郭 健，李 捷

（1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730070；2.青海交通學(xué)院土木工程系，青海西寧810003）

0 引言

支架現(xiàn)澆施工是簡支梁橋最常用的施工方法之一，施工過程中支架要承受各種荷載，為了保證橋梁在施工過程中的安全和可靠，對施工中采用的支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載力要有足夠的認(rèn)識。通常對橋梁支架的計(jì)算，采用的是簡化計(jì)算方法。這與支架的實(shí)際受力情況差距較大，往往會(huì)造成事故。本文采用有限元方法對簡支梁橋支架施工進(jìn)行了分析，根據(jù)分析結(jié)果評價(jià)了支架的穩(wěn)定性。計(jì)算結(jié)果對類似工程具有一定的參考價(jià)值。

1 工程概況

某特大橋?yàn)?8 m簡支梁橋，全橋共6孔，其中5孔在河灘上。橋梁上部結(jié)構(gòu)為48 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，梁高4.05 m，梁頂面寬4.9 m，梁底面寬3.0～3.3 m，梁頂板厚27.3 cm、底板厚25 cm、腹板厚28 cm、道砟槽高35 cm、寬20 cm，箱梁自重約為620 t。橋墩高12 m～15 m，由于吊裝困難，故位于河灘處的箱梁采用滿堂支架原位現(xiàn)澆法施工。

橋址處從地面往下0～0.5 m為黃土，承載力為150 kPa，0.50～5 m為砂礫層,承載力為350 kPa；5 m以下為泥巖夾砂巖，承載力為500～2 000 kPa；河灘寬大且平順便于采用支架現(xiàn)澆。支架擬采用輪扣式φ48×3.0 mm鋼管腳手架，支架基礎(chǔ)經(jīng)平整碾壓，然后上面鋪設(shè)一層塑料防水層防水，周邊挖排水溝，保證地基不受雨水浸泡降低承載力，然后在防水層上擺放枕木，枕木規(guī)格為250 cm×22 cm×15 cm，在枕木上再搭設(shè)支架。支架在橋梁跨中40.5 m范圍內(nèi)，順橋向間距為0.9 m，共計(jì)46排，橫橋向間距為0.9 m，共計(jì)12排；梁兩端4.5 m范圍，順橋向間距為0.6 m，共計(jì)8排；橫橋向間距為0.6 m，共計(jì)18排；水平桿步距（自上而下）0.60 m×3+120 m×N，豎桿采用輪扣3×3 m和2.4 m鋼管對插，鋼管上下均采用可調(diào)U托做支撐，每根豎桿用短鋼管連接扣緊，支架高度擬定12 m，支架頂托上沿橋橫向鋪10JHJ槽鋼，梁底板范圍順橋向布設(shè)0.1 m×0.1 m方木，方木間距0.3 m，方木上鋪設(shè)18 mm厚膠合板作為梁底模；膠合板寬3.3 m。兩側(cè)用10JHJ槽鋼布設(shè)縱向軌道，安放梁體模型。所有支架應(yīng)依據(jù)搭設(shè)高度設(shè)置普通鋼管剪刀撐，橫向每3排設(shè)剪刀撐1排，縱向在梁底設(shè)2排剪刀撐，支架布置如圖1所示。

2 計(jì)算方法和計(jì)算模型

為了保證箱梁在施工過程中支架具有足夠的安全性、穩(wěn)定性，同時(shí)保證支架在施工中不發(fā)生較大沉降，組成支架的各構(gòu)件應(yīng)具有足夠的承載力和剛度。根據(jù)橋梁施工規(guī)范和施工經(jīng)驗(yàn)對支架的承載力和穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得到支架各個(gè)構(gòu)件的最大內(nèi)力，按照容許應(yīng)力法計(jì)算各構(gòu)件的最大應(yīng)力，從而判斷構(gòu)件的安全性，同時(shí)計(jì)算支架的反力，評價(jià)地基的承載力是否滿足要求。

