鋼箱梁滑移施工期支撐體系受力特性分析

樊曉鋒 冀 誠(chéng) 魏 敏 馬進(jìn)福 屈旭寧

中國(guó)建筑一局（集團(tuán)）有限公司西北分公司 陜西 西安 710075

為避免橋梁事故的發(fā)生，不少學(xué)者對(duì)相關(guān)事故的原因進(jìn)行了分析。劉美銘[1]收集了國(guó)內(nèi)外橋梁事故，從多個(gè)角度分析了橋梁事故，并給出了事故預(yù)防措施。王楓[2]等對(duì)2017—2019年國(guó)內(nèi)外橋梁坍塌事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及原因分析。綜合相關(guān)研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，施工過(guò)程中造成事故的主要原因是支架體系失穩(wěn)、腳手架失穩(wěn)。因此，施工前進(jìn)行力學(xué)分析，保證支架穩(wěn)定是實(shí)現(xiàn)安全施工的重要舉措。

1 工程概況

陜西省西安市北辰大道快速化改造項(xiàng)目南起北二環(huán)，北至秦漢大道，整體地勢(shì)南高北低，地面標(biāo)高在275.87～403.61 m之間，道路全長(zhǎng)約9.64 km，其中主線橋長(zhǎng)約6.44 km。本文主要研究的是BC113—BC118路段，北辰大道主線落地平行匝道橋總長(zhǎng)為175 m，上部結(jié)構(gòu)形式采用鋼箱連續(xù)梁，梁高1.8 m，共計(jì)1聯(lián)鋼箱梁，跨度17.5 m，橋梁西側(cè)有330 V高壓塔。

北辰大道主線落地匝道橋在西側(cè)有高壓電塔，吊裝臂在安全距離之內(nèi)，導(dǎo)致高壓線產(chǎn)生電火花，有安全隱患，西側(cè)不能采用吊裝法施工。滑移施工設(shè)備工藝簡(jiǎn)單，施工速度快，費(fèi)用低，自重輕，承載能力大且占用空間較小，施工時(shí)不影響正常通行。因此選擇滑移法對(duì)西側(cè)箱梁進(jìn)行施工。鋼箱梁采用Q345D材質(zhì)，臨時(shí)支架為Q235鋼材。

2 數(shù)值模擬

一般工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)忽略了施工過(guò)程中多種因素相互影響產(chǎn)生的力學(xué)作用[3]，因此很多事故在施工過(guò)程中發(fā)生。為保證本項(xiàng)目安全完成，掌握滑移過(guò)程中臨時(shí)支架的受力情況，了解施工薄弱環(huán)節(jié)，需要通過(guò)合適的有限元軟件對(duì)箱梁滑移施工過(guò)程進(jìn)行模擬。

2.1 建模過(guò)程

采用Abaqus對(duì)滑移過(guò)程進(jìn)行模擬，首先對(duì)構(gòu)件進(jìn)行建模，箱體采用三維殼單元拉伸，支架采用beam單元建模。

本文滑移過(guò)程模擬分為5個(gè)工況[4]，工況1是箱梁在開始滑移位置處支架的受力分析，工況2是箱梁在支架最大彎矩處支架的受力分析，工況3是箱梁位于開始滑移位置的對(duì)稱位置的支架的受力分析，工況4是箱體位于西側(cè)支架腿上方的支架的受力分析，工況5是箱梁滑移過(guò)程完成的支架的受力分析。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖1為滑移完成時(shí)模擬結(jié)果應(yīng)力云圖。從云圖上看，臨時(shí)支架的應(yīng)力都較小，最大應(yīng)力值為59.24 MPa＜屈服強(qiáng)度235 MPa，支架足夠安全，論證了滑移過(guò)程是安全的。觀察不同工況云圖，滑移軌道跨中位置處應(yīng)力值始終較大。支架的最大應(yīng)力在滑移軌道上，并且出現(xiàn)在箱梁位置附近，因?yàn)樵谙淞焊浇栖壍赖氖芰μ貏e復(fù)雜，不僅承受箱體的重力，還要承受滑移過(guò)程中箱體和軌道的摩擦力，以及水平頂推力的反作用力。因此在設(shè)計(jì)推力時(shí)，既要保證箱體能夠滑動(dòng)，又不能使滑移軌道被破壞。由于滑移軌道的受力比較復(fù)雜，故應(yīng)選擇具有足夠強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的材料作為滑移軌道。

