桥梁施工临时结构设计方法

桥梁施工临时结构设计方法

钟明全1，郑俊杰2

(1.重庆市交通规划勘察设计院；2.重庆交通大学)

摘要：桥梁在施工的过程中需要投入大量的临时结构，对于这些大型临时结构而言，投资太大易造成浪费，但这些临时结构如设计不安全则有可能造成工程事故。本文总结了容许应力法在常用临时结构设计中应用，指出了将极限状态法应用于临时结构设计还需要解决的问题。 关键词：临时结构 容许应力法 安全系数 极限状态法

一. 前言

桥梁施工时一般包括两种结构：永久结构和临时结构[1]

。永久结构是在桥梁营运期间发挥作用的结构，它包括基础、墩台、上部结构等；临时结构是用来施工安装永久结构，在完成永久结构的建设过程中所必需建造的结构。

临时结构具有临时性特征， 随着永久结构主体竣工，部分临时结构会失去其功能被拆除。临时结构的功能虽然是暂时性的,但是临时结构设计的好坏不仅关系到桥梁施工的安全与经济,还涉及到成桥时桥梁的状态和受力。

桥梁结构的种类和形式多样，所在的地理位置和自然条件差别较大。桥梁施工中需投入大量的临时结构。归纳起来大致如下[2]

：①水上基础施工的便桥、船舶、平台、挡水(土)的围堰。②桥梁的墩台和梁段混凝土施工用的支架和模板。③桥梁上部结构施工用的悬浇挂篮、悬拼吊机。④桥梁施工用的起重吊机，门吊、浮吊、缆索吊。

二. 临时结构设计方法

1.容许应力法在临时结构设计中的应用

容许应力法将材料视为理想弹性体，用线弹性理论方法，算出结构在标准荷载下的应力，不超过材料的容许应力。材料的容许应力，是由材料的屈服强度或极限强度除以安全系数而得。容许应力的表达式：

[]σσ≤ (1)

式中：σ为由标准荷载（荷载规范所规定的荷载值）与构件截面公称尺寸（设计尺寸）所计算的应力；[]σ为容许应力，[]k

f K

σ=

，其中k f 为材料的屈服强度或极限强度，K 为大于1的安全系数，用以考虑各种不定性，凭工程经验取值。

目前在桥梁临时结构的设计中主要用到的还是容许应力法，采用安全系数K 来保证临时结构的安全性。

例如在挂篮设计当中挂篮的主桁架是挂篮的主要承重结构，在设计中应作为主要构件来

验算。在计算时我们可以通过力学知识求得每根杆件的受力，然后验算[]F

A σσ=

≤是否成立，其中[]σ为所用钢材的轴向容许应力。对于主桁的上横梁等要满足[]w M

W

σσ=≤，其

中[]w σ为钢材的弯曲容许应力。挂篮在浇筑混凝土或者行走时，极有可能发生倾覆。挂篮浇筑混凝土时，后端拉力全部由预埋钢筋承受；行走时，在自重作用下的倾覆力矩完全由挂篮后支座扣轮承受。《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）规定：对于挂篮，不管是浇筑混凝土还是行走时，都要满足：

2M K M =

≥稳

倾

(2) 式中：M 稳为由锚固系统产生稳定力矩；M 倾为由倾覆力产生的倾覆力矩。

对于施工过程中经常采用的缆索吊来说，目前设计采用的方法也是容许应力法。将式（1）两边同乘上钢丝绳的截面积A 便可以得到：

[]max P

T T K

≤=

(3) 式中：max T 为缆索吊装时求得的钢丝绳的最大拉力；[]T 为钢丝绳的容许拉力；P 为钢丝绳的破段拉力；K 为安全系数。

08年10月重庆芙蓉江桥发生安全事故部分原因是由于缆索吊设备用于吊物的，如拱桥的拱肋等，载人是绝对不允许的。因为缆索吊钢丝绳设计时的安全储备是根据吊物设计的，吊物的钢丝绳与吊人的钢丝绳在安全系数上有很大的差别。用作各种用途钢丝绳的安全系数

