吳 競(jìng), 陳 魯, 柳 民, 李虹余, 呂 陽

（1.同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院，浙江 嘉興 314051；2.浙江興土橋梁專用裝備制造有限公司，浙江 嘉興 314000；3.浙江興土橋梁臨時(shí)鋼結(jié)構(gòu)工程有限公司，浙江 嘉興 314000）

在橋梁施工過程，特別是大型橋墩墩身的施工過程的輔助設(shè)施搭設(shè)和拆卸過程中，傳統(tǒng)腳手架節(jié)點(diǎn)和桿件繁多，搭設(shè)復(fù)雜，轉(zhuǎn)場(chǎng)困難，造成了施工工期加長(zhǎng)，施工人員安全隱患大等問題[1]。而且，根據(jù)不同的施工過程，腳手架的搭設(shè)方式等都要進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，在豎向施工荷載下的受力計(jì)算尤其要，特別是要考慮偏載下整體結(jié)構(gòu)的受力性能，否則可能會(huì)引起失穩(wěn)破壞[2]，所以形成了各式各樣的腳手架搭設(shè)技術(shù)[3～5]，而腳手架的安全網(wǎng)通常是通過麻繩、棕繩或尼龍繩等編織而成，僅起防止人或物件墜落的作用，在施工過程中不起受力作用。

針對(duì)上述問題，某橋梁臨時(shí)鋼結(jié)構(gòu)裝配公司開發(fā)研制了新型墩身施工安全防護(hù)架，防護(hù)架標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，該防護(hù)架主要通過每個(gè)單元的4根立柱承受豎向荷載，各單元之間通過柱端插入式進(jìn)行連接，縮短了施工工期。外圍的安全防護(hù)網(wǎng)為帶孔的鋼片，起到了維護(hù)作用，但因安全防護(hù)網(wǎng)所占面積大，與整體結(jié)構(gòu)間通過螺栓連接，所以考慮其在整體豎向受力過程中是否有貢獻(xiàn)問題，進(jìn)行了豎向荷載下整體施壓（簡(jiǎn)稱整壓）、防護(hù)網(wǎng)一側(cè)偏壓（簡(jiǎn)稱后偏壓）和無防護(hù)網(wǎng)一側(cè)（簡(jiǎn)稱前偏壓）3種工況下的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和有限元分析，通過有無防護(hù)網(wǎng)的梁柱應(yīng)力和位移數(shù)據(jù)的對(duì)比，研究防護(hù)網(wǎng)抵抗豎向荷載下的受力和變形性能，為安全防護(hù)架的優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工過程提供了依據(jù)。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段實(shí)圖

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)內(nèi)容和加載工況

為了得到在豎向受力過程中，防護(hù)網(wǎng)參與受力的情況，對(duì)安全防護(hù)架標(biāo)準(zhǔn)單元進(jìn)行了整壓、后偏壓和前偏壓3種受力工況的試驗(yàn)，具體試驗(yàn)內(nèi)容如下：①標(biāo)準(zhǔn)節(jié)架體豎向整體荷載試驗(yàn)：選取3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)架體，采用分級(jí)豎向整體堆載的方式加載（圖2a），加載同時(shí)，測(cè)量關(guān)鍵構(gòu)件以及關(guān)鍵部位的構(gòu)件應(yīng)力，結(jié)構(gòu)變形等關(guān)鍵參數(shù)，逐級(jí)加載，得到3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)架體在加載過程中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件響應(yīng)變化過程；②標(biāo)準(zhǔn)節(jié)架體豎向偏心（圖2b、圖2c）荷載試驗(yàn)均選取3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)架體，加載方式及數(shù)據(jù)提取同整壓工況。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)加載示意圖

1.2 加載方式

為驗(yàn)證安全防護(hù)架單元體豎向荷載作用下防護(hù)網(wǎng)參與受力后，結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的關(guān)鍵部位的應(yīng)力、變形等參數(shù)。采用豎向分級(jí)堆載的方式模擬豎向荷載加載，重物采用標(biāo)準(zhǔn)鋼錠，分級(jí)加載。1～6級(jí)加載質(zhì)量分別為0.3415t/m2、4t/m2、7t/m2、9t/m2、12t/m2、15t/m2，1～2級(jí)卸載質(zhì)量分別為8t/m2和0。

每級(jí)加載后持荷時(shí)間按不小于5min，為保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞，如發(fā)生以下情況則終止加載：構(gòu)件脫落或有脫落跡象；結(jié)構(gòu)產(chǎn)生連續(xù)發(fā)展的側(cè)向位移；結(jié)構(gòu)產(chǎn)生連續(xù)發(fā)展的豎向撓度；主要構(gòu)件表面應(yīng)力超出屈服強(qiáng)度的1.5倍。

