橋梁施工滿(mǎn)堂支架有限元分析

趙 越

(江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院，江蘇 常州 213016)

橋梁施工滿(mǎn)堂支架有限元分析

趙 越

(江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院，江蘇 常州 213016)

通過(guò)建立石浦高架橋某跨現(xiàn)澆箱梁滿(mǎn)堂支架的有限元模型，計(jì)算分析支架系統(tǒng)的軸力、拉壓應(yīng)力及位移,以驗(yàn)證支架系統(tǒng)的安全性及數(shù)值計(jì)算的可靠性，結(jié)果表明:支架最大應(yīng)力值與位移值均未超過(guò)鋼管的強(qiáng)度值，支架系統(tǒng)的剛度和穩(wěn)定性滿(mǎn)足施工要求。

橋梁工程，滿(mǎn)堂支架，有限元法，位移分析

滿(mǎn)堂支架系統(tǒng)是目前現(xiàn)澆橋梁施工中廣泛采用的工藝，其中碗口式鋼管支架因其構(gòu)造簡(jiǎn)單、安裝方便、便于運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)，在各橋梁施工現(xiàn)場(chǎng)被廣泛采用，尤其在局部低洼、軟弱地段，特別適用于連續(xù)梁橋的施工。一直以來(lái)，對(duì)于滿(mǎn)堂支架的設(shè)計(jì)與計(jì)算，通常是根據(jù)計(jì)算工具手冊(cè)或套用先前工程項(xiàng)目成功案例來(lái)實(shí)施，不能很好的緊密貼合工程的實(shí)際情況，往往由于安全系數(shù)過(guò)大而造成不必要的浪費(fèi)。而在國(guó)外，通常是在規(guī)范允許的框架下，大膽采用解析法和有限元建模計(jì)算的方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件建立實(shí)體模型，模擬分析計(jì)算滿(mǎn)堂支架的受力變化，并以此為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。Midas/Civil是一款主要適用于橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析的軟件，進(jìn)入我國(guó)已經(jīng)多年，并已和國(guó)內(nèi)的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行了融合，簡(jiǎn)便、直觀(guān)、可操作化是其優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，本文以石浦高架橋現(xiàn)澆連續(xù)箱滿(mǎn)堂支架系統(tǒng)為案例，建立有限元模型，分析支架系統(tǒng)的應(yīng)力、應(yīng)變與位移變化，驗(yàn)證支架的安全性，試圖為安全施工提供技術(shù)依據(jù)。

1 工程概況

石浦高架橋位于昆山市東城大道快速化改造二期工程南段，橋梁中心樁號(hào)為K3+860，起點(diǎn)樁號(hào)K3+200，終點(diǎn)樁號(hào)K4+520。全橋共2個(gè)橋臺(tái)，43個(gè)橋墩，分14聯(lián)，其中1聯(lián)～6聯(lián)及9聯(lián)～14聯(lián)為3×30 m一聯(lián)，7聯(lián)～8聯(lián)為4×30 m一聯(lián)。

上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，采用滿(mǎn)堂支架現(xiàn)澆施工。箱梁梁高為2 m，連續(xù)箱梁均為等截面箱梁，箱梁底板、頂板形成雙向2%橫坡。箱梁為單箱四室截面。箱梁底寬17.0 m，頂寬為26.0 m，箱梁頂板厚度為25 cm；箱梁腹板厚度取用40 cm，加厚段腹板厚度為70 cm；箱梁底板厚度變化范圍20 cm～40 cm；翼緣板厚度20 cm，根部厚度60 cm。箱梁采用雙向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。