K 如表1和表2所示：

[3]

缆索吊钢丝绳的安全系数[4]

表2

用容许应力法对临时结构进行设计的缺点主要如下：

①容许应力法采用的理论基础是弹性理论，对具有塑性性质的材料，无法考虑其塑性阶段的继续承载能力，设计偏于保守。

②缺乏明确的可靠度概念，构件的安全由安全系数K 决定，但K 的取值是经验性的，给出的一系列容许应力并不能保证各种结构具有一致的可靠度水准。

2.极限状态法在临时结构设计中的探讨

与容许应力法相比，极限状态法中将单一的安全系数转化成多个系数，分别用于考虑荷载、荷载组合和材料等的不定性影响，还在设计参数的取值上引入概率和统计数学的方法。采用目标可靠指标β来表征结构的可靠性。β的重要程度可以等同于容许应力法中的安全系数K。

1)临时结构设计使用年限与基准期

对临时性结构的设计使用年限，我国的《建筑结构设计统一标准》（GB50068-2001）中对建筑临时性结构的设计使用年限定为5年；欧洲共同体规范(Eurocode)中,临时结构设计有关设计使用年限的规定为10年；《结构可靠性总原则》（ISO/DIS2394-1996）中有关设计使用年限的规定为:临时性结构小于5年[5]。对于桥梁临时结构的设计基准期，目前国内外对桥梁临时结构的设计基准期还没有明确的规定，在设计时要具体结合周边的环境因素根据临时结构的使用特点和使用年限，以及当地类似工程的相关经验，合理确定临时结构的设计基准期，作为临时结构可靠度设计所依据的时间参数[6]。论文认为临时结构的设计基准期可以取为5年。

2)常用临时结构施工荷载

桥梁临时结构主要是在施工期使用的，因此我们将设计临时结构所需要的荷载定义为临时结构施工荷载。我国现行的公路桥涵设计规范已经对公路桥梁的设计荷载作出了明确的规定，分为了21种[7]。但是，这种荷载分类和规定主要是针对成桥状态的设计计算，而我国公路桥涵施工技术规范对施工中的桥梁荷载也没作具体规定。同设计荷载而言，我们可以将桥梁临时结构施工荷载按时间考虑分为永久荷载，可变荷载和偶然荷载。现将桥梁临时结构经常用到的施工荷载归纳如表3所示：

临时结构施工荷载表3

施工期可变荷载一般可以分为基本可变荷载和其它可变荷载两类。施工期基本可变荷载一般包括施工机械、人群荷载等；施工期其它可变荷载基本是由环境荷载引起的，我们也可以称它们为环境荷载。环境荷载泛指自然环境变化引起对结构的作用，重要的环境荷载有风荷载、波浪荷载、水流荷载等。环境荷载在结构施工期的随机性很大，结构设计或安全度评估时通常采用其最大值。

施工期的环境荷载与使用期相比应该有如下特点：

(1)施工期变异性要比使用期大得多，平均值和标准差相差很大。

(2)由于结构所在地理、类型、施工企业资质、施工方案等因素的影响，环境荷载取值可能不同。

目前桥梁施工期的风载取值大都是依据重现期法根据风速重现期进行折减，下面为国内外对于施工期的风载的一些规定：

(1)《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T D60-01-2004）规定施工阶段设计风速为：

sd d V V η= (4)

式中：sd V ——不同重现期下的设计风速； η——风速重现期系数； d V ——桥梁设计基准

风速；

风速重现期系数 表4

(2)英国BS5400规定桥上无活载时的最大阵风风速为：

112c V VK S S = (5)

式中：V 为平均小时风速；1S 为穿谷系数；2S 为阵风系数；1K 为与重现期有关的风力系数。规范按照120年时，1K 取1，桥梁施工期间可以取相当于10年一遇的风力系数为0.85。

