贝雷架桥机何以垮塌资料.doc

贝雷架桥机何以垮塌？ 廖治勇 2007-11-10 000如所周知，贝雷钢梁是由英国工程师贝雷于二战前期设计的、用于战争中抢修（桥跨、墩台和路基缺口）的公路桥梁器材。在二战之后半个多世纪以来，作为战争、地震、水毁和其他意外事故造成的毁损桥梁、路基的紧急抢修设备，我国铁路上备用的是钢钣梁、日本99式军用梁、钢塔架和起源于前苏联的万能杆件，而主要是中国于上个世纪六十年代自行设计制造的拆装式梁；而公路上备用的主要是贝雷梁器材。贝雷因其杆件轻巧，人力易于快速拼装，很适用于公路桥梁的抢修而风行世界。美国在二战期间曾用美制型钢仿造英国贝雷桥。该器材也在20世纪六十年代公制化和国产化，取名为321钢梁。在非战争及非洪灾的某些时期，为了“平战结合”，更加节约、合理地发挥这些设备的作用，也在可控制、有计划的前提下，适当地将上述钢结构器材调用于经济建设之中。不论是上述的拆装式梁、万能杆件，还是321钢梁，其国产化，都是以我国钢铁冶炼、轧制和钢梁制造工业的发展、进步为基础的。其基本钢材用的都是低合金钢16MN，强度高，可焊性、抗冲击韧性好；其桁片销栓钢材为30CrMnTi；这些通用杆件或零件，由于广泛的互换性要求，也为了使拼装成的结构构架具备必要的刚度，对其平直度、垂直度、孔径、杆径、孔距及焊接的要求较高，需要尽可能高的制造加工精度，必须由具有充分的设备、足够的技术力量、严格的制造工艺和检验程序的专门的桥梁工厂制造，方能保证其质量。原二战时期由盟国进口的贝雷钢梁，其尺寸系统为英制。国产化将其尺寸系统调改为公制，孔、栓直径也微有变化，他们之间是不能混用互换的。好在这种剩余的器材已经为数不多。改革开放以来，公路、高速公路、市政高架道桥和铁路建设迅速发展，应运而生的施工企业以惊人的速度建立、发展和壮大起来。在为数众多的施工工地上，随处可见用贝雷搭设的龙门架、现浇支架、索塔、拱架、悬拼悬浇挂篮、临时便桥和架桥机，贝雷钢桥器材得到了极其广泛的应用。但是，由于原设计的构造体系只能是针对贝雷桥梁本身，不可能顾及扩大了的、多变的、各种各样的运用具体情节，在贝雷钢桥广泛运用的实践中，部份施工企业管理和技术人员或者掉以轻心，或者缺乏对于桁架在承载时侧倾失稳这一重大问题的认识（也是一种所谓“结构感”或“结构直觉”），没有采取必要的构造措施，以至酿成重大事故的不幸事件时有发生。据报载， 2006年10月19日15时20分，某施工单位在准备架设浙赣铁路之上的跨线桥，引渡贝雷架桥机构架（三片单层）快到“对岸”时，不幸构架侧倾扭坠，横压于浙赣线（复线）轨道之上，造成浙赣铁路中断5个多小时的重大事故，除了一批贝雷器材报废、铁路电力接触网修复这点小的损失之外，给予铁路运输造成的直接损失和给社会带来的间接经济损失是极其巨大的。数年之前，几位朋友在某地负责改建一座大桥。先要拆除旧桥，将原有的多跨37米跨钢筋混凝土双曲拱桥的拱体拆除。为此而在跨间架设了架桥机（每侧单层3片）。施工在实施南端第一孔拱肋分段拆除时，不幸贝雷扭坠河中，造成当时操作民工多人死伤，贝雷器材报废，工期拖延，追究直接责任人的刑事责任，经济损失重大，在建桥人们的心理造成极大的压力和难以消散的阴影。2001年9月25日，福建三明至福州公路的三明连接线匝道桥的现浇支架在加载预压时发生垮塌，造成人员6死20伤的重大事故。调查分析认为是其“各榀贝雷支架之间缺少斜向支撑、横向约束薄弱，因局部变形引发支撑体系整体失稳破坏，造成了支架垮塌。”桥梁和结构工程师们知道，竖立的平面钢桁结构，高而窄，我们称之为桁架。一片不设加强弦的贝雷，横向抗弯刚度仅约为827.6cm4*E，是很小的；而其竖向因腹杆抗剪将上下弦组合成为整体，抗弯刚度则约为250497.2cm4*E，是横向抗弯刚度的300多倍。即使采用并列的两片、甚至N片贝雷，如若其间只以断面横撑架连接，则其横、竖刚度都不过是上述刚度的N倍而已。而只有将并列的两片或多片钢桁架（包括贝雷架），在其上下弦杆平面处加设上下水平联接系，方成其为桁梁，其水平横向的抗弯刚度可望有数十倍、数百倍的增长。如两片相距450mm的单层贝雷，以平面连接系组合起来，则横向抗弯刚度值将增加到约53252.2 cm4*E，已为单片桁架的64倍，这对于整个桁梁的侧倾稳定已大大有利。而我们的贝雷器材用于组合成架桥机，不论是处于自重作用下的悬臂状态或者处于自重和吊梁作用下的简支状态，施工单位大多没有增设贝雷片之间的水平联接系（实际上就是去增设一些斜向、横向的腹杆）。严格而言，就是根本没有把桁架组合成桁梁，这就是是一种结构概念性错误！无怪乎现实中时有贝雷架侧倾失稳、扭坠坍塌的重大事故发生。笔者所居弹丸之地，孤陋寡闻，但是相信这种因为重要的构造不完善而酿成不幸灾祸的事，不会只是个别的。对于这种牵涉结构重大安全的问题，是应该引起建设业主、监理和施工单位高度重视的时候了！贝雷钢桥作为一个经过多年实践运用考验、在二战期间的1944年经过美国工兵工程部的大规模专门的原型极限荷载破坏性试验，又经过我国自己的科学测试的完整桥梁体系，是一种半穿式桁梁桥。其左右两侧的桁架（内侧两片中距为4.2m）之间，每隔有1.5米远就有一根横梁（28a工字钢）相扣接。横梁与其下的交叉的抗风拉杆，就是下弦平面处的纵向联接系之诸腹杆，和下弦杆共同组成了完整的水平构架。而连接在横梁上的12根纵梁和纵梁上的桥面板又大大地增加了横梁和全桥的水平刚性。一系列由横梁和该处贝雷竖杆及横撑架组成的敞口刚架（纵向间距1.5米）弹性地约束着贝雷桥的受压上弦的侧移，维持着其面外的稳定性。 