鄧俊雷DENG Jun-lei；李曉燕LI Xiao-yan

（①云南交通工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，昆明 650200；②云南省交通工程試驗(yàn)檢測(cè)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650200；③云南省迪慶藏族自治州維西傈僳族自治縣交通運(yùn)輸局，維西傈僳族自治縣 674600）

0 引言

承插型盤扣式滿堂支架由于其外觀美觀、適用范圍廣泛、安全性高、能大大提高施工效率、材料用量省和承載能力高等原因，在支架施工的過(guò)程中得到了普遍運(yùn)用[1-2]，同時(shí)支架在施工過(guò)程中，由于設(shè)計(jì)、施工等缺陷問(wèn)題，易發(fā)生工程事故，從而造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[3]。因此，在設(shè)計(jì)階段就要考慮支架體系的整體性，對(duì)承載能力進(jìn)行分析驗(yàn)算，并且在施工過(guò)程中對(duì)支架安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警[4]。目前，國(guó)內(nèi)外在這兩方面研究不夠深入，一方面更多強(qiáng)調(diào)三維有限元模型的建立，提出建模理論和方法，但在實(shí)際過(guò)程中，有限元方法與安全預(yù)警系統(tǒng)未能有效結(jié)合；另一方面局限于研究支架預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)各個(gè)預(yù)警方法少有涉及[5-8]。

本文以此為突破口，針對(duì)云南某高速建立有限元模型，將有限元方法與支架監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)合，形成交互式協(xié)作，對(duì)沉降值、受力、變形等進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，驗(yàn)證有限元計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的準(zhǔn)確性，當(dāng)各參數(shù)達(dá)到閾值時(shí)發(fā)出警告信號(hào)，根據(jù)不同的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，啟動(dòng)不同級(jí)別的應(yīng)急預(yù)案，從而確保支架的安全性。

1 工程概況及有限元模型建立

1.1 工程概況 該高速公路位于云南省中西部，互通式立體交叉匝C 號(hào)橋孔跨布置為4*30+3*30m，橋梁全長(zhǎng)220m。支架系統(tǒng)采用承插型盤扣式滿堂支架，每單元桁架豎向斜桿有對(duì)稱和螺旋式兩種布置，在此采用螺旋式布置。橫桿按步距1.5m 設(shè)置；豎向斜拉桿按桁架組合方式采用矩陣型；水平定位桿（或鋼管扣件剪刀撐）按6m-9m 一層布置，一般布置2 層或3 層；主龍骨采用雙肢12#槽鋼，龍骨與龍骨之間的距離為1.5m；次龍骨（50×50 方鋼橫橋向）最不利間距0.1m。水平斜桿在頂層和底層設(shè)置1 道，中間每4-6 個(gè)步距設(shè)置1 道，立面單元桁架各面均滿布豎向斜桿；平面有兩種形式矩陣或梅花形，在此采用矩陣形式。

滿堂支架的原材料選用新型承插型盤扣式支架，直徑為60mm、壁厚為3.2mm，采用Q345B 材質(zhì)材料制造；橫桿、豎桿及斜桿直徑為48mm，壁厚為2.5mm，橫桿采用Q345B材質(zhì)，豎桿采用Q195 材質(zhì)，斜桿采用Q235B 材質(zhì)；可調(diào)托座Φ48*6.5*600，采用Q235B 材質(zhì)；可調(diào)底座Φ48*6.5*600，采用Q235B 材質(zhì)；圓盤厚度10mm，采用Q345B 材質(zhì)。

1.2 有限元模型建立 結(jié)合支架搭設(shè)方案及現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，本文最終選擇第二跨（跨徑為30m）盤扣式滿堂支架作為有限元的分析對(duì)象，采用Midas Civil 軟件建立盤扣式支架有限元模型。

1.2.1 荷載類型及取值 根據(jù)該互通第二聯(lián)盤扣式滿堂支架現(xiàn)澆橋施工圖紙及相關(guān)規(guī)范規(guī)定，結(jié)合盤扣式滿堂支架現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況，有限元模型考慮鋼筋混凝土自重q1、模板自重q2、支架自重q3、施工人員及施工設(shè)備荷載q4、振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載q5、傾倒混凝土產(chǎn)生的水平荷載q6、新澆筑混凝土對(duì)側(cè)模的壓力q7、風(fēng)荷載q8。