2 有限元分析

2.1 有限元模型

利用Abaqus通用有限元軟件，并根據(jù)安全防護(hù)架各構(gòu)件的尺寸和連接形式，建立有限元模型，所有構(gòu)件均采用C3D8R六面體實(shí)體單元，材料Q235B，楊氏模量2.1×1011N/m2，泊松比0.3，密度7 800kg/m3，構(gòu)件間聯(lián)結(jié)形式為剛接。

2.2 分析步、荷載和邊界條件的設(shè)置

共設(shè)置2個(gè)分析步。先選擇靜力、通用分析步，時(shí)間長(zhǎng)度為1，最大增量步數(shù)為100，初始增量步為0.001，最大增量步為1，最小增量步為1×10-5；再選擇靜力、通用分析步，時(shí)間長(zhǎng)度為7，最大增量步數(shù)為1 000，初始增量步為0.001和最大增量步為7，最小增量步為1×10-5。

防護(hù)架與地面簡(jiǎn)支設(shè)置，即在一側(cè)柱下端設(shè)置固定鉸支座，放松繞短向橫梁軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)約束；另一側(cè)柱下端為可移動(dòng)鉸支座，放松垂直于柱軸向的水平位移和繞短向橫梁軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)約束。

因在放置鋼錠前，在防護(hù)架上側(cè)放置了重量為1t的鋼板，所以在分析步1中，設(shè)置滿布荷載為3 415N/m2。

3 對(duì)比分析

3.1 應(yīng)力

為了討論防護(hù)網(wǎng)參與安全防護(hù)架豎向荷載下的受力情況，選取了8個(gè)測(cè)點(diǎn)的Mises應(yīng)力進(jìn)行分析（圖3）。圖中粗實(shí)線表示的立柱兩側(cè)均無防護(hù)網(wǎng)，3、4測(cè)點(diǎn)分別位于該立柱的下端和中間截面；1、2測(cè)點(diǎn)所在立柱兩側(cè)均有防護(hù)網(wǎng)；5、6、7、8分別為4根橫梁跨中截面。

圖3 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置圖

將以上8個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)值分析結(jié)果（理論值）和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果（試驗(yàn)值）的應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，試驗(yàn)數(shù)據(jù)選取4t/m2、9t/m2、15t/m2的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)取的3次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值，其中柱身數(shù)據(jù)取同一位置4個(gè)應(yīng)變片數(shù)據(jù)的平均值，橫梁取翼緣板表面的應(yīng)變片數(shù)據(jù)，然后將每個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)荷載下后偏壓與整體施壓應(yīng)力之比、前偏壓與整體施壓應(yīng)力之比分別列出，見表1。

對(duì)于立柱（1～4號(hào)測(cè)點(diǎn)），從表1和圖4可以看出，兩側(cè)有防護(hù)網(wǎng)立柱的1、2測(cè)點(diǎn)的后偏壓應(yīng)力與整壓應(yīng)力之比小于3、4測(cè)點(diǎn)的前偏壓應(yīng)力與整壓應(yīng)力之比，試驗(yàn)值比理論值更為明顯，說明后偏壓時(shí)防護(hù)網(wǎng)在承受豎向荷載上起到了有利作用，使立柱的應(yīng)力減小。

對(duì)于橫梁（5～8號(hào)測(cè)點(diǎn)），從表1和圖4可以看出，5號(hào)測(cè)點(diǎn)（所在短邊橫梁下側(cè)有防護(hù)網(wǎng)）后偏壓與整壓的應(yīng)力理論值和試驗(yàn)值之比，和前偏壓與整體的應(yīng)力理論值和試驗(yàn)值之比比較接近，7號(hào)測(cè)點(diǎn)（所在短邊橫梁下側(cè)無防護(hù)網(wǎng)）后偏壓與整壓的應(yīng)力理論值和試驗(yàn)值之比，小于前偏壓與整壓的應(yīng)力理論值和試驗(yàn)值之比，說明防護(hù)網(wǎng)起到了一定的有利作用，但不明顯。8號(hào)測(cè)點(diǎn)（所在長(zhǎng)邊橫梁下側(cè)有防護(hù)網(wǎng)）后偏壓與整壓的應(yīng)力理論值和試驗(yàn)值之比，明顯小于6號(hào)測(cè)點(diǎn)（所在長(zhǎng)邊橫梁下側(cè)無防護(hù)網(wǎng)）前偏壓的應(yīng)力理論值和試驗(yàn)值之比，說明防護(hù)網(wǎng)對(duì)長(zhǎng)邊橫梁豎向荷載下的受力影響較大。