此外，在贝雷桥架的上弦顶上，断续安设的长1180mm、宽450mm的平置支撑架，虽不足以形成桁片间的完善的水平联接系，但有如缀板将两片上弦进行了组合，对提高桁梁的横向刚度无疑是大有效果的。 对于贝雷桥单侧来说，桁片之间安设斜撑和断面横撑架，能够使得各相邻桁片在竖向共同受力，但对于整个桁梁水平方向的横向刚度却是没有多大作用的。在上述的贝雷桥梁的构造体系之下，加以经过大规模的原型破坏性试验的检验，其承载时的稳定性，可以认为是较为可靠的。不过，值得一提的是，1875年，俄罗斯的克夫达敞口桥，亦曾因上弦压杆失稳而破坏。我们上面谈到的贝雷横梁与竖杆、横撑架形成的敞口刚架，是以横梁端部与竖杆、横撑架之间的扣接为刚性连接作为前提的。而实际上，笔者认为，这个扣接远不够强劲，其刚度也不甚确切可靠，而且横梁的抗弯刚度也比较小，以致于使得此种半穿式敞口桥上弦杆面外稳定性的计算尤不可靠，应当依靠大规模原桥破坏试验检验为实践依据。然而，我们有些施工单位借用贝雷器材拼制的架桥机，对单侧构架来说，为了在上弦铺设纵向走行轨道的轨枕而取消了本不完善的上弦水平支撑架；为了省力，在伸臂拖拉架设架桥机构架时，稀铺几根枕木把钢轨也一道带上去（增加了荷载和偏载），下弦杆因为要过摇滚，底面之下的水平支撑架也干脆不设（过了摇滚后也不补设），纵向轨道下的枕木多已破旧，亦不换新并细致刻槽后加穿钩头螺栓卡紧在上弦杆的上翼缘上（可以形成一系列似无若有的水平框架，以提高桁构的水平刚度）。对于窄而高的矩形横截面简支梁和悬臂梁的侧向屈曲问题，现代工程力学泰斗、美籍俄罗斯科学家S.铁摩辛柯（18781972）早在上个世纪三十年代之前就借助于其首创的能量法给出了近似解：一， 简支梁：1，当梁的两端在水平方向为简支（即在竖直面内可以转动）但不能扭转，在竖直平面的两端承受一对反向弯矩时，该梁的临界弯矩为 cr= 。其中B1为梁的横向抗弯刚度；为梁截面的抗扭刚度；为梁的跨度。（以下同）。2，在上述边界条件下，当梁的两端承受一对大小相等、方向相反的偏心力，而且偏心很大时，该梁的临界弯矩为 cr =。当上述偏心率很小（梁近乎是压杆了），则有cr= 3，在上述边界条件下，跨中截面形心上有集中荷载时，则有cr =16.934，在上述边界条件下，跨中截面形心之上距离为处有集中荷载时，则有cr =16.93*1- 该值若在形心之下，则取负值。由计算式可见，此时的临界荷载有所增大。这显然是合乎逻辑的。5，在上述边界条件下，作用于自一梁端距离为处，有cr = 。此中，随而变化，其对应关系如下 / 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 111.6 56.01 37.88 29.11 24.10 21.01 19.04 17.82 17.15 16.936，两端简支,承担沿中心线的均布荷载时,()cr=28.38，当梁的两端不能扭转，可以转动，在水平面内不能转动，而集中荷载作用于跨中横截面的几何中心时，则临界荷载为=2 二水平固端梁：当梁的两端既不能扭转，也在水平面内不能转动，而一对弯矩作用于梁跨的两端时，则临界弯矩为=26.6 三， 悬臂梁：对于窄而高的矩形截面的悬臂梁1， 当悬臂端有集中力P作用于梁高的几何中心时，有= 4.013；2， 当悬臂端有集中力作用于梁高几何中心正上方且距离为时，有= 4.013。 若P作用于梁高几何中心正下方，则式中的取负值。3， 有均布荷载q分布于悬臂梁的几何中心线上时，（）cr=12.85 ；4，梁的几何中心线上分布荷载的强度按=（1）变化时，（为顺梁长的纵向坐标），则总荷载的临界值为 = 。此式中的系数与相关，其对应关系如下： 0 0.25 0.50 0.75 1.0 12.85 15.82 19.08 22.64 26.51四以上的关于窄而高的矩形（薄条）断面简支梁和悬臂梁的侧向屈曲临界荷载的计算式中，并未含有梁的竖向刚度这一因素，而是只与梁的横向水平刚度及抗扭刚度（=*，为剪切模量）相关。待添加的隐藏文字内容2五德国空气动力学家L.Prandtl教授发现，受轻微压力薄膜的变形与受扭转杆件截面上的应力分布情况两者的微分方程具有相同的形式，可以在薄膜的变形和扭转杆件的应力分布之间建立一定的关系，从而创建了“薄膜比拟法”。 薄膜比拟法告诉我们，在轻微压力作用下，矩形组合截面形状的薄膜所包围的体积，等于各个矩形薄膜所包围的体积之和（但要注意相接边缘处的处理）。所以，矩形组合截面的抗扭惯矩It，可由下式计算 = 而系数 =1-0.63+0.0525 其中为截面厚度，为截面高度或宽度。 由此，对于普通的单片贝雷（未设加强弦杆），当只考虑上下弦杆截面时，其截面抗扭惯矩值为=4*2*0.2961*48*8.53+0.3222*100*5.33=89015mm4=8.902cm4设上下加强弦杆时为17.804cm4 而概化地计入腹杆影响时，可得=9.476cm4六有了贝雷片的横向抗弯惯矩和抗扭惯矩，就可以大概估算一下贝雷架在缺少纵向水平联结系时的跨越及荷载能力。当贝雷架处于自重荷载（均布，约=0.95KN/m设上下加强弦杆时为1.3724KN/m，作用于截面重心轴上）、悬臂状态时，由（）cr=12.85 推出3=*=1.5736*1012设上下加强弦杆时为2.177*1012=11630mm=11.63m设上下加强弦杆时为12.96m 。可见，当取安全系数为1.0时，临界悬臂长度也仅为11.63m12.96m；而取安全系数为2.5时，临界悬臂长度则仅为8.42m设上下加强弦杆时为9.55m 。七.