按照支架設(shè)計(jì)圖紙，采用MIDAS-Civil有限元分析軟件，建立三維有限元模型進(jìn)行計(jì)算。模型中支架采用桁架單元模擬，槽鋼、方木采用梁單元模擬，支架底端為固結(jié)[1,2]。將箱梁自重、箱梁內(nèi)模板重量、膠合板重量、混凝土施工傾倒荷載、混凝土施工振搗荷載、施工機(jī)具人員等荷載均勻分?jǐn)傇?2根方木上。

根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸和文獻(xiàn)，各臨時(shí)荷載集度見表1所列，一根方木上的計(jì)算荷載集度為15.56 kN/m，外膜荷載由兩根工字鋼分擔(dān)，外膜的計(jì)算荷載集度為8.9 kN/m。在方木施加分布荷載，建立三維有限元計(jì)算模型，計(jì)算模型如圖2所示。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 方木承載力分析

由計(jì)算結(jié)果知，方木的最大彎矩為0.559 kN·m；最大剪力為5.328 kN；最大位移為1.617 mm。

圖1 支架布置圖

表1 作用在支架上的荷載集度匯總表（單位：kN/m）

由于方木在彈性范圍內(nèi)工作，根據(jù)材料力學(xué)，方木的應(yīng)力為：

方木的最大豎向位移為：

圖2 支架三維有限元模型

ωmax=滿足要求。

3.2 槽鋼承載力分析

槽鋼的加載圖式如圖2所示，彎矩圖和剪力圖如圖3所示。

圖3 10JHJ 槽鋼內(nèi)力圖

根據(jù)計(jì)算10JHJ槽鋼最大彎矩為1.10 kN·m；最大剪力為12.1 kN；最大位移為-1.7 mm。（負(fù)號表示向下）；最大正應(yīng)力為28.5 MPa。

由文獻(xiàn)[3]可知10JHJ槽鋼的截面特性，慣性矩I=198×104mm4，抵抗矩W=39.7×103mm3，截面積A=1 274.8 mm2，則槽鋼的最大應(yīng)力為：

槽鋼的最大豎向位移為：

ωmax=滿足要求。

3.3 支架穩(wěn)定性分析

為了分析支架在荷載作用下的穩(wěn)定性，根據(jù)結(jié)構(gòu)所受荷載的數(shù)據(jù)，計(jì)算了支架在恒載、施工荷載、風(fēng)荷載作用下支架的整體穩(wěn)定性。對支架進(jìn)行了屈曲分析，求得了支架的10個(gè)模態(tài)。限于篇幅，此處只列出模態(tài)1，如圖4所示，同時(shí)得到每個(gè)模態(tài)的臨界荷載系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表2所列。根據(jù)屈曲分析，可得支架整體在不同模態(tài)下的臨界荷載值，再由支架的實(shí)際荷載，即可判斷整個(gè)支架在施工過程中的穩(wěn)定性。

圖4 支架的第1階模態(tài)圖

表2 各模態(tài)的臨界荷載系數(shù)表

模態(tài)1所對應(yīng)的荷載系數(shù)為10.09，對應(yīng)的臨界荷載為157 kN/m，遠(yuǎn)大于支架的實(shí)際荷載5.56 kN/m，故支架是穩(wěn)定的。

3.4 支架桿立桿穩(wěn)定性分析

支架桿件為受壓構(gòu)件，為保證支架的整體穩(wěn)定性，需要驗(yàn)算支架立桿的穩(wěn)定性[4,5]。根據(jù)計(jì)算，支架的立桿所受的最大軸力為18.1 kN。由文獻(xiàn)[5]知，立桿步距為1.25 m時(shí)，立桿臨界荷載為29.2 kN。支架反力見圖5所示。

