防護網在墩身防護架豎向受力過程中的作用

吳 競, 陳 魯, 柳 民, 李虹余, 呂 陽

（1.同濟大學浙江學院，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.浙江興土橋梁臨時鋼結構工程有限公司，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施搭設和拆卸過程中，傳統腳手架節點和桿件繁多，搭設復雜，轉場困難，造成了施工工期加長，施工人員安全隱患大等問題[1]。而且，根據不同的施工過程，腳手架的搭設方式等都要進行相應的設計，在豎向施工荷載下的受力計算尤其要，特別是要考慮偏載下整體結構的受力性能，否則可能會引起失穩破壞[2]，所以形成了各式各樣的腳手架搭設技術[3～5]，而腳手架的安全網通常是通過麻繩、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。

針對上述問題，某橋梁臨時鋼結構裝配公司開發研制了新型墩身施工安全防護架，防護架標準節段主要結構如圖1所示，該防護架主要通過每個單元的4根立柱承受豎向荷載，各單元之間通過柱端插入式進行連接，縮短了施工工期。外圍的安全防護網為帶孔的鋼片，起到了維護作用，但因安全防護網所占面積大，與整體結構間通過螺栓連接，所以考慮其在整體豎向受力過程中是否有貢獻問題，進行了豎向荷載下整體施壓（簡稱整壓）、防護網一側偏壓（簡稱后偏壓）和無防護網一側（簡稱前偏壓）3種工況下的現場試驗和有限元分析，通過有無防護網的梁柱應力和位移數據的對比，研究防護網抵抗豎向荷載下的受力和變形性能，為安全防護架的優化設計和施工過程提供了依據。

圖1 標準節段實圖

1 試驗方案

1.1 試驗內容和加載工況

為了得到在豎向受力過程中，防護網參與受力的情況，對安全防護架標準單元進行了整壓、后偏壓和前偏壓3種受力工況的試驗，具體試驗內容如下：①標準節架體豎向整體荷載試驗：選取3個標準架體，采用分級豎向整體堆載的方式加載（圖2a），加載同時，測量關鍵構件以及關鍵部位的構件應力，結構變形等關鍵參數，逐級加載，得到3個標準節架體在加載過程中的結構構件響應變化過程；②標準節架體豎向偏心（圖2b、圖2c）荷載試驗均選取3個標準架體，加載方式及數據提取同整壓工況。

圖2 標準節加載示意圖

1.2 加載方式

為驗證安全防護架單元體豎向荷載作用下防護網參與受力后，結構主要構件的關鍵部位的應力、變形等參數。采用豎向分級堆載的方式模擬豎向荷載加載，重物采用標準鋼錠，分級加載。1～6級加載質量分別為0.3415t/m2、4t/m2、7t/m2、9t/m2、12t/m2、15t/m2，1～2級卸載質量分別為8t/m2和0。

每級加載后持荷時間按不小于5min，為保證結構不發生破壞，如發生以下情況則終止加載：構件脫落或有脫落跡象；結構產生連續發展的側向位移；結構產生連續發展的豎向撓度；主要構件表面應力超出屈服強度的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，并根據安全防護架各構件的尺寸和連接形式，建立有限元模型，所有構件均采用C3D8R六面體實體單元，材料Q235B，楊氏模量2.1×1011N/m2，泊松比0.3，密度7 800kg/m3，構件間聯結形式為剛接。

2.2 分析步、荷載和邊界條件的設置

共設置2個分析步。先選擇靜力、通用分析步，時間長度為1，最大增量步數為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，時間長度為7，最大增量步數為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。

防護架與地面簡支設置，即在一側柱下端設置固定鉸支座，放松繞短向橫梁軸線的轉動約束；另一側柱下端為可移動鉸支座，放松垂直于柱軸向的水平位移和繞短向橫梁軸線的轉動約束。

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

3 對比分析

3.1 應力

為了討論防護網參與安全防護架豎向荷載下的受力情況，選取了8個測點的Mises應力進行分析（圖3）。圖中粗實線表示的立柱兩側均無防護網，3、4測點分別位于該立柱的下端和中間截面；1、2測點所在立柱兩側均有防護網；5、6、7、8分別為4根橫梁跨中截面。

圖3 應力測點布置圖

將以上8個測點的數值分析結果（理論值）和現場試驗結果（試驗值）的應力數據進行整理，試驗數據選取4t/m2、9t/m2、15t/m2的實測數據取的3次試驗數據的平均值，其中柱身數據取同一位置4個應變片數據的平均值，橫梁取翼緣板表面的應變片數據，然后將每個測點對應荷載下后偏壓與整體施壓應力之比、前偏壓與整體施壓應力之比分別列出，見表1。

