尹麗麗

(四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司，四川 成都 610200)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)逐步發(fā)展，橋梁施工難度越來越大，結(jié)構(gòu)形式越來越復(fù)雜，從最初的預(yù)制簡(jiǎn)支梁橋，到如今現(xiàn)澆連續(xù)梁、T構(gòu)梁、斜拉橋等[1-4]。對(duì)于現(xiàn)澆連續(xù)梁，其施工最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)在于支架搭設(shè)。以往現(xiàn)澆支架的搭設(shè)通常采用傳統(tǒng)公式配合手工運(yùn)算，此種計(jì)算方法運(yùn)用于簡(jiǎn)單支架比較可靠，但對(duì)于大型復(fù)雜支架由于過程聯(lián)系復(fù)雜且荷載為動(dòng)荷載，支架橫向穩(wěn)定性受力復(fù)雜，傳統(tǒng)計(jì)算方法不僅不能完全切合貼近實(shí)際施工需求，還會(huì)因計(jì)算錯(cuò)誤帶來嚴(yán)重后果，導(dǎo)致嚴(yán)重的直接或間接經(jīng)濟(jì)損失[5-7]。如2005年12月14日貴州小尖山現(xiàn)澆支架垮塌，2010年1月21日滬杭高鐵嘉興大橋大型井字架倒塌，2011年3月3日杭州高鐵橋梁現(xiàn)澆貝雷桁架垮塌，垮塌原因均為支架橫向纖細(xì)，剛度不足，橫向約束措施不足。因此，現(xiàn)澆支架設(shè)計(jì)計(jì)算是最關(guān)鍵也最核心的一步。本文通過工程具體案例(鋼管柱貝雷梁現(xiàn)澆支架)，運(yùn)用Midas/civil軟件對(duì)支架在施工階段進(jìn)行模擬計(jì)算，為現(xiàn)澆支架計(jì)算提供一種精確、有效的方法。

1 工程概況

宜敘高速14標(biāo)段興文互通白鶴壩大橋(右線)第一段大橋中心樁號(hào)為K66+279.974，全長(zhǎng)210 m，主線白鶴壩大橋(右線)第一段上跨 E 匝道橋及河溝，A 匝道 2號(hào)橋跨越深溝，均為現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)。其中主線白鶴壩大橋?yàn)?3×40 m預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)梁，橋面變寬；A匝道 2 號(hào)橋?yàn)?6×20 m 預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)梁，設(shè)置兩聯(lián)，橋面寬 10.5 m。白鶴壩右線1#大橋現(xiàn)澆箱梁采用C50混凝土，混凝土方量共計(jì)1 900 m3，現(xiàn)澆梁高度為2.1 m，共設(shè)置5道腹板，每道腹板采用8束鋼絞線，最大橋高 40 m。

2 支架設(shè)計(jì)與施工

為了選擇更加適合于白鶴壩右線1段的現(xiàn)澆箱梁支架，對(duì)滿堂支架及鋼管樁貝雷梁滿堂支架做了如下對(duì)比。

滿堂支架實(shí)用范圍為24 m以下現(xiàn)澆支架，需用大量?jī)?yōu)質(zhì)鋼管，斜撐及掃地桿用量大，場(chǎng)地需全部硬化；高度大于24 m現(xiàn)澆支架的搭設(shè)及澆筑混凝土安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高；支架越高，單根鋼管承載力越大。鋼管柱貝雷梁滿堂支架則不受支架高度限制，需用鋼管少，且只需做鋼管柱混凝土基礎(chǔ)，對(duì)場(chǎng)地需求不高，不必全部硬化場(chǎng)地；安全風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低，搭設(shè)與拆除相對(duì)較快；單根鋼管柱承載力大；適用于坡度較陡山區(qū)。

經(jīng)過綜合對(duì)比，白鶴壩右線1段現(xiàn)澆箱梁采用鋼管柱貝雷梁滿堂支架。

3 鋼管貝雷支架計(jì)算分析

3.1 模型建立步驟

(1)定義材料和截面特性。Φ630×10 的鋼管柱、36工字鋼斜撐、56雙拼工字鋼橫梁、雙拼14槽鋼的材料選擇Q235鋼材，貝雷梁選擇16Mn鋼材,并根據(jù)每種型號(hào)材料截面的實(shí)際形式選擇材料截面形式。

