基于Midas civil的箱梁現(xiàn)澆支架安全評估

摘要：以白泥溝特大橋箱梁現(xiàn)澆支架為例，基于Midas civil軟件中屈曲分析方法，建立了整體支架的三維有限元模型。通過結(jié)構(gòu)荷載計(jì)算、邊界條件處理、組合荷載的施加方法，從強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性三個方面對整體橋梁支架的安全評估問題進(jìn)行了全面評價。研究表明，鋼管立柱支架各桿件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定均滿足受力要求，初步評價結(jié)構(gòu)是安全的，可為類似工程的穩(wěn)定性計(jì)算提供參考。

關(guān)鍵詞：箱梁支架;屈曲分析;安全評估;有限元分析

0" "引言

貝雷梁+鋼管柱支架體系[1]是我國橋梁現(xiàn)澆施工常用的支架形式，具有施工方便、成本低的優(yōu)點(diǎn)。貝雷梁支架[2]作為橋梁施工臨時結(jié)構(gòu)，目前的設(shè)計(jì)主要參考相關(guān)行業(yè)規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)算，并普遍借助有限元軟件進(jìn)行三維建模計(jì)算，為此如何進(jìn)行該型結(jié)構(gòu)的建模計(jì)算并評價結(jié)構(gòu)的安全，則是一個值得研究課題。

劉學(xué)明等[3]提出了進(jìn)行初步設(shè)計(jì)時擬定貝雷梁排數(shù)的簡易算法;李鋼[4]采用簡化為平面桿件手算的方法，來評價貝雷梁支架的力學(xué)性能;杜瑞[5]利用ANSYS建立了鋼管貝雷梁支架的三維有限元分析模型?，F(xiàn)有學(xué)者均采用化整為零的辦法，對貝雷梁支架各桿件進(jìn)行受力驗(yàn)算剖析，但未建立支架整體三維模型，普遍存在建模細(xì)節(jié)不清晰、荷載計(jì)算雜亂、結(jié)果評價方式混亂的問題。

本文以昭通市格巧高速公路白泥溝特大橋箱梁現(xiàn)澆支架為例，利用midas軟件建立了支架有限元計(jì)算模型，并給出了結(jié)果評價方法，可為類似工程結(jié)構(gòu)安全評估提供參考。

1" "工程概況

白泥溝特大橋橫跨清河溝，橋梁全長189m，橋面寬8.5m，上部結(jié)構(gòu)為3×20m現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁+4×30m預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁。樁基12根，新增抗滑樁13根，樁徑為1.8m、2.2m。墩柱12根，最大墩高39m。橋臺為重力式U型橋臺加擴(kuò)大基礎(chǔ)型式，橋墩為雙柱式鋼筋混凝土橋墩。

2" "支架設(shè)計(jì)方案

由于第一聯(lián)三跨跨徑相等，故以第2跨為例說明支架設(shè)計(jì)方案。支架立面布置如圖1所示，支架典型橫斷面如圖2所示。支架主要構(gòu)件材料和截面選用和容許應(yīng)力如表1所示。

3" "結(jié)構(gòu)受力分析及荷載計(jì)算

本支架所受荷載可分為永久荷載和可變荷載。永久荷載主要為支架結(jié)構(gòu)自重、新澆筑鋼筋混凝土自重、上部模板及其支撐體系自重，可變荷載主要有施工人員機(jī)具荷載、混凝土振搗荷載以及傾倒混凝土沖擊荷載等。

3.1" "永久荷載計(jì)算

支架結(jié)構(gòu)自重Midas軟件可自動計(jì)算。澆筑箱梁混凝土?xí)r，新澆筑混凝土的自重荷載將作用在支架上面，混凝土容重γ取26.5kN/m3。箱梁有實(shí)心段、空心段以及過渡段，每一段的荷載都不一樣，故應(yīng)分段計(jì)算。

典型斷面如圖3所示，對截面分為A、B、C、D 4個區(qū)，每個區(qū)的混凝土厚度和寬度如表2所示。對翼緣板即A區(qū)荷載按線荷載加載在橫梁上，其他區(qū)荷載按面荷載加載在竹膠板上。A區(qū)下橫梁間距0.8m一道，線荷載為7.424kN/m。

3.2" " 可變荷載計(jì)算

施工人員，材料和小型機(jī)具荷載按2.0kN/m2考慮，振搗混凝土產(chǎn)生的荷載取2.0kN/m2。

3.3" " 荷載組合

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB50068-2018）的要求，永久荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.3，可變荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.5，荷載組合值系數(shù)取0.6。

4" "midas三維有限元模型建立

4.1" "相關(guān)材料截面

本支架材料用到竹膠板、方木和鋼材，鋼材在midas中可以方便的選擇設(shè)置，竹膠板和方木可采用自定義材料的方法得到。

4.2" "邊界條件的處理

除去竹膠板采用板單元模擬外，其他桿件均采用梁單元模擬，縱梁與橫梁、橫梁與貝雷梁之間、貝雷梁與橫向分配梁之間，均采用彈性連接模擬。貝雷梁節(jié)與節(jié)之間鉸接位置在midas中，采用釋放梁端約束的辦法模擬，鋼管立柱底部按固定端支座模擬。

4.3" "荷載的施加

根據(jù)箱梁分區(qū)對應(yīng)在支架頂部的位置進(jìn)行加載，對于B、C、D區(qū)荷載傳遞到竹膠板上，采用壓力荷載的形式進(jìn)行加載，對于A區(qū)荷載傳遞到橫梁工字鋼上，換算為線荷載加載。

4.4" "有限元計(jì)算模型

有限元計(jì)算模型共建立了5176個節(jié)點(diǎn)，7058個梁單元，1215個板單元。

5" "計(jì)算結(jié)果及安全評價

通過有限元計(jì)算得到，支架各桿件的組合應(yīng)力和剪切應(yīng)力如表3所示。由表3可知，各桿件的應(yīng)力計(jì)算值均小于容許值，故支架滿足強(qiáng)度要求。

標(biāo)準(zhǔn)組合下，整個支架的變形如圖4所示。由圖4可知，支架最大豎向變形為7.1mmlt;[L/400]=22.5mm（支架最大跨徑L為9m），故支架滿足剛度要求。

為了評價支架的穩(wěn)定性，在midas中采用屈曲分析的方法進(jìn)行模擬，得到前5階段屈曲臨界荷載系數(shù)如表4所示。

由表4可知，1階屈曲模態(tài)特征值為25.29，遠(yuǎn)大于4，故整個支架穩(wěn)定性也滿足要求。綜上可知，整個支架各桿件強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性均滿足要求，評價支架結(jié)構(gòu)是安全的。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉朝.鋼管和貝雷片組合式支架在現(xiàn)澆箱梁施工中的應(yīng)用[J].交通世界，2021（Z1）：168-169.

[2] 周偉明.大跨度貝雷梁支架頂升浮運(yùn)拆除施工技術(shù)研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2019（10）：77-81.

[3] 劉學(xué)明，劉世忠.鋼管柱-貝雷梁支架體系施工工藝及設(shè)計(jì)檢算[J].鐵道建筑，2016（9）：43-46.

[4] 李鋼.鋼管柱貝雷梁支架力學(xué)性能探析[J].山西建筑，2018，44（8）：170-171.

[5] 杜瑞.鋼管貝雷梁支架施工檢算及三維有限元分析[J].山西建筑，2014，40（16）：189-191.