表1 偏壓與整壓應(yīng)力之比

圖4 偏壓與整壓應(yīng)力之比

3.2 位 移

根據(jù)研究?jī)?nèi)容，取安全防護(hù)架橫梁和立柱撓度測(cè)點(diǎn)如圖5所示。圖中粗實(shí)線表示的立柱兩側(cè)均無防護(hù)網(wǎng)，f1、f2、f3測(cè)點(diǎn)分別頂框架3根橫梁跨中撓度測(cè)點(diǎn)位置；1、2測(cè)點(diǎn)所在立柱兩側(cè)均有防護(hù)網(wǎng)；3、4測(cè)點(diǎn)所在立柱橫向有防護(hù)網(wǎng)而縱向無防護(hù)網(wǎng)。

圖5 空間位移測(cè)點(diǎn)布置圖

將以上7個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)值分析結(jié)果（理論值）和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果（試驗(yàn)值）的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，試驗(yàn)數(shù)據(jù)選取4t/m2、9t/m2、15t/m2的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)取的3次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值，其中柱身數(shù)據(jù)取同一位置兩個(gè)方向位移數(shù)據(jù)算術(shù)平方根的平均值，橫梁取跨中豎向位移數(shù)據(jù)的平均值，然后將每個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)荷載下后偏壓與整體施壓位移之比、前偏壓與整體施壓位移之比分別列出，見表2。

對(duì)于橫梁（f1～f3號(hào) 測(cè)點(diǎn)），從表2和圖6可以看出，f3號(hào)測(cè)點(diǎn)（所在短邊橫梁下側(cè)有防護(hù)網(wǎng)）后偏壓與整壓的位移理論值和試驗(yàn)值之比，與f1測(cè)點(diǎn)前偏壓與整體的位移理論值和試驗(yàn)值之比相差不大。f2號(hào)測(cè)點(diǎn)（所在短邊橫梁下側(cè)無防護(hù)網(wǎng)）后偏壓與整壓的位移理論值和試驗(yàn)值之比，和前偏壓與整壓的位移理論值和試驗(yàn)值之比也相差不大，說明防護(hù)網(wǎng)在豎向荷載下對(duì)限制橫梁位移貢獻(xiàn)不大。

對(duì)于立柱（4(①)～7(④)號(hào)測(cè)點(diǎn)），從表2和圖6可以看出，兩側(cè)有防護(hù)網(wǎng)立柱的4(①)、5(②)測(cè)點(diǎn)的后偏壓與整壓位移理論值之比接近于6(③)、7(④)測(cè)點(diǎn)的前偏壓與整壓位移理論值之比，試驗(yàn)值前者略低，說明防護(hù)網(wǎng)在豎向荷載作用下對(duì)限制立柱位移的貢獻(xiàn)也不大。

表2 偏壓與整壓位移之比

圖6 偏壓與整壓位移之比

4 結(jié) 語

通過對(duì)新型墩身安全防護(hù)架進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和理論分析，可以得到如下結(jié)論。

1）防護(hù)網(wǎng)在墩身安全防護(hù)架豎向荷載作用下，對(duì)立柱的應(yīng)力和長(zhǎng)向橫梁的應(yīng)力有利作用較大，而對(duì)短向橫梁的應(yīng)力和梁柱空間位移的貢獻(xiàn)不大，可以起到維持整體穩(wěn)定性的作用。

2）墩身安全防護(hù)架在豎向荷載作用下，梁柱關(guān)鍵部位的應(yīng)力理論值和試驗(yàn)值比較接近，但位移理論值和試驗(yàn)值相差懸殊，是由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)防護(hù)架整體的剛體位移所造成。

3）在墩身安全防護(hù)架優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可考慮防護(hù)網(wǎng)對(duì)豎向荷載作用下立柱受力的貢獻(xiàn)，適當(dāng)減小防護(hù)網(wǎng)一側(cè)立柱的截面尺寸。

采用新型墩身施工防護(hù)架體系可以有效地解決傳統(tǒng)施工手段存在的施工復(fù)雜，安全性低、施工周期長(zhǎng)等問題。通過對(duì)新型防護(hù)架體系的理論分析計(jì)算和荷載試驗(yàn)，可以有效地證明其承載能力并發(fā)現(xiàn)其存在的問題，經(jīng)過后續(xù)的改進(jìn)，可以廣泛地應(yīng)用到現(xiàn)在橋梁施工領(lǐng)域中去，對(duì)推進(jìn)我國(guó)橋梁建設(shè)行業(yè)起到有益的作用。

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