(2)建立結(jié)構(gòu)模型。建立節(jié)點(diǎn)和單元，節(jié)點(diǎn)一般建在支撐部位、集中荷載處、兩個(gè)單元的連接處、邊界條件部位等，注意同種桿件應(yīng)為同一單元。

(3)定義荷載及荷載組。包括恒載、活載，恒載包括箱梁自重、支架及模板自重，活載包括混凝土沖擊荷載、機(jī)具人員荷載。

(4)定義邊界及邊界組。根據(jù)實(shí)際情況將邊界條件賦予單元和節(jié)點(diǎn)，定義邊界條件是建立模型的關(guān)鍵步驟，若邊界條件定義錯(cuò)誤，將導(dǎo)致其計(jì)算結(jié)果錯(cuò)誤，甚至于模型無法運(yùn)行。Midas提供的邊界非常多，而且各有用途，鋼管柱與基礎(chǔ)采用一般支承及平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)均約束，主橫梁與鋼管柱采用剛接，貝雷梁與主橫梁、貝雷梁與分配梁、分配梁與板單元采用彈性連接[8]。由于主橫梁是雙拼工字鋼，因此主橫梁間需采用剛性連接，主橫梁與鋼管柱需采用2次彈性連接，否則軟件將不能運(yùn)行，貝雷梁每3 m一榀，貝雷梁間采用鉸接形式，建模時(shí)需釋放梁端約束。

(5)運(yùn)行結(jié)構(gòu)分析。施工支架建模時(shí)采用Φ630×10 的鋼管柱，鋼管柱頂部及底部焊接3 cm厚Q235鋼板，共計(jì)4排，每排4根鋼管柱，縱向間距為12 m，橫向間距為4.5 m；斜撐采用36工字鋼，其上為雙拼56b工字鋼主橫梁，主橫梁與鋼管柱采用 E4303 焊條滿焊連接；主橫梁上布置貝雷梁支架，貝雷梁間采用90cm貝雷梁專用花架連接，貝雷梁與主橫梁支撐位置由于荷載集中故采用14槽鋼豎向加固，并在主橫梁上設(shè)置限位塊，限制貝雷梁橫向移動(dòng)；貝雷梁上布置雙拼14槽鋼，槽鋼與貝雷梁采用“U”型卡夾連接，保證穩(wěn)定性。根據(jù)以上施工布置采用有限元軟件Midas/civil建立模型并進(jìn)行受力分析，一跨現(xiàn)澆支架整體模型如圖1所示。

圖1 整體模型

3.2 工況分析

根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T F50—2011)設(shè)計(jì)模板、支架時(shí)，需考慮下列荷載：現(xiàn)澆箱梁自重按照鋼筋混凝土自重取 25 kN·m-3；施工人員和施工材料、機(jī)具等行走運(yùn)輸或堆放均布荷載取 1 kN·m-2；模板、碗口支架自重(木方、扣件、頂、底托等)均布荷載取 2.5 kN·m-2；混凝土澆筑沖擊及振搗荷載取4.0 kN·m-2[9]。

按照《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T F50—2011)進(jìn)行荷載組合，本計(jì)算模型考慮2種工況分別對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度進(jìn)行驗(yàn)算。施工人員、機(jī)械及振搗荷載視為活載；支架、模板自重、箱梁自重、視為恒載，具體工況組合見表1。

表1 工況荷載組合

3.3 工況一計(jì)算結(jié)果

3.3.1 分配梁計(jì)算結(jié)果

雙拼[14b槽鋼、雙拼56b工字鋼分配梁構(gòu)件主要受彎曲，對(duì)其彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算。驗(yàn)算結(jié)果如表2所示。

表2 分配梁應(yīng)力結(jié)果

注：分配梁強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3.2 縱向貝雷梁計(jì)算結(jié)果

對(duì)縱向貝雷梁構(gòu)件的正應(yīng)力及其組合應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，如圖2～5所示。驗(yàn)算結(jié)果見表4。

