跨線橋梁0號塊懸臂施工支架體系的受力分析

田　欽， 袁瑞杰， 丁　利

(南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院，江西南昌 330031)

1　工程概況

漣水特大橋跨規(guī)劃紅日大道的橋跨布置為(48+80+48) m的連續(xù)梁，結(jié)構(gòu)形式為現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，箱梁為分離的單箱單室截面。0號塊長8 m，底板寬6.4 m，兩端懸出墩身2.9 m，梁高2.49 m，0號塊混凝土數(shù)量為245 m3，重量約650 t，鋼筋用量為95.5 kg(圖1～圖3)。

圖1　0號塊支模架布置正視(單位:cm)

圖2　0號塊支模架布置側(cè)視(單位:cm)

圖3　0號塊支模架布置平面(單位:cm)

2　有限元分析模型

2.1　荷載取值

(1)鋼筋混凝土的容重：26 kN/m3；人員、機(jī)具荷載標(biāo)準(zhǔn)值：2.5 kN/m2；底模板、內(nèi)模支架模板：3.5 kN/m2；翼緣模板、側(cè)模：2.5 kN/m2。施工階段最不利荷載工況為混凝土澆筑完畢，但還未凝結(jié)，尚未達(dá)到強(qiáng)度。

(2)模型相關(guān)構(gòu)件材料與截面情況如表1所示。

2.2　建模相關(guān)情況

由于該0號塊支模架體系的鋼管柱柱頂不平，不便設(shè)置滿堂支架，故不進(jìn)行0號塊翼緣滿堂支架的建模，直接將翼緣的荷載加至方木上。還由于墩身兩邊支架模型相同，且中間無相關(guān)聯(lián)系，而荷載又對稱分布，故將一半的支架作為一個(gè)整體，進(jìn)行分析。模型內(nèi)的單元全部采用梁單元。

支模架與墩身、承臺接觸的支撐部分采用剛結(jié)，6個(gè)自由度全部限制如圖4所示。鋼管柱與柱頂承重梁之間、柱頂承重梁與墊塊之間、墊塊與分配梁之間、分配梁與方木之間均采用彈性連接中的剛性類型。

表1　各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的有限元單元類型

圖4　支模架體系模型

3　荷載計(jì)算過程

將放置于支模架體系上的0號塊按一定規(guī)則，通過7個(gè)截面分為7塊(圖5)。荷載布置采用梁單元荷載(單元)，在0號塊架立于方木的長度范圍內(nèi)設(shè)置荷載,每一塊提供的荷載(整體乘以1.25的系數(shù))，荷載布置情況見圖5，每塊區(qū)域所承受荷載如表2所示。

圖5　荷載布置示意

區(qū)域di/mmVi/mm3Gi/kNqi/(N·mm-1)135.348852343.517230.160931442714.5825238.929191633.606238.982473756758.6625329.716885731.185179.02907081572.49125429.736777752.96176.22157696567.1575529.726663538.331173.251996606561.2825629.76550076.413170.301986738555.446742.209113894.814236.961265164779.315

第1條方木上的梁單元荷載=q1+q2=1 473.245 N/mm；

第2條方木上的梁單元荷載=q3=572.491 N/mm；

第三條方木上的梁單元荷載=q4=567.158 N/mm；

第四條方木上的梁單元荷載=q5=561.283 N/mm；

第五條方木上的梁單元荷載=q6=555.446 N/mm；

第六條方木上的梁單元荷載=q7=779.315 N/mm。

4　構(gòu)件受力驗(yàn)算

驗(yàn)算依據(jù)JTJ 025-86《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50429-2007《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》。

4.1　鋼立柱計(jì)算

如圖6所示：鋼立柱最大軸向壓應(yīng)力為98.27 MPa<[σ]=140 MPa，最大彎矩應(yīng)力為96.47 MPa<[σw]=145 MPa,最大剪應(yīng)力為28.33 MPa<[τ]=85 MPa，均滿足要求。在鋼立柱的與柱頂承重梁或與承臺剛性約束處出現(xiàn)應(yīng)力較大的情況，而鋼立柱整體其他部位受力較均勻，兩端與中間部位均滿足受力要求。

圖6　鋼立柱應(yīng)力云圖

4.2　柱頂承重梁計(jì)算

如圖7所示：柱頂承重梁最大軸向壓應(yīng)力為49.53 MPa<[σ]=140 MPa，最大彎矩應(yīng)力為69.02 MPa<[σw]=145 MPa,最大剪應(yīng)力為10.58 MPa<[τ]=85 MPa，均滿足要求。柱頂承重梁在中間部位的跨度較大，承受最大彎矩，兩端承重梁在鋼管柱的支撐分隔下使跨徑更小，整個(gè)梁體的組合應(yīng)力呈對稱狀，梁體的各部分段均滿足要求。

圖7　柱頂承重梁應(yīng)力云圖

4.3　分配梁計(jì)算

如圖8所示：分配梁最大軸向壓應(yīng)力為57.78 MPa<[σ]=140 MPa，最大彎矩應(yīng)力為144.36 MPa<[σw]=145 MPa,最大剪應(yīng)力為63.93 MPa<[τ]=85 MPa，均滿足要求。分配梁為12根I25工字鋼，由于間距各不相同，且假設(shè)方木的荷載為等效均布荷載，因?yàn)橹虚g的工字鋼的間距最大，其承受的力也最大，順橋向，中間工字鋼處于最不利工況，中間工字鋼的承受力為承受跨徑左右各一半的力，而由應(yīng)力云圖計(jì)算結(jié)果得出的最大彎矩值、剪力值均處在中間工字鋼段。

圖8　分配梁應(yīng)力云圖

4.4　方木計(jì)算

如圖9所示：方木最大軸力向壓應(yīng)力50.04 MPa<[σ]=65 MPa，最大彎矩應(yīng)力為115.55 MPa<[σw]=130 MPa，最大剪應(yīng)力為12.98 MPa<[τ]=13.5 MPa，均滿足要求。由于方木在橫橋向的間距相等，所以把方木所承擔(dān)上部的荷載等效為6個(gè)相等的集中荷載，而方木在順橋向的間距，中間段最大，所以方木受力同樣呈現(xiàn)出中間大兩端較小的對稱趨勢，最危險(xiǎn)點(diǎn)依舊出現(xiàn)在中間段。由圖9的應(yīng)力云圖所示，中間段的彎矩值并沒有超出允許值，而最大彎矩值出現(xiàn)在兩端分配梁間距較小處的某根方木與分配梁的節(jié)點(diǎn)處，是因剛性約束所導(dǎo)致的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖9　方木應(yīng)力云圖

5　結(jié)束語

通過Midas/civil建模對支架體系的受力進(jìn)行驗(yàn)算，主要結(jié)論如下:

(1)鋼立柱整體受力較均勻，柱頂承重梁的組合應(yīng)力呈對稱狀，中間部位較大兩端較小，分配梁的應(yīng)力最大值均處于跨度最大的中間工字鋼段。

(2)方木的跨中應(yīng)力并不是理論最大值，支模架體系中的各部位彈性連接剛度對支模架體系受力有一定的影響，會導(dǎo)致連接支點(diǎn)處的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(3)0號塊支模架體系的施工中支模架的最大應(yīng)力通常不是出現(xiàn)在跨中，而是出現(xiàn)在支點(diǎn)處。當(dāng)支模架體系跨中應(yīng)力有較多富余、支點(diǎn)應(yīng)力超出應(yīng)力允許值時(shí)，可不增加支模架各部件數(shù)目，只需對支點(diǎn)處進(jìn)行局部加強(qiáng)。