寶成線高邊坡崩塌防護工程腳手架有限元分析

茍小兵

1 工程概況

寶成鐵路K399段邊坡在5·12地震中,出現了巖體松動和崩塌的現象,如果不及時進行邊坡治理,很可能會危及到鐵路的安全運行。此鐵路段邊坡傾角幾乎為90°,垂直高度大約有120 m,在施工中需要預先搭設高度為100 m左右的鋼管腳手架供施工使用。通常情況下,腳手架的搭設不需要進行特殊的設計和研究,根據相應規(guī)范和施工經驗即可搭設安全可靠的腳手架。《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規(guī)范》規(guī)定超過50 m高的腳手架應進行專門的計算,K399段腳手架的設計搭設高度大約100 m,邊坡傾角將近 90°,搭設困難比較突出。

此工程巖石為新鮮的石灰?guī)r,巖體堅硬,風化現象不明顯。腳手架下面的巖石上有一定厚度的土質覆蓋層,施工時應清除干凈露出基巖,并澆筑混凝土。

為保證腳手架設計方案的安全及有效指導超高腳手架施工,現采用三維有限元進行模擬分析。

2 腳手架設計方案的選擇

此次計算作為選擇腳手架總體方案的依據,共設計了4個設計方案,對4個腳手架方案的計算結果進行對比并選出最佳的設計方案(見表1)。

表1 腳手架預先設計的4套方案

腳手架的節(jié)點大多數都是剛性連接,只有在鋼管接長的時候是半剛性連接。現有的有限元程序都只能模擬純剛性或者純鉸接。因為實際模擬非常接近剛性連接,所以有限元計算的時候以剛性連接為準。

其有限元模型見圖1。

3 腳手架工況設計

根據不同的設計方案和施工進程,共設計了8個工況,它們的詳細信息如表2所示。

表2 工況組合表

4 腳手架穩(wěn)定性及內力分析

每個工況都進行了超載計算,即分別按照1倍的實際荷載、2倍的實際荷載和3倍的實際荷載分析。計算結果如圖2～圖13所示。

圖2～圖13中顯示了立桿在各個高程的最大壓力和安全系數、橫桿在各個高程的最大彎矩和抗彎安全系數、連墻件的最大拉(壓)力和安全系數。

5 結語

文章通過對高邊坡腳手架的三維有限元模擬分析,給出了4種設計方案及8種計算工況,并以工況1為例,對腳手架的整體穩(wěn)定性及桿件應力進行分析。為今后超高腳手架的設計提供了設計思路及計算模型。

[1]張建海,何江達.小灣高拱壩三維有限元彈塑性分析[J].云南水力發(fā)電,2000,16(1):61-64.

[2]張德興.有限元法新編教程[M].上海:同濟大學出版社,1989.

[3]姜弘道.水工結構工程與巖土工程的現代計算方法及程序[M].南京:河海大學出版社,1992.