圖2 貝雷梁弦桿彎矩

圖3 貝雷梁弦桿軸力

圖4 貝雷梁弦桿剪力

圖5 貝雷梁腹桿軸力

通過分析計(jì)算，雙拼56b工字鋼支架貝雷梁支點(diǎn)處單豎桿應(yīng)力較大，須在該處用雙拼[14槽鋼對(duì)豎桿加強(qiáng)，其余桿件均滿足要求。

表4 縱向貝雷梁應(yīng)力結(jié)果

注：縱向貝雷梁強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 工況二計(jì)算結(jié)果

3.3.1 結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算結(jié)果

支架整體位移變形見圖6。分別對(duì)各支架型鋼進(jìn)行剛度驗(yàn)算，結(jié)果如表5所示。

圖6 結(jié)構(gòu)整體位移變形

構(gòu)件最大位移變形/mm計(jì)算跨度/m允許變形位移/mm雙拼[14槽鋼0.970.8552.14貝雷梁61230雙拼56b工字鋼2.014.511.25

注：各構(gòu)件剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3.2 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果分析

支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性主要驗(yàn)算鋼管立柱的壓彎穩(wěn)定。鋼管立柱為軸心受壓構(gòu)件，其軸力計(jì)算結(jié)果見圖7。

圖7 鋼管立柱軸力

單根鋼管立柱最大軸力為1 682.7 kN,自由長(zhǎng)度為8 m，換算長(zhǎng)細(xì)比

λ=L/r=800/25.1=31.9

式中：λ為鋼管樁長(zhǎng)細(xì)比;L為鋼管樁每8 m進(jìn)行一次橫向及斜向連接自由長(zhǎng)度；r為截面回轉(zhuǎn)半徑。

由于Φ630×10鋼管柱為b類軸心受壓構(gòu)件，查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50017—2017)得穩(wěn)定系數(shù)φ=0.929，由此得到承載力

式中：σ為承載力；φ為軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)；F為正壓力；A為截面面積。

可知，鋼管立柱的穩(wěn)定承載力滿足穩(wěn)定要求。

4 Midas/civil軟件與傳統(tǒng)計(jì)算方法對(duì)比

(1)運(yùn)用Midas/civi軟件設(shè)計(jì)支架更經(jīng)濟(jì)適用，4排鋼管墩每2排縱橫聯(lián)系在一起，構(gòu)成格架墩，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際搭設(shè)相比，更能夠節(jié)約材料。

(2)運(yùn)用Midas/civi軟件，其計(jì)算精度提高了，為后期的施工控制提供了很大的幫助，施工過程可借助計(jì)算結(jié)果做到有的放矢，抓重點(diǎn)、抓關(guān)鍵，同時(shí)，也為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

(3)運(yùn)用Midas/civi軟件，細(xì)化計(jì)算過程。傳統(tǒng)的計(jì)算方法往往更注重結(jié)構(gòu)的使用功能，忽略了結(jié)構(gòu)施工過程，這為結(jié)構(gòu)施工埋下了較大的安全隱患。

(4)運(yùn)用Midas/civi軟件，提高了工作效率，大大減少了重復(fù)計(jì)算的工作。Midas/civi軟件僅通過建立模型、輸入各種荷載及邊界條件，就可以得到各種荷載下的結(jié)構(gòu)受力計(jì)算結(jié)果。

5 結(jié) 語

本文運(yùn)用Midas/civil有限元軟件建模分析白鶴壩右線1段現(xiàn)澆箱梁支架受力狀況，分析各種工況下支架整體穩(wěn)定性，并逐一分析了支架各個(gè)桿件的受力情況，建模分析切實(shí)有效可行，并根據(jù)此模型進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工，安全高效地完成了現(xiàn)澆箱梁架設(shè)。該計(jì)算方法能形象直觀地表達(dá)出支架形變位移量，計(jì)算過程簡(jiǎn)單，結(jié)果精確，確保臨時(shí)支架的安全施工。同時(shí)，臨時(shí)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)將得到大大的優(yōu)化，顯著提高經(jīng)濟(jì)效益。