类似的，当贝雷架处于自重荷载（均布，约=0.95KN/M，作用于截面重心轴上）简支状态时，由 （）cr=28.3 推得 ()3cr=28.3=mm3, 由此得到cr=15131mm=15.13m设上下加强弦杆时为16.87m 。而取安全系数为2.5时，临界简支跨度则仅为10.96m设上下加强弦杆时为12.43m。八.由于问题的复杂性（要求梁端不能扭转，而实际支承条件并不严格满足这一条件），虽然上述理想化的大概计算不能算是精确的，但作为一个估算的方法来采用，引起我们的警惕，无疑会比在实践中盲目操作而不断引发事故，要好得多。九.结论： 在贝雷钢桥广泛运用的实践中，不论是令其处于悬臂状态或是处于简支、连续状态，当缺少纵向平面联结系时，只能在很短跨径的状态才能够保持结构的侧倾稳定性。可以说，大部分贝雷架在受力时跨塌，都是其构造上缺少平面纵向联结系引起的。在一般情况下，使用者要十分注意地采取平面临时联结措施将平面桁架组合成空间桁梁去受力，（加以必要的强度、刚度验算）才能避免跨塌事故的发生。而采取这种组合措施所用零星工料并不多，其意义却是特别重大的！29C91AFE4CED1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AFEDD1B6C87D1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AF95AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8795AD9D1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795A1AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AFC91FE4CED1D1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6CD1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AF8795AD9C91FE4CED1D1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C87D1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AF5D1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AFAD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AFB6C8795AD29C91AFB6C8795AD29C91AFD1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6D1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8795AD9C91D1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AFFE4CED1B6C8795AD29C91AFC8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AFD1B6C8795AD9C91AFED1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8D1B6C8795AD9C91AFE4CED1D91AFE4CED1B6C8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AFC91FE4CED1D1B6C871AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AFC91FE4CED1D1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6CD1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AF8795AD9C91FE4CED1D1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C87D1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AF5D1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AFAD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AFB6C8795AD29C91AFB6C8795AD29C91AFD1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6D1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8791AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AFC91FE4CED1D1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6CD1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AF8795AD9C91FE4CED1D1