大型復(fù)雜臨時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

王有剛

(遼寧華通公路工程監(jiān)理有限公司 沈陽(yáng)市 110166)

在設(shè)計(jì)橋梁施工中的大型臨時(shí)結(jié)構(gòu)時(shí)，要綜合考慮安全性、技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性。通過吉林省道大安至通遼公路嫩江大橋0#塊支架設(shè)計(jì)，闡述大型臨時(shí)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，即應(yīng)用有限元分析軟件整體建模可得到精確結(jié)果；設(shè)計(jì)中應(yīng)注重對(duì)壓彎構(gòu)件的計(jì)算；設(shè)計(jì)貫徹強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件原則。

1 工程介紹

本次研究選取吉林省嫩江大橋作為案例，該橋起點(diǎn)位于大安市大賚鄉(xiāng)老坎子，終點(diǎn)位于大慶市肇源縣民意鄉(xiāng)健民村，全長(zhǎng)2268m，主橋?yàn)?70+2×120+70)m的預(yù)應(yīng)力混凝土半剛構(gòu)‐連續(xù)箱梁橋；主橋主墩采用雙薄壁式墩，主橋邊墩采用柱式墩。基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁頂均設(shè)置承臺(tái)與橋墩連接。

本橋共3個(gè)主墩，1#墩高13.02m，2#墩高17.21m，3#墩高16.54m，0#塊中心高度7.0m。支架一般采用滿堂支架、鋼管支架、墩身托架，因本工程橋墩較高，0#塊高度較大，根據(jù)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)對(duì)方案粗略比選，本工程選用墩身托架作為0#塊支架。

2 支架結(jié)構(gòu)

(1)墩兩側(cè)支架結(jié)構(gòu)

在橋墩上預(yù)埋20mm厚鋼板，在鋼板上焊接雙拼I40工字鋼牛腿，在牛腿上安裝三角托架。三角托架上橫向搭設(shè)雙拼I25工字鋼橫梁，其上搭設(shè)I25工字鋼縱梁，然后鋪設(shè)箱梁底模。牛腿和三角托架均設(shè)置在箱梁腹板下方。

(2)墩間支架結(jié)構(gòu)

在橋墩上預(yù)埋20mm厚鋼板，在預(yù)埋鋼板上焊接雙拼I56工字鋼牛腿，在牛腿上搭設(shè)橫向I60工字鋼橫梁，其上搭設(shè)工字鋼縱梁，然后鋪設(shè)箱梁底模。牛腿設(shè)置下箱梁腹板下方。

(3)支撐構(gòu)件

在墩側(cè)面預(yù)埋20mm厚鋼板，在鋼板上焊接I25工字鋼托架，縱橋向搭設(shè)I25工字鋼縱梁，用于支撐側(cè)模板。

(4)托架制作

縱向托架用雙拼I25工字鋼焊接而成，墩側(cè)面托架用I25工字鋼焊接而成。具體托架半側(cè)面見圖1所示。

3 整體建模與分塊建模對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響

本橋中0#塊支架既有梁構(gòu)件，又有板構(gòu)件，還有受拉、受壓、拉彎構(gòu)件、壓彎構(gòu)件。構(gòu)件在簡(jiǎn)單的受力狀態(tài)下，可以通過手動(dòng)計(jì)算單元應(yīng)力和內(nèi)力。在0#塊施工中，由于梁高是變化的，腹板、頂板、底板厚度也是變化的，這種情況下，梁?jiǎn)卧芰η闆r很難通過簡(jiǎn)單的計(jì)算進(jìn)行合理分配；同時(shí)，手動(dòng)計(jì)算結(jié)構(gòu)受力時(shí)都是從荷載位置向下逐步計(jì)算各構(gòu)件應(yīng)力和內(nèi)力，其假設(shè)是下層構(gòu)件不變形，而實(shí)際情況下層構(gòu)件的變形會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件的受力重新分配。嫩江大橋0#塊支架見圖2所示。

嫩江大橋應(yīng)用Midas/civil軟件，通過對(duì)結(jié)構(gòu)整體建立模型，可以很好地解決單元受力分配問題；同時(shí)也能很好地解決構(gòu)件變形對(duì)構(gòu)件受力重新分配額的影響。筆者嘗試對(duì)結(jié)構(gòu)分塊建模和整體建模，得出的結(jié)果是有較大差異，以側(cè)模板支撐縱梁為例，整體建模和分塊建模最大組合應(yīng)力見表1所示。

圖1 托架半側(cè)面圖

圖2 嫩江大橋0#塊支架圖

表1 整體建模和分塊建模應(yīng)力結(jié)果

通過表1可知，整體建模的最大組合應(yīng)力為61.7MPa，分塊建模的最大組合應(yīng)力為84MPa，兩種的計(jì)算結(jié)果相差26.5%。