立桿所受的最大軸力N=18.1 kN＜［N］=29.2 kN，說明立桿是穩(wěn)定的。

由于支架采用φ48×3.0的鋼管，由文獻(xiàn)[4]知，其回轉(zhuǎn)半徑i=15.9 mm,立桿的橫桿步距為h=1.2 m,按兩端鉸接時(shí)μ=1，l0=kμh=1.155×1×1.2=1.386（m）。

式中，l0為立桿的計(jì)算長度，對于滿堂支架，l0=kμh；k為長度附加系數(shù)，其值取為1.155；μ為壓桿長度系數(shù)；h為立桿步距。

圖5 支架反力圖

則鋼管的長細(xì)比：λ=l0/i=1386/15.9=87.2，由文獻(xiàn)[4]可知:

則，λs＜λ＜λp屬小柔度桿，則其臨界應(yīng)力等于許用應(yīng)力，按強(qiáng)度問題計(jì)算，則：

σ=P/An=18100/424.1=42.68（MPa）≤σcr=σS［］=205 MPa

則說明穩(wěn)定性滿足要求。由文獻(xiàn)[4]知，穩(wěn)定系數(shù)φ=0.736，則N/(φA)=18100/(0.736×424.1)=57.98（MPa）＜f=205 MPa，說明立桿穩(wěn)定性滿足要求。

3.5 地基承載力算

由于支架立桿支撐在橫向連續(xù)鋪設(shè)的枕木上，為了保證枕木在施工過程不被壓入地基，有必要驗(yàn)算地基的承載力。

枕木受力面積:A=5×0.22 m=1.1（m2）。梁端3.9 m范圍支架立桿間距為60 cm×60 cm，計(jì)算橫向單排立桿9.3根，地基所受全部荷載P=18.2×9.3=169.3（kN），則地基承載力σ=169.3÷1.1=153.9（kPa）。

梁兩端3.9 m范圍以外,支架立桿間距為90 cm×90 cm，計(jì)算橫向單排立桿6.5根。由文獻(xiàn)[5]知，地基所受全部荷載P=26.5×1.3×6.5=223.9（kN），則地基承載力σ=223.9÷1.1=203.6（kPa），故地基承載力須達(dá)到250 kPa。

4 結(jié)語

為保證橋梁在施工中的安全，臨時(shí)結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析模型應(yīng)盡量接近實(shí)際情況，計(jì)算工況應(yīng)直接模擬施工過程，荷載的影響因素考慮要全面。采用支架法施工時(shí)，若支架長細(xì)比較大，應(yīng)對其進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，驗(yàn)算時(shí)所受荷載要考慮全面。

橋梁跨越河流采用有支架施工方法時(shí)，為防止支架在施工過程發(fā)生過大沉降，應(yīng)對支架反力進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而計(jì)算地基應(yīng)力，以保證容許承載力大于地基應(yīng)力。必要時(shí)應(yīng)在基礎(chǔ)頂面配置防裂鋼筋或者在鋼管立柱下端用方木或槽鋼連接成整體，以保證基礎(chǔ)穩(wěn)定性[6]。

橋梁施工時(shí)為消除支架非彈性變形以驗(yàn)證支架的整體穩(wěn)定性，應(yīng)對支架進(jìn)行荷載預(yù)壓試驗(yàn)，保證順利落梁。

[1]任華,譚毅平.箱梁施工支架的三維靜力分析[J].中外公路,2010,(2):140～141.

[2]劉華,葉見曙,劉鍵,李延安.連續(xù)梁橋跨河施工支架研究[J].橋梁建設(shè),2006,(1):140～141.

[3]TB 10203-2002,鐵路橋涵施工規(guī)范[S].

[4]GB50017-2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]周水興,何兆益,鄒毅松.路橋施工計(jì)算手冊[M].北京:人民交通出版社,2001.

[6]鄭斐,等.大跨徑拱橋現(xiàn)澆施工支架的穩(wěn)定性分析[J].華東公路,2007,(6):35～36.