鋼箱梁臨時支撐結構梁柱剛度比優化

李文綱

摘要：在工程建設中支架法施工應用廣泛，無論是現澆還是拼裝施工，均需要其支撐上部的荷載。本文以寶雞陸港大橋鋼箱梁施工為背景，重點對鋼箱梁原位支架法施工中的支架結構進行力學研究，對鋼箱梁臨時支撐結構剛度進行理論分析，研究橫梁剛度變化對支架整體受力的影響規律，得出了支架結構合理的梁柱剛度比，并成功應用于實際工程項目，為后續支架結構設計提供參考。

關鍵詞：鋼箱梁 鋼管柱 臨時支架 梁柱剛度比

中圖分類號：U44

Abstract： in engineering construction， the support method is widely used. Whether it is cast-in-situ or assembly construction， it needs to support the upper load. Based on the construction of steel box girder of Baoji Lugang bridge， this paper focuses on the mechanical research of the support structure in the construction of steel box girder by in-situ support method. The stiffness of steel box girder temporary support structure is theoretically analyzed， the influence law of beam stiffness change on the overall stress of the support is studied， and the reasonable beam column stiffness ratio of the support structure is obtained， which has been successfully applied to practical engineering projects， so as to provide reference for the subsequent support structure design.

Key Words： Steel box girder; Steel pipe column; Temporary support; Beam column stiffness ratio

1、鋼箱梁架設方法與支架結構形式

陸港渭河大橋主橋雙塔雙索面斜拉橋的鋼箱梁采用支架法大節段吊裝施工，鋼箱梁施工的主要步驟是：首先，鋼箱梁板單元廠內加工后，在施工現場胎架上總拼形成節段梁，之后通過有軌運梁小車將鋼箱梁節段運輸到橋位區域（設計位置的下一梁段處）;其次，利用兩臺履帶吊抬吊的形式將鋼箱梁節段吊裝到支架上;再次，在支架上使用三向千斤頂進行橫移、縱移精調至設計位置;最后，進行拼裝焊接[1]。鋼箱梁標準梁段長度為12.0m，寬度為37m，重量達240t，采用鋼管支架四點支撐，支架平均高度20.0m。原鋼箱梁支架采用φ609×10mm鋼管，縱、橫向間距均為2.0m，鋼管柱之間采用槽鋼連接。支架頂部橫縱梁采用工40b型鋼，長度均為3.0m。鋼管柱頂部預留槽口，橫向雙拼工字鋼放置于預留槽口中，縱向工字鋼垂直放置于橫向工字鋼頂部。

2、鋼箱梁支架優化

2.1優化原理

通過增加支架頂部縱梁的截面高度，提高其抗彎剛度，減小橫力作用下縱梁縱向平面內的彎曲變形，從而減小下部鋼管立柱的偏心距，使下部鋼管盡可能接近軸心受壓，降低下部鋼管在外荷載作用下的最大應力，減小下部立柱的材料使用數量，進而減小臨時設施的投入費用[2]。

2.2支架結構驗算

采用有限元計算軟件MIDAS/Civil，對鋼箱梁支架進行有限元建模分析。優化前后支架結構見表1所示。

2.2.1模型的建立

采用有限元計算軟件MIDAS/Civil，對鋼箱梁支架進行有限元建模分析。支架結構全部采用梁單元，模型292共個節點，341個梁單元。支架模型的邊界條件是立柱底部固結，考慮到支架鋼管柱之間采用節點板和槽鋼連接，故將槽鋼與鋼管柱之間釋放梁端約束，采用鉸接連接。根據支架受力過程中的最不利工況進行驗算，豎向荷載主要為鋼箱梁節段自重，單點荷載600kN;水平荷載主要為梁段水平調整時的推力和風荷載作用，根據現場實際情況，水平荷載為360kN[3]。

2.2.2計算結果

分別計算優化前后支架結構的應力、變形和穩定性情況，優化前支架最不利工況情況下，最大組合應力為157.9MPa，優化后最大組合應力為135.9MPa，減小約14%;最大變形減小約2.0mm。優化前后直接驗算結果均滿足要求。

2.3經濟性對比

全橋鋼箱梁共39個節段，全橋立柱鋼管數量：18×8×37=5328m，優化前后造價對比。

2.3.1 優化后立柱鋼管減少量

609鋼管重量為147.722kg/m;529鋼管重量為127.993kg/m。每延米重量相差19.729kg，全橋累計相差：19.729×5328=105116.112kg=105.116t。

