現澆箱梁支架設計及Midas Civil 建模驗算

朱洪明

(福建第一公路工程集團有限公司，泉州 362000)

1 引言

現澆箱梁是常用的橋梁上部構造結構形式[1]，需搭設支架進行施工； 工程中出現支架垮塌的事故屢見不鮮[2]，除搭設操作、外界客觀原因外，也有支架設計不合理的原因。隨著科研工作者對有限元的不斷研究，已將其廣泛應用于多個工程領域[3-6]；在工程建設領域，Midas Civil 有限元分析軟件也常被應用于橋梁結構驗算和臨時支架驗算[7-10]；利用有限元分析軟件可以快速計算支架系統各桿件的受力狀態， 但如果在布置荷載時與實際受力存在較大偏差， 就將導致分析結果與支架的實際受力情況存在差異；軟件中布置的荷載越接近實際情況，分析計算的結果就越能作為施工的指導依據。

2 工程概況

某高速公路項目標段內設計有兩個落地互通， 互通匝道橋現澆箱梁共計19 聯，箱梁型式為普通鋼筋混凝土現澆箱梁。 跨徑16～16.5m，橋面寬度8.5～38.7m，箱梁高度1.4m， 翼板寬度1.6～1.75m， 箱梁腹板標準寬度為50cm，在跨中處設計有一道50cm 寬的橫隔板，橋位處墩高3.3～18m，大部分現澆橋位地質均有厚淤泥層，淤泥層厚10～20m。

3 支架設計比選方案

底模、內模均采用1.5cm 厚的竹膠板；底模下設置9cm×9cm 的橫向枕木，枕木間距為20cm；枕木放置在縱向的I10 工字鋼上。 支架斷面下方的設計比選方案如下：

方案一 鋼管樁貝雷支架

采用鋼管樁(P 529×8) 通過法蘭連接鋼管立柱(P 529×8)，鋼管立柱間距為2～4.6m，柱頂工字鋼(I50b)橫梁上搭設“321”型貝雷片主縱梁，腹板下的貝雷片采用2×45cm 貝雷組，箱室中心采用2×90cm 貝雷片組，翼板下采用1×150cm 貝雷片組；貝雷片上設置工字鋼(I 16)橫向分配梁(縱向間距1.2m)， 盤扣式鋼管(標準步距1m，橫隔板下的縱向間距為60cm，其余標準縱向間距為1.2cm，箱室底橫向間距為0.6、0.9m，翼板橫向間距0.9m)，底托支撐在I 16 橫向分配梁上。 貝雷梁不設坡度，箱梁的橫坡與縱坡均通過支架鋼管、方木、頂托等調整。

方案二 松木樁處理基礎配鋼管貝雷支架

設計為設置中支墩的兩小跨支架， 先采用松木樁對地基進行局部處理，梅花型布置間距50cm，在處理地基上鋪設20cm 調平墊層后設置混凝土預制塊條形基礎(中支墩處寬度256cm，兩端處寬度為170cm，高度60cm)，鋼管立柱(P 529×8)立于條形基礎上，而后設置柱頂橫梁及貝雷支架(布置形式方案一)。

方案三 承插型盤扣式滿堂支架

鋼管(φ60×3.2)在橫隔板下的縱向間距為60cm，其余標準縱向間距為120cm； 箱室底的橫向間距為0.6、0.9m， 其 余 橫 向 間 距0.9m； 鋼 管 標 準 步 距 為1.5cm，每4～6 層設置一層水平斜桿；縱向斜桿滿布；硬化層基礎采用15cm 厚的C15 砼， 硬化層底回填60cm 以上的宕渣。

4 方案比選

基于施工工期、施工成本、施工難易程度等對支架方案進行比選。 比選結果如表1 所示。

表1 支架方案比選表

項目部最終決定采用盤扣式滿堂支架法施工現澆箱梁。

5 支架建模驗算

5.1 荷載分析

驗算荷載一般有：上部結構自重、模板重量、施工荷載、振搗混凝土產生的荷載、支架系統自重、風荷載等。支架驗算時，常將上部結構自重簡化為均布荷載進行驗算[11]；因箱室腹板與箱室空心段重量不同，箱室截面也存在漸變段，可知實際的上部結構自重并非均布荷載，所以簡化的均布荷載與實際受力存在一定偏差。 以橋寬8.5m、跨徑16m、墩高15m 為例；單跨混凝土方量85m3；硬化層基礎寬度11m，硬化厚度15cm；宕渣總厚度按不小于60cm 控制并整平壓實，填筑時分層填筑，每層厚度按不大于40cm 控制； 采用Midas Civil 有限元分析軟件建模驗算，將箱梁平面圖導入到Midas Civil 中，根據不同的截面位置， 布置不同大小的荷載， 以力求接近實際受力。

表2 荷載取值表

分析支架強度時， 荷載組合按1.2×((1)+(2)+(3))+1.4×((4)+(5))。

5.2 建模驗算及分析

5.2.1 建模方法

(1)建立整個支架的虛擬標高系統，例如將梁底標高假定為0.000m，再根據支架系統計算各層構件的標高；

(2)在CAD 平面圖中畫出所涉及的現澆箱梁邊界、墩柱、承臺、系梁、箱室腹板線、方木、型鋼、水平桿等線條，分圖層，在圖層前加上虛擬標高，以便導入時輸入Z 坐標參數；