圖1 滑移完成時(shí)模擬結(jié)果應(yīng)力云圖

3 施工監(jiān)測(cè)

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置

監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置方案如圖2、圖3所示。

圖2 臨時(shí)支架測(cè)點(diǎn)位置立面

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.2.1 橫向構(gòu)件應(yīng)力值分析

橫向構(gòu)件的應(yīng)力變化如圖4、圖5所示。在圖4中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓應(yīng)力不斷增大，原因是箱梁逐漸滑移到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置使壓應(yīng)力逐漸增加。從圖5中可以看出它們都產(chǎn)生了拉應(yīng)力，而GB41、GB42產(chǎn)生的是壓應(yīng)力，原因是滑移過(guò)程中臨時(shí)支架不僅承受箱梁的重力，還承受箱梁和滑移軌道之間的摩擦力和水平推力的反作用力。滑移軌道直接承受水平推力，并將部分水平力傳遞給方管，導(dǎo)致方管產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。方管將水平力消耗完畢幾乎不再向下傳遞，滑移梁主要承擔(dān)箱梁的重力，所以產(chǎn)生了壓應(yīng)力。因?yàn)榛栖壍朗侵苯拥氖芰?gòu)件，所以滑移軌道會(huì)分擔(dān)較多的力，在數(shù)值模擬的云圖中也能夠看出滑移軌道的應(yīng)力值最大，因此滑移軌道選擇材料時(shí)需要強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性比較好的材料。從圖5中可以看出方管穩(wěn)定性相對(duì)差一些，在65 min附近處方管的應(yīng)力突增，原因是滑移當(dāng)時(shí)出現(xiàn)一些啃軌現(xiàn)象，使得方管應(yīng)力值發(fā)生較大的波動(dòng)。

圖4 滑移軌道、滑移梁、方管測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化1

圖5 滑移軌道、滑移梁、方管測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化2

3.2.2 豎向構(gòu)件應(yīng)力值分析

豎向構(gòu)件的應(yīng)力變化如圖6、圖7所示。圖中H1、H2拉應(yīng)力逐漸增加，原因是箱梁從偏西側(cè)位置繼續(xù)向西側(cè)滑移，箱梁自重較大，在向西側(cè)滑移時(shí)，導(dǎo)致臨時(shí)支架重心偏移，由于有重心偏移現(xiàn)象的產(chǎn)生，東側(cè)立桿產(chǎn)生拉應(yīng)力。H3、H4測(cè)試區(qū)域的立桿在箱梁逐漸靠近過(guò)程中，由原本所受的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變成壓應(yīng)力。立桿的高度只有5 450 mm，加上中間有橫撐和斜綴條對(duì)立桿進(jìn)行加固，相對(duì)安全，立桿的轉(zhuǎn)化率較低可適當(dāng)減少立桿的厚度。注意滑移到位時(shí)立桿下測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值的變化，判斷臨時(shí)支架是否會(huì)因?yàn)槠亩鴮?dǎo)致應(yīng)力值過(guò)大，造成安全事故。

圖6 立桿H1、H4測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化

圖7 立桿H2、H3測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化

3.2.3 斜向構(gòu)件應(yīng)力值分析

斜向構(gòu)件的應(yīng)力變化如圖8所示，在滑移監(jiān)測(cè)的整個(gè)階段，斜撐的受力趨勢(shì)不同，有拉應(yīng)力增加的趨勢(shì)，也有壓應(yīng)力增加的趨勢(shì)，YXB1是箱梁在初始位置開始滑移時(shí)應(yīng)力的變化，應(yīng)力曲線振動(dòng)，原因是斜撐接地，監(jiān)測(cè)時(shí)有車流經(jīng)過(guò)。B1BB、B2BB的壓應(yīng)力不斷增加，原因是箱梁逐漸滑移到斜撐上部端點(diǎn)位置。

圖8 斜撐L3、L4，斜綴條L5、L6測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化

從圖8中看，斜綴條上的應(yīng)力比較小，斜綴條和橫撐的主要作用是加固立桿的穩(wěn)定性，斜綴條、橫撐和立桿可以組合構(gòu)成穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)。斜綴條的力主要是立桿傳遞下來(lái)的，斜綴條應(yīng)力小，說(shuō)明立桿的穩(wěn)定性較好。

