，在現行規範體系下，方法三更加适用于貝雷結構的計算。方法三的計算方法既能模拟貝雷的真實受力，又能很好地契合現行規範，安全可靠。
參考文獻
[1] 黃紹金，劉陌生．裝配式公路鋼橋多用途使用手冊[M]．北京:人民交通出版社，2003.
[2] 中華人民共和國住房與城鄉建設部，中華人民共和國國家品質監督檢驗檢疫總局．鋼結構設計标準:GB 50017—2017[S]．北京:中國建築工業出版社，2017.