(3)將CAD 另存為DXF 文件，導入Midas Civil 中，選擇材料、截面，輸入Z 坐標參數，生成各層單元；

(4)補充建立豎向單元、斜向單元及軟件未能自動識別的單元，定義節點連接形式，定義支承；

(5)布置荷載，分割板單元，設定荷載組合，運行分析。

5.2.2 建模過程要點

(1) 將CAD 導入Midas Civil 中時， 注意明確腹板位置、截面變化位置，并畫出方木的布置線；

(2)已畫出的方木布置線將平面圖劃分成若干個區域，用多段線將CAD 中各區域連成閉合的區域線，將腹板、翼板、箱室、變化段區域歸集在各自專用的圖層，在Midas Civil 中定義竹膠板厚度的若干個虛擬板單元與圖層一一對應，材料參數按照竹膠板力學參數[12]輸入；

(3)根據箱室截面位置選用均布壓力荷載、梯形壓力荷載的形式，根據截面混凝土高度計算荷載后，以相應的形式布置荷載；

(4)將虛擬板單元進一步分割成若干個小單元，沿著方木布置方向的分割間距一般可以按10cm 控制， 垂直于方木的方向可按照4 等分控制；

圖1 翼緣板砼荷載示意圖

圖2 箱室空心部分砼荷載示意圖

圖3 腹板、橫隔板、梁端砼荷載示意圖

圖4 變截面段砼荷載示意圖

(5)將水平荷載換算成線荷載，作用于側面立桿上，q=0.3×1.2=0.36kN/m。

5.2.3 支架建模驗算結果

軟件計算方木應力σ壓max=4.6MPa，σ拉max=5.2MPa；I10 工字鋼應力σ壓max=61.4MPa，σ拉max=60MPa。

圖5 方木彎曲應力示意圖(單位：kPa)

圖6 I10 彎曲應力示意圖(單位：kPa)

圖7 立桿應力示意圖(單位：kPa)

圖8 水平桿應力示意圖(單位：kPa)

軟件計算立桿應力σ壓max=100.5MPa，σ拉max=14.9MPa；水平桿應力σ壓max=21.1MPa，σ拉max=19.8MPa。

軟 件 計 算 豎 向 斜 桿 應 力σ壓max=35.7MPa，σ拉max=10.8MPa；水平斜桿應力σ壓max=6.5MPa，σ拉max=9.4MPa。

圖9 豎向斜桿應力示意圖(單位：kPa)

圖10 水平斜桿應力示意圖(單位：kPa)

5.2.4 軟件計算結果分析

(1)軟件計算的鋼管壓應力值σ 分析

軟件自動計算的以上鋼管的壓應力值σ， 計算公式應為σ=N/A，驗證如下：

力學模型見圖11。

圖11 力學模型

建立模型分析應力結果見圖12。

圖12 力學模型計算應力圖(單位：kPa)

模型中的鋼管φ60mm×3.2mm 的截面積A=0.000571m2，N=30kN，N/A=52.54MPa， 與軟件自動計算的應力數值相同； 由此可以判斷， 該模型軟件自動計算的鋼管壓應力σ=N/A。

(2)依據軟件計算結果進一步分析

依據標準[13]的表4.3.9-1 和表4.3.9-2 對方木(南方松TC15A) 的設計強度值進行調整， 抗彎強度fm=15×0.9×1.1=14.85MPa，順紋抗壓強度fc=13×0.9×1.1=12.87MPa。

規程[14]要求桿件穩定性需滿足N/(ψA)≤f ，依據公式5.3.2-1 和5.3.2-2 計算立桿長細比如下：

取k=0.7，a=0.65m，η=1.2，h=1.5m，h′=1m。 計 算 得ι01=1.8m，ι02=1.91m，

ι0=Max(ι01，ι02)=1.91m

最小回轉半徑i=0.0201m

立桿長細比λ=ι0 / i=95， 查附錄D-2， 得穩定系數ψ=0.512

水平桿ι0=1.2m，i=0.0109m，λ=110， 套查附錄D-1，得穩定系數ψ=0.516

豎向斜桿ι0=1.92m，i=0.0109m，λ=176，套查附錄D-1，得穩定系數ψ=0.23

水平斜桿ι0=1.7m，i=0.0109m，λ=156， 套查附錄D-1，得穩定系數ψ=0.287

進一步分析匯總如表3：

另經計算分析，支架構件強度、剛度、穩定性、硬化層強度、厚度、宕渣層和基底承載力均滿足要求，因篇幅限制，此處不詳述。

6 結語

表3 滿堂支架部分構件拉、壓應力分析表

筆者結合某項目現澆箱梁支架方案設計， 進行方案比選，并利用Midas Civil 建立支架模型，闡述了一種較為實用的建模方法，相比傳統的簡化荷載，此法更加接近實際受力；但需注意，不能簡單的將軟件計算的鋼管應力數值直接與設計強度進行比較， 而是需要進一步結合桿件的長細比、穩定系數判斷桿件穩定性是否符合要求。該盤扣式滿堂支架在軟件中建模計算的結果， 成功地為現場施工提供了指導；并通過現場的施工驗證，支架架體保持完好，地基沉降也達到要求范圍內。現澆箱梁在設計中較為常用，支架方案選用時，往往需要結合項目工期、施工成本等因素進行分析；在支架驗算時，可采用手工計算、有限元分析軟件計算；隨著科技的飛速發展，有限元分析軟件在工程建設領域必將得到更廣泛的應用。