2 支架方案

全橋采用碗扣式支架拼裝，縱橫步距為90 cm，縱向在頂?shù)装寮雍穸渭用転?0 cm步距，橫向在腹板位置加密為60 cm步距。支架下設(shè)調(diào)平底托，上設(shè)調(diào)平頂托。頂托上橫橋向放置10號(hào)H型鋼，然后順橋向布置10 cm×10 cm方木，方木間距30 cm。支架橫向剪刀撐以每3檔～5檔設(shè)置一道，沿橋?qū)挼姆较蚩倢捲O(shè)置，支架縱向剪刀撐設(shè)置在支架兩側(cè)及箱梁腹板的位置，每聯(lián)通長(zhǎng)設(shè)置，總共設(shè)置7道。橋墩處支架在立柱外側(cè)與其余部位相同，內(nèi)側(cè)于系梁上搭設(shè)兩排支架，兩排支架與系梁中心線(xiàn)距離為30 cm，橫向間距與其他部位相同，并與相鄰的支架連接為整體，見(jiàn)圖1，圖2。

3 荷載標(biāo)準(zhǔn)

混凝土自重取25 kN/m3，模板自重取2 kN/m2，施工人員及設(shè)備荷載取2.5 kN/m2，澆筑和振搗混凝土產(chǎn)生的荷載取3.0 kN/m2，其他荷載取3.0 kN/m2。

根據(jù)《路橋施工手冊(cè)》查得鋼管立桿容許應(yīng)力[σ]=140 N/mm2，則單根立桿容許承載力為：ψA[σ]=0.682×424×140=40.5 kN，在橫桿間距100 cm時(shí)，立桿容許荷載為31.7 kN，橫桿間距125 cm時(shí)，立桿容許荷載為29.2 kN，則當(dāng)橫桿間距為120 cm時(shí)，用內(nèi)插法計(jì)算立桿容許荷載為：31.7-(31.7-29.2)×(100-120)/(100-125)=29.7 kN，綜合得單根立桿容許荷載為29.7 kN。

對(duì)三處分別進(jìn)行驗(yàn)算，其中一處為橫梁底部，一處為跨中腹板處，一處為跨中箱室處。

1)橫梁底部：此時(shí)橫向間距為0.6 m，縱向間距為0.6 m，混凝土高度為2 m，則正常施工時(shí)單桿承受荷載為(2+25×2+2.5+3+3)×0.6×0.6=21.83 kN，超載預(yù)壓時(shí)單桿承受荷載為(25×2×120%+3)×0.6×0.6=22.73 kN；

2)跨中腹板處：此時(shí)橫向間距0.6 m，縱向間距0.9 m，混凝土高度為0.4 m范圍內(nèi)為2 m，0.2 m范圍內(nèi)為0.45 m，則正常施工時(shí)單桿承受荷載為(2+2.5+3+3)×0.6×0.9+25×(0.4×2+0.2×0.45)×0.9=25.73 kN，超載預(yù)壓時(shí)單桿承受荷載為3×0.6×0.9+25×(0.4×2+0.2×0.45)×120%×0.9=25.63 kN；

3)跨中箱室處：此時(shí)縱橫間距均為0.9 m，混凝土高度為0.45 m，則正常施工時(shí)單桿承受荷載為(2+25×0.45+2.5+3+3)×0.9×0.9=17.63 kN，超載預(yù)壓時(shí)單桿承受荷載為(25×0.45×120%+3)×0.9×0.9=13.33 kN。

4 建立模型

應(yīng)用大型有限元分析軟件Midas，建立連續(xù)梁及支架的空間離散模型，對(duì)0號(hào)塊滿(mǎn)堂支架進(jìn)行模擬分析計(jì)算。

單位約定：力單位為kN，長(zhǎng)度單位為m。

坐標(biāo)約定：X坐標(biāo)方向?yàn)轫槝蛳颍琘坐標(biāo)方向?yàn)闄M橋向，Z坐標(biāo)方向?yàn)樨Q向。

正負(fù)號(hào)約定：正號(hào)表示拉力，負(fù)號(hào)表示壓力。

單元類(lèi)型：主梁及支架均采用梁?jiǎn)卧?/p>

滿(mǎn)堂支架的構(gòu)成一般都為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可取最不利受力狀態(tài)的橋跨支架結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行建模分析。在本案當(dāng)中，箱梁的翼板部分結(jié)構(gòu)自重較輕，對(duì)支架結(jié)構(gòu)的受力影響不大，在驗(yàn)算中忽略該部分，以梁下支架為分析主體，模型的橫向?qū)挾葹?0.2 m，縱向橋長(zhǎng)為15.66 m，模型中共有節(jié)點(diǎn)3 864個(gè)，單元8 727個(gè)，立桿和水平桿采用梁?jiǎn)卧?，碗扣件采用?jié)點(diǎn)方法連接，見(jiàn)圖3。