以上规范采取的施工期风载的折减从本质上说是荷载重现期的折减，并没有考虑施工期间荷载的变异性。

对于施工期的波浪力的概率分布比波高的概率分布问题要复杂，它与波高分布、波长分布、波谱型式等因素有关。谢世楞院士在1989年时曾对40组墩柱上的波浪力进行统计分析，并用K S -检验法进行检验后发现：波浪力的短期实测分布曲线与瑞利分布和格鲁霍夫分布曲线较为相似。试验统计结果绘成图形如下图所示：

瑞利分布

试验值

波浪力

累计频率30 40 50 60 70 80 100 200 300 400 800 700 600 500

98

格氏分布

图1 波浪力的短期概率分布[8]

由图1我们可以看出：在累计频率较小处，实测曲线在两种分布之间，当参数H d（H 为平均波高，d为墩柱直径）增大时，实测分布曲线偏于格氏曲线；在累计频率较大处，格氏曲线高于实测曲线。

还有一些调查研究认为波浪力的短期概率分布若服从双参数的韦伯分布能更合理一些，双参数的韦伯分布随着形状参数t的变化而变化很大。当t=1时，韦伯分布转化为指数分布；当t=2时，分布就是瑞利分布。

目前还没有一种分布函数对波浪力的统计是完全合适的，有些人赞成用瑞利分布，有些人赞成用韦伯分布，因此在施工期间考虑到线型以及施工方案对波浪力的影响，有条件时宜用线型拟合实测资料，从中选择合适的波浪力分布函数。

由上面的分析可以看出将极限状态法应用于临时结构的设计还不够成熟，主要原因如下：

(1)施工期环境荷载复杂多变。目前桥梁施工临时结构设计中所用到的环境荷载取值主要是依据永久结构的环境荷载取值进行折减，这种方法从本质上说是环境荷载重现期的折减，其理论基础是环境荷载在结构的施工期与结构的使用期具有相同的概率分布。然而施工期的环境荷载复杂多变，施工期的环境荷载概率分布与使用期的环境荷载概率分布显然不同，因此如何得到施工期环境荷载的概率分布便成为施工期可靠度分析的前提条件。然而与这种要求不相适应的是，国内外在结构施工期环境荷载的实测与统计分析方面做得并不多，统计资料的缺乏成为施工期可靠度分析的首要问题。

(2)分项系数取值不定。分项系数的取值关系到结构设计的安全储备，对于临时结构的设计，施工期荷载具有更大的变异性，而分项系数的取值与荷载标准差密切相关，因此临时结构的设计分项系数与永久结构的设计分项系数应该不同，临时结构设计的分项系数取值应该根据施工期的特点进行专门调整。

三. 结语

通过以上的讨论，我们可以得出如下结论：

(1)容许应力法在以后的很长一段时间内仍然是临时结构设计的主要方法，在设计临时

结构时要特别注意安全系数K的取值。

(2)施工期荷载的变异性要比使用期大得多，要将临时结构用极限状态法来设计，对施工期荷载进行调查与统计是非常有必要的，这需要由众多的科研、设计、施工单位花费很大的人力、物力共同完成。

参考文献：

[1] 陈惠发，段炼.桥梁工程施工与维修[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2] 李艳哲，冯广胜.桥梁施工大型临时结构设备标准化研究[J].桥梁建设,2007:18-21.

[3] 杨文渊.起重吊装常用数据手册[M].北京：人民交通出版社，2001.

[4]湖南省交通规划勘察设计院.公路双曲拱桥无支架施工[M].人民交通出版社，1980.

[5]张洪波,鲍卫刚.公路桥涵结构的设计基准期与设计使用年限[J].公路,2005(4)：35-37.

[6]余流.施工临时结构设计与应用[M].北京：中国建筑工业出版社,2010.

[7]交通部.公路桥涵设计通用规范(JTGD60-2004)[S].北京：人民交通出版社，2004.

[8]谢世楞，刘颖.关于波浪力的概率分布型式问题[C].中国土木工程学会桥梁及结构工程学会结构可靠度

委员会全国第二届学术交流会议，1989.