3.2.4 監(jiān)測(cè)結(jié)論

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在處理過(guò)程中的基本假定：強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215 MPa，假設(shè)鋼管為彈塑性材料，鋼管在滑移過(guò)程中始終沒有進(jìn)入塑性階段，鋼管的彈性模量為2.1×105MPa。

上述各圖中列出了各施工階段結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化，應(yīng)力值沒有超出屈服強(qiáng)度值，從結(jié)構(gòu)滑移施工階段應(yīng)力變化情況可看出：結(jié)構(gòu)施工階段應(yīng)力變化也是隨著滑移過(guò)程的進(jìn)行而不斷發(fā)展的，隨著滑移的進(jìn)行，支架不同部位產(chǎn)生不同的應(yīng)力變化，但從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出滑移過(guò)程是安全的，應(yīng)力基本維持在一個(gè)比較穩(wěn)定的安全范圍，在數(shù)值分析中也得到了這樣的結(jié)果。從Q235B鋼材來(lái)說(shuō)，可以判定結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度儲(chǔ)備較大，從施工安全控制方面來(lái)說(shuō)，強(qiáng)度控制難度較低，滑移過(guò)程中結(jié)構(gòu)受力情況較好。滑移軌道和滑移梁的兩端雖然受滑移過(guò)程的振動(dòng)影響，但影響較小，不必過(guò)分加固。

斜綴條對(duì)立桿的穩(wěn)定性起著一定的作用，在后期立桿H1、H2出現(xiàn)拉應(yīng)力的情況時(shí)，應(yīng)注意滑移過(guò)程后期是否出現(xiàn)傾覆的現(xiàn)象。斜撐的受力是不穩(wěn)定的，有協(xié)調(diào)臨時(shí)支架受力的作用，所以結(jié)構(gòu)中斜撐的設(shè)置是必要的。多注意滑移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)最大應(yīng)力值出現(xiàn)的部位，可為以后的滑移過(guò)程提供幫助。

4 數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

將Abaqus模型中箱梁滑移到圖9各點(diǎn)位置處得到的應(yīng)力數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)滑移過(guò)程相同位置處實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，數(shù)據(jù)變化如圖10所示。

圖9 模擬測(cè)點(diǎn)

圖10 數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力對(duì)比曲線

從圖10可以看出，滑移到某位置時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)值和有限元數(shù)值分析的結(jié)果大致相同，數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果的應(yīng)力變化趨勢(shì)是相同的，圖10模擬值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有一些差異，但差值很小，主要原因是監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于軌道的端點(diǎn)處，約束較小，容易受滑移過(guò)程的影響，比如滑移產(chǎn)生的振動(dòng)，模擬是比較理想的情形，沒有考慮滑移產(chǎn)生振動(dòng)的影響，但總體是和實(shí)測(cè)結(jié)果相似的，模擬數(shù)值和監(jiān)測(cè)數(shù)值的應(yīng)力都較小，完全能夠滿足安全要求。通過(guò)以上圖形可以看出，數(shù)值模擬分析得到的應(yīng)力值比實(shí)測(cè)應(yīng)力值偏大，說(shuō)明Abaqus模型有較好的預(yù)測(cè)性，可以準(zhǔn)確地模擬實(shí)際工程。

5 結(jié)語(yǔ)

1）臨時(shí)支架的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，決定了整個(gè)滑移過(guò)程的安全性和可行性。臨時(shí)支架的設(shè)計(jì)關(guān)乎整個(gè)工程能否安全順利地完成。

2）數(shù)值模擬結(jié)果說(shuō)明臨時(shí)支架是安全的，應(yīng)力值總體較小，滑移軌道上的應(yīng)力值較大，在滑移過(guò)程中需要多注意滑移軌道的情況。

3）通過(guò)數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比，兩者應(yīng)力變化趨勢(shì)相同，數(shù)據(jù)能夠較好地吻合，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的合理性和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。

[1] 劉美銘.橋梁事故分析[D].成都:西南交通大學(xué),2013.

[2] 王楓,吳華勇,趙榮欣.國(guó)內(nèi)外近三年橋梁坍塌事故原因與經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)[J].城市道橋與防洪,2020(7):73-76;13.

[3] 鄒宇,魏華,王海軍.鋼箱梁頂推施工過(guò)程數(shù)值模擬[J].低溫建筑技術(shù),2015,37(1):78-81.

[4] 魏華,劉紅釗,李煒東,等.跨線鋼箱梁橋頂推落梁過(guò)程的數(shù)值模擬[J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2017,39(4):475-480.