4 壓彎構(gòu)件穩(wěn)定性驗(yàn)算

受壓構(gòu)件同時(shí)有彎矩作用，或偏心受壓的構(gòu)件稱之為壓彎構(gòu)件。受壓構(gòu)件在失穩(wěn)的情況下會(huì)造成整個(gè)結(jié)構(gòu)崩潰，對(duì)受壓構(gòu)件穩(wěn)定性驗(yàn)算是至關(guān)重要的。加強(qiáng)對(duì)受壓構(gòu)件的驗(yàn)算，體現(xiàn)了強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計(jì)理念：梁破壞屬于構(gòu)件破壞，是局部性的，柱子破壞將危及整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全，可能會(huì)整體倒塌，后果嚴(yán)重。0#塊支架壓彎構(gòu)件包括三角托架豎桿和斜桿，利用軟件計(jì)算得出桿件軸力和彎矩，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50017-2017驗(yàn)算構(gòu)件穩(wěn)定性，計(jì)算過程繁雜，在此不贅述。

彎矩作用下的受壓構(gòu)件驗(yàn)算包括平面內(nèi)構(gòu)件穩(wěn)定性驗(yàn)算和平面外穩(wěn)定性驗(yàn)算，其理論表達(dá)式為：

(1)彎矩作用平面內(nèi)構(gòu)件穩(wěn)定性驗(yàn)算

(1)

式中：N—所計(jì)算構(gòu)件范圍內(nèi)軸心壓力設(shè)計(jì)值；

φx—彎矩作用平面內(nèi)軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)；

Mx—所計(jì)算構(gòu)件段范圍內(nèi)的最大彎矩設(shè)計(jì)值；

W1x—在彎矩作用平面內(nèi)對(duì)模量較大受壓最大纖維的毛截面模量；

βmx—在彎矩作用平面內(nèi)穩(wěn)定時(shí)的等效彎矩系數(shù)；

A—構(gòu)件截面面積；

γx—截面塑性發(fā)展系數(shù)。

(2)彎矩作用平面外構(gòu)件穩(wěn)定性驗(yàn)算

(2)

式中：N—所計(jì)算構(gòu)件范圍內(nèi)軸心壓力設(shè)計(jì)值；

φy—彎矩作用平面外的軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)；

A—構(gòu)件截面面積；

η—截面影響系數(shù)，閉口截面取0.7，其它截面取1.0；

Mx—所計(jì)算構(gòu)件段范圍內(nèi)的最大彎矩設(shè)計(jì)值；

φb—均勻彎曲的受彎構(gòu)件整體穩(wěn)定系數(shù)；

W1x—彎矩作用平面內(nèi)最外受壓纖維的毛截面抵抗矩。

5 重要節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)另一個(gè)重要理念是強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件。節(jié)點(diǎn)失效意味著與之相連的梁與柱都失效。

5.1 預(yù)埋鋼板錨固筋計(jì)算

數(shù)量、規(guī)格、預(yù)埋深度。軟件計(jì)算出預(yù)埋鋼板節(jié)點(diǎn)彎矩、剪力，按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50010-2010進(jìn)行計(jì)算。

預(yù)埋錨固鋼筋應(yīng)滿足構(gòu)造要求：預(yù)埋錨筋至錨板邊緣的距離2d和20mm；預(yù)埋筋的位置應(yīng)使錨筋位于外層主筋內(nèi)側(cè)；錨筋應(yīng)位于構(gòu)件外層主筋內(nèi)側(cè)；預(yù)埋件的受力錨筋直徑不宜小于8mm，且不宜大于20mm；直錨筋數(shù)量不宜小于4根，且不易多于4排；錨筋與錨板采用穿孔塞焊。

錨筋的總截面面積按下列兩個(gè)公式計(jì)算，并取其中的較大值：

(3)

(4)

式中：fy—錨筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

V—剪力設(shè)計(jì)值；

N—法相拉力或法相壓力設(shè)計(jì)值；

M—彎矩設(shè)計(jì)值；

αr—錨筋層數(shù)的影響系數(shù)，當(dāng)錨筋按等間距布置時(shí)，兩層取1.0，三層取0.9，四層取0.85；

αv—錨筋的受剪承載力系數(shù)；

αb—錨板的彎曲變形折減系數(shù)；

z—沿剪力作用方向最外層錨筋中心線之間的距離。

預(yù)埋件計(jì)算借助Excel編輯的小軟件輔助進(jìn)行，效果較好，本次就是利用Excel編輯的小軟件進(jìn)行計(jì)算，具體預(yù)埋件計(jì)算結(jié)果見圖3所示。

圖3 預(yù)埋件計(jì)算結(jié)果

5.2 焊縫計(jì)算

(5)

式中：σf—垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力；

τf—沿焊縫長(zhǎng)度方向的剪應(yīng)力；

βf—正面角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值增大系數(shù)，對(duì)于承受靜力荷載和間接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)，βf=1.22，對(duì)于直接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)，βf=1.0。

6 結(jié)語(yǔ)

復(fù)雜橋梁施工中大型臨時(shí)結(jié)構(gòu)對(duì)工程造價(jià)、安全生產(chǎn)影響深遠(yuǎn)。經(jīng)常發(fā)生的安全事故大多數(shù)與臨時(shí)結(jié)構(gòu)相關(guān)，鋼棧橋垮塌、滿堂支架傾覆事件經(jīng)常發(fā)生。應(yīng)用先進(jìn)的有限元分析軟件，可以大大提高計(jì)算精度，降低工程成本，保障安全。同時(shí)在大型復(fù)雜臨時(shí)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，把握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，分清主次，可以避免重大安全事故。