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C87D1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AF5D1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AFAD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AFB6C8795AD29C91AFB6C8795AD29C91AFD1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6D1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8795AD9C91D1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AFFE4CED1B6C8795AD29C91AFC8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AFD1B6C8795AD9C91AFED1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8D1B6C8795AD9C91AFE4CED15AD9C91D1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AFFE4CED1B6C8795AD29C91AFC8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AFD1B6C8795AD9C91AFED1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8D1B6C8795AD9C91AFE4CED195AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6CD1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AF8795AD9C91FE4CED1D1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C87D1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AF5D1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AFAD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AFB6C8795AD29C91AFB6C8795AD29C91AFD1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6D1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8795AD9C91D1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AFFE4CED1B6C8795AD29C91AFC8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AFD1B6C8795AD9C91AFED1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8D1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AF795AD9C91FE4CED1B6C8795ADD1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AF29C91AF4CED1B6C8795AD1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFD1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AFD1B6C8795AD29C91AFE4CED1B6C8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AFD91AFE4CED1B6C8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C9D1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AF1AFD1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AFD1BD1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AF6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AF1B6C8795AD9C91AFE4CED1B6C8795AD91AFE4CED1B6C8795AD9C91FE4CED1B6C8795AD29C91AF4CED1B6C8795AD29C91AFE4CED1B6C8795ADC6F554C62