1.2.2 荷載工況和系數(shù) 根據(jù)盤扣式滿堂支架施工過(guò)程中的不同工況，在支架預(yù)壓過(guò)程中對(duì)不同的施工工況對(duì)支架受到的應(yīng)力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，工況1 預(yù)壓荷載達(dá)到梁自重30%，工況2 預(yù)壓荷載達(dá)到梁自重60%，工況3 預(yù)壓荷載達(dá)到梁自重100%，工況4 底、腹板混凝土澆筑完畢，工況5 頂板混凝土全部澆筑完成。

對(duì)施加于盤扣式支架的各荷載按照規(guī)范進(jìn)行組合，基本組合為：永久荷載＋1.4×（可變荷載＋風(fēng)荷載），竹膠板重量、次龍骨重量、自重、混凝土濕重荷載組合系數(shù)為1.2，施工人員及設(shè)備荷載、混凝土傾倒和振搗荷載及風(fēng)荷載組合系數(shù)為1.4。

1.2.3 參數(shù)化建立有限元模型 根據(jù)實(shí)際情況，橫橋向模擬進(jìn)行簡(jiǎn)化處理只取半幅進(jìn)行有限元模擬，其寬度為13.2m，縱橋向長(zhǎng)度取橋梁的凈跨徑30.0m。支架采用有限元軟件Midas Civil，最終將結(jié)構(gòu)離散為4268 個(gè)節(jié)點(diǎn)、12848個(gè)單元，箱梁底板處的竹膠板采用板單元進(jìn)行模擬，其余桿件采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，有限元計(jì)算模型如圖1 所示。

圖1 有限元計(jì)算模型圖

2 承插型盤扣式支架有限元分析

2.1 承插型盤扣式支架系統(tǒng)的軸力分析 根據(jù)Midas有限元計(jì)算結(jié)果，在最不利荷載組合作用下，水平桿軸向拉力均小于13.1kN，支架系統(tǒng)中最大軸向拉力作用在橋墩處其值為154.21kN。鋼管支架的容許荷載為30kN，因此結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生受拉破壞。支架系統(tǒng)的立桿最大軸向壓力為71.18kN，主要承受壓力。

2.2 承插型盤扣式支架系統(tǒng)的應(yīng)力分析 從盤扣式支架系統(tǒng)模型分析結(jié)果可以得出，在組合荷載作用下，支架的橫桿最大拉應(yīng)力發(fā)生在1/4 跨附近橫桿，應(yīng)力值為107.0MPa，最大壓應(yīng)力發(fā)生在3/4 跨附近橫桿，應(yīng)力值為73.8MPa。支架的立桿最大拉應(yīng)力發(fā)生在支架跨中位置，應(yīng)力值為0MPa，最大壓應(yīng)力發(fā)生在1/4 跨橫橋向加密處，應(yīng)力值為183.0MPa。斜桿最大壓應(yīng)力在1/4 跨橫橋向中心位置附近，應(yīng)力值為68.0MPa；最大拉應(yīng)力發(fā)生在橋梁兩端的腹板位置處，應(yīng)力值為63.2MPa，結(jié)果表明所有拉壓應(yīng)力均不超過(guò)支架的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，強(qiáng)度能夠滿足施工要求。

3 承插式支架沉降和應(yīng)力監(jiān)測(cè)分析

3.1 沉降監(jiān)測(cè)分析 支架沉降不僅對(duì)施工過(guò)程中產(chǎn)生安全隱患，而且對(duì)上部結(jié)構(gòu)混凝土施工的質(zhì)量控制造成很大影響。因此，在支架預(yù)壓及混凝土澆筑階段開展支架沉降監(jiān)測(cè)具有重要意義。根據(jù)本項(xiàng)目施工實(shí)際情況，本項(xiàng)目沉降監(jiān)測(cè)布置點(diǎn)均布置于支架底部，一共選取了5 個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)（分別以B-1~B-5 命名），具體布置詳見圖2。