對于立柱（1～4號測點），從表1和圖4可以看出，兩側有防護網立柱的1、2測點的后偏壓應力與整壓應力之比小于3、4測點的前偏壓應力與整壓應力之比，試驗值比理論值更為明顯，說明后偏壓時防護網在承受豎向荷載上起到了有利作用，使立柱的應力減小。

對于橫梁（5～8號測點），從表1和圖4可以看出，5號測點（所在短邊橫梁下側有防護網）后偏壓與整壓的應力理論值和試驗值之比，和前偏壓與整體的應力理論值和試驗值之比比較接近，7號測點（所在短邊橫梁下側無防護網）后偏壓與整壓的應力理論值和試驗值之比，小于前偏壓與整壓的應力理論值和試驗值之比，說明防護網起到了一定的有利作用，但不明顯。8號測點（所在長邊橫梁下側有防護網）后偏壓與整壓的應力理論值和試驗值之比，明顯小于6號測點（所在長邊橫梁下側無防護網）前偏壓的應力理論值和試驗值之比，說明防護網對長邊橫梁豎向荷載下的受力影響較大。

表1 偏壓與整壓應力之比

圖4 偏壓與整壓應力之比

3.2 位 移

根據研究內容，取安全防護架橫梁和立柱撓度測點如圖5所示。圖中粗實線表示的立柱兩側均無防護網，f1、f2、f3測點分別頂框架3根橫梁跨中撓度測點位置；1、2測點所在立柱兩側均有防護網；3、4測點所在立柱橫向有防護網而縱向無防護網。

圖5 空間位移測點布置圖

將以上7個測點的數值分析結果（理論值）和現場試驗結果（試驗值）的位移數據進行整理，試驗數據選取4t/m2、9t/m2、15t/m2的實測數據取的3次試驗數據的平均值，其中柱身數據取同一位置兩個方向位移數據算術平方根的平均值，橫梁取跨中豎向位移數據的平均值，然后將每個測點對應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。

對于橫梁（f1～f3號 測點），從表2和圖6可以看出，f3號測點（所在短邊橫梁下側有防護網）后偏壓與整壓的位移理論值和試驗值之比，與f1測點前偏壓與整體的位移理論值和試驗值之比相差不大。f2號測點（所在短邊橫梁下側無防護網）后偏壓與整壓的位移理論值和試驗值之比，和前偏壓與整壓的位移理論值和試驗值之比也相差不大，說明防護網在豎向荷載下對限制橫梁位移貢獻不大。

對于立柱（4(①)～7(④)號測點），從表2和圖6可以看出，兩側有防護網立柱的4(①)、5(②)測點的后偏壓與整壓位移理論值之比接近于6(③)、7(④)測點的前偏壓與整壓位移理論值之比，試驗值前者略低，說明防護網在豎向荷載作用下對限制立柱位移的貢獻也不大。

表2 偏壓與整壓位移之比

圖6 偏壓與整壓位移之比

4 結 語

通過對新型墩身安全防護架進行現場試驗和理論分析，可以得到如下結論。

1）防護網在墩身安全防護架豎向荷載作用下，對立柱的應力和長向橫梁的應力有利作用較大，而對短向橫梁的應力和梁柱空間位移的貢獻不大，可以起到維持整體穩定性的作用。

2）墩身安全防護架在豎向荷載作用下，梁柱關鍵部位的應力理論值和試驗值比較接近，但位移理論值和試驗值相差懸殊，是由于現場試驗時防護架整體的剛體位移所造成。

3）在墩身安全防護架優化設計時，可考慮防護網對豎向荷載作用下立柱受力的貢獻，適當減小防護網一側立柱的截面尺寸。

采用新型墩身施工防護架體系可以有效地解決傳統施工手段存在的施工復雜，安全性低、施工周期長等問題。通過對新型防護架體系的理論分析計算和荷載試驗，可以有效地證明其承載能力并發現其存在的問題，經過后續的改進，可以廣泛地應用到現在橋梁施工領域中去，對推進我國橋梁建設行業起到有益的作用。

[參考文獻]

[1]廖書欣，張文學，謝全懿.橋梁臨時結構典型施工事故分析[J].國防交通工程與技術，2015，13(6)：48-51.

[2]衣振華，王有志.橋梁施工中碗扣式腳手架支撐的計算[J].施工技術，2006，35(7)：56-58.

[3]張良杰.《建筑業10項新技術》(2010版)之模板及腳手架技術[J].施工技術，2011，40(5)：23-25.