2.3.2 縱向工字鋼增加量

單根長度3.0m，重量73.878kg/m。增加數量：37×2×3=222m。

增加重量為：222×73.878=16400.916kg=16.401t。

2.3.3 總體節省鋼材

105.116-16.401t=88.715t。

按每噸鋼管原材3500元/t，運輸費300元/t，安裝拆除費用500元/t，合計4300元/t。合計節約成本88.715×4300=381474.861元=38.1474萬元。

3、支架合理梁柱剛度比確定

3.1梁柱線剛度比

采用梁、柱彈性線剛度的比值k來反映梁、柱剛度的相對關系[4]，即：

式中：為鋼材的彈性模量;為構件的截面慣性矩;為構件計算長度;稱剛度比。、分別表示梁、柱的彈性線剛度;k為梁、柱線剛度比。

為便于分析，本文僅考慮單側鋼管結構，即由鋼管柱、頂部型鋼橫梁組成的框結構進行研究。因柱的截面尺寸對軸壓比、結構的側向剛度和水平位移等參數的影響較大，所以本文調整剛度比時，在保證柱截面尺寸不變（取為529×10mm）的前提下，對頂部型鋼橫梁的截面尺寸做相應的調整[5]。通過增加梁截面尺寸（選擇不同的型鋼截面）逐級提高梁、柱線剛度比k。本文共分析了六種不同線剛度比。詳細參數見表2。

根據上表中列出的六種不同的梁柱線剛度比，利用結構分析軟件Midas civil對結構的強度、剛度和穩定性進行分析計算。計算模型立柱高度取10m，橫梁長度2.0m，荷載為跨中集中力100kN，柱底固結，橫梁兩端釋放梁段約束50%。

3.2梁、柱線剛度比對立柱結構的影響分析

在保持柱截面不變的情況下，調整柱頂橫梁的截面面積，從結構強度、變形、穩定性等方面研究梁、柱線剛度比k對立柱結構受力情況的影響。

3.2.1 強度分析

根據上述6種不同的梁柱線剛度比，分別計算相同荷載和邊界條件下，立柱組合應力的變化情況，結果見圖1所示。

由圖1可知，隨著梁柱線剛度比的變化，立柱最大組合應力逐漸減小，說明提高線剛度比在一定程度上可以降低立柱的應力水平，提高結構的承載力。值得注意的是，這種強度隨剛度比增長的關系并非呈線性關系。當最初剛度比由0.68提高至1.06時，立柱最大應力降低約9%;最后階段剛度比由3.08提高至4.42時，立柱最大應力降低約11%[6]。

3.2.2 變形分析

根據上述6種不同的梁柱線剛度比，分別計算相同荷載和邊界條件下，立柱最大變形的變化情況，結果見圖2所示。

由圖2可知，隨著梁柱線剛度比的變化，立柱最大變形數值逐漸減小，說明提高線剛度比對結構的變形能力也有一定程度的削弱作用。

4 結語

通過對陸港渭河大橋主橋鋼箱梁支架系統的詳細計算，定量對比分析優化前后支架的結構受力情況和經濟投入大小，表明通過增加支架頂部橫梁的剛度，支架結構安全度和經濟效果顯著。對比不同梁柱線剛度比的情況下，支架體系的受力狀況，表明梁、柱線剛度比的提高對支架立柱結構的承載力具有明顯的增強效應，對結構的變形能力也有一定程度的削弱作用。

參考文獻

[1] 董祥圖，丁春梅.橋梁暨市政工程施工常用計算實例[M].成都：西南交通大學出版社， 2018.

[2] 鋼結構設計標準：GB 50017-2017[S].中國建筑工業出版社，2017-12-12.

[3] Anthony Quansah. 梁柱剛度比對二維框架動力性能的影響[D]. 杭州：浙江科技學院，2019.

[4] 章斌，左翼，王昌喜，等.嘉魚長江公路大橋鋼箱梁施工關鍵技術研究[J].中外公路，2021，41（3）：165-170.

[5] 張敏，雷棟，張金福.舟岱跨海大橋鋼箱梁支架設計與施工[J].施工技術，2020，49（15）：38-40，60.

[6] 楊剛.蕪湖長江公鐵大橋江南接線高架橋鋼箱梁施工若干關鍵技術研究[D]，合肥：合肥工業大學，2021.

3938500338233