圖2 沉降測(cè)點(diǎn)的布置平面圖

為了消除支架的彈性變形，在支架施工完成后要對(duì)支架進(jìn)行預(yù)壓，通過(guò)沉降監(jiān)測(cè)儀測(cè)得立桿底部的沉降量，最終立桿底部沉降量的實(shí)測(cè)結(jié)果如圖3 所示，從分析結(jié)果可以看出支架系統(tǒng)的整體沉降量維持在一定的幅度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。但由于支架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工缺陷，導(dǎo)致不同的測(cè)點(diǎn)之間的沉降變化大小不一。

圖3 立桿底部沉降量的實(shí)測(cè)結(jié)果

3.2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)分析

滿堂支架現(xiàn)澆施工過(guò)程中，由于上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的恒荷載及活荷載，如果上部結(jié)構(gòu)施工荷載較為集中或支架桿件存在初始缺陷，容易引發(fā)支架桿件豎向受力過(guò)大而發(fā)生桿件壓壞及坍塌，所以在不同工況下對(duì)滿堂支架的桿件的受力狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性具有十分重要的意義。

為了對(duì)盤扣式滿堂支架的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元模型的數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，將軸力監(jiān)測(cè)儀器安裝于支架底部，一共選取了9 個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中6 個(gè)為立桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，3 個(gè)為橫桿監(jiān)測(cè)點(diǎn)，應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖4 所示?！啊北硎玖U測(cè)點(diǎn)，編號(hào)形式例L-1；“●”表示斜桿，編號(hào)形式例X-1。在測(cè)點(diǎn)部位通過(guò)監(jiān)測(cè)儀器讀取結(jié)構(gòu)在不同工況下受到的軸力，反算鋼管受到的應(yīng)力值。

圖4 盤扣式滿堂支架應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)斷面布置圖

在對(duì)支架受到的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，重點(diǎn)對(duì)不同工況下箱梁澆筑過(guò)程中支架的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從圖5 可以看出，工況1 至工況5 理論計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)應(yīng)力最小偏差值為2.01%（工況4），最大值偏差值為23.0%（工況5）?？傮w來(lái)說(shuō)數(shù)據(jù)比較接近，且所有數(shù)據(jù)均未超過(guò)材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，可判定該支架系統(tǒng)是安全可靠的。同時(shí)，對(duì)9 個(gè)測(cè)點(diǎn)在不同工況下的理論值與實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比分析，限于篇幅有限，本文對(duì)L-1、L-3、L-6和X-2 測(cè)點(diǎn)在不同工況下的理論值與實(shí)際值的變化曲線如圖6 所示。

圖5 盤扣式支架計(jì)算最大應(yīng)力值與其對(duì)應(yīng)實(shí)測(cè)值

圖6 部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)盤扣式支架應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)應(yīng)圖示

從圖5 及圖6 可以看出，在不同工況下不同測(cè)點(diǎn)的理論值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)大致相同，隨著混凝土的澆筑，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平不斷增加，桿件受到的應(yīng)力曲線大致符合支架的受力情況。由于在混凝土澆筑過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生臨時(shí)荷載，如施工人員、施工機(jī)具及振搗混凝土產(chǎn)生的振動(dòng)等因素的影響，造成支架產(chǎn)生的壓力值基本都大于預(yù)壓荷載的100%，并且實(shí)際測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值基本與有限元計(jì)算的理論值相差不大。

4 結(jié)論

①隨著預(yù)壓荷載的增加，支架構(gòu)件的理論計(jì)算應(yīng)力值基本處于彈性階段，呈現(xiàn)線性增加的規(guī)律，在卸載過(guò)程中，理論應(yīng)力值也基本呈線性減小的規(guī)律，支架應(yīng)力值波峰波谷比較明顯。②在不同工況下立桿、斜桿的應(yīng)力理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)基本保持一致，即在混凝土澆筑前應(yīng)力水平較低，在澆筑過(guò)程中逐漸增加，支架應(yīng)力值在混凝土澆筑施工完成時(shí)達(dá)到最大值。③通過(guò)理論計(jì)算與實(shí)際監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)比分析，采用Midas Civil 對(duì)盤扣支架系統(tǒng)進(jìn)行有限元模擬是可行的，為支架系統(tǒng)的穩(wěn)定性安全提供了基礎(chǔ)保證，相關(guān)計(jì)算過(guò)程及監(jiān)控量測(cè)方法可為同類工程提供參考。