5 模型運(yùn)行結(jié)果與結(jié)論

運(yùn)行Midas/Civil有限元軟件的模型計(jì)算，結(jié)果顯示，在自重荷載、施工荷載、其他荷載的組合作用下，滿(mǎn)堂支架系統(tǒng)中水平桿主要承受拉力，支架系統(tǒng)中出現(xiàn)的最大軸向拉力為8.82 kN，根據(jù)《路橋施工手冊(cè)》關(guān)于材料荷載的要求，鋼管支架容許荷載為30.0 kN，計(jì)算出的最大拉力未超出容許值，不會(huì)出現(xiàn)受拉破壞。支架系統(tǒng)的立桿主要承受壓應(yīng)力，立桿中出現(xiàn)的最大軸向壓力為29.3 kN，查得單根立桿容許荷載為29.7 kN，壓力未超出容許值，在組合荷載作用下，支架系統(tǒng)中出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力為85.47 N/mm2，最大壓應(yīng)力為129.59 N/mm2，而計(jì)算出的立桿容許應(yīng)力為140 N/mm2，由此可以看出，通過(guò)有限元支架模型計(jì)算出的受力均沒(méi)有超過(guò)規(guī)范值。

在組合荷載作用下，支架系統(tǒng)發(fā)生的彈性和非彈性變形見(jiàn)圖4，由圖4可以看出，其橫橋向出現(xiàn)的最大位移為2.14 mm，縱橋向最大位移為4.98 mm，豎向最大位移為5.01 mm。

參照GB 50204—2004混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量及驗(yàn)收規(guī)范中驗(yàn)算模板和支架剛度的有關(guān)規(guī)定，對(duì)于結(jié)構(gòu)表面外露的模板，模板和支架的最大變形值為模板構(gòu)件計(jì)算跨度的1/400，即3.75 cm。本模型取計(jì)算跨徑15 m，計(jì)算出水平方向最大位移為2.14 mm，因此水平方向變形量滿(mǎn)足規(guī)范要求。規(guī)范要求支架的壓縮變形值或彈性撓度為相應(yīng)結(jié)構(gòu)計(jì)算跨度的1/1 000，則規(guī)范允許值為15 m/1 000=0.015 m=1.5 cm，支架立桿的壓縮變形值約為5.01 mm，所以該支架壓縮變形值滿(mǎn)足規(guī)范設(shè)計(jì)的要求。

[1] 邱福平，呂忠明，夏來(lái)福．關(guān)于淺水、軟地基現(xiàn)澆箱梁滿(mǎn)堂支架地基處理施工工法的研究[J]．交通科技，2010(S2):26-29．

[2] 俞洪良，張土橋，潘新華．支模腳手架安全管理控制系統(tǒng)研究[J]．建筑經(jīng)濟(jì)，2007(S2):29-32．

[3] 周永光，何兆益，鄒毅松，等．路橋施工手冊(cè)[M]．北京:人民交通出版社，2001:436-438．

Finite element analysis on bridge construction scaffold

Zhao Yue

(JiangsuVocationalCollegeofUrban-RuralConstruction,Changzhou213016,China)

Through establishing finite element mode of crossing-Shipu bridge scaffold, the paper analyzes axial force, pulling stress and displacement of support system, and testifies the support system safety and numerical calculation reliability. Results show that: the maximum stress value and displacement value of the support system don’t exceed steel pipe strength value. In additional, the support system rigidity and stability meet construction demands as well.

bridge engineering, scaffold, finite element method， displacement analysis

2015-03-09

趙 越(1981- )，男，碩士，講師

1009-6825(2015)14-0166-02

U445

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