市政橋梁鋼箱梁臨時支架的設計與驗算

楊 慧

(江西中煤建設集團有限公司,南昌 330038)

鋼箱梁結構被廣泛應用于大跨度、高性能的市政橋梁建設中,其結構簡單,承載能力強。臨時支架是橋梁施工中的關鍵部分,主要用于支撐鋼箱梁及相關構件[1]。臨時支架的合理設計可確保橋梁施工的穩定性及安全性,優化臨時支架設計能夠提高施工效率,降低施工成本,減少對交通的影響,為城市交通的順利發展提供有力保障[2]。

某市政高架橋鋼箱梁分為左右兩幅(LZ19聯、LY19聯),為雙層鋼箱梁上跨市政主干道,單箱兩室截面,梁高1.72 m,LZ19聯長135.29 m,橋面寬度14.75 m,縱坡0.5%。LY19聯長104.342 m,橋面寬度13 m,縱坡0.3%,上層鋼箱梁橫梁伸出箱體之外,支承于橋墩頂上,下層鋼箱梁橫梁伸出箱體之外,支承于橋墩牛腿上。LZ19聯鋼箱梁標準斷面為單箱兩室箱梁,頂板寬14.75 m,箱底寬8.748 m,兩側懸臂長度為3.5 m。LY19聯鋼箱梁標準斷面,頂板與箱底寬度分別為13.0 m、7.0 m,懸臂長度為2.35 m,梁高均為1.72 m。

鋼箱梁頂面設單向橫坡,面、底板橫橋向為平行。鋼箱梁臨時支架材質采用Q235,彈性模量E=2.0×105MPa,容重r=78.5 kN/m3,容許應力[σ0]=200 MPa。圖1為吊裝支架立面布置。

1 計有限元驗算分析

在進行臨時支架驗算前,需對支架所受的各種荷載進行特性分析。主要荷載包括自重、橋梁施工荷載、臨時支架自身的荷載等[3]。自重是臨時支架最常見的荷載,需要準確估算支架各構件的自重,以確定其對支架整體穩定性的影響。橋梁施工荷載是支架設計的主要荷載,需要根據鋼箱梁的施工過程及具體工況計算各種施工荷載的作用情況。在荷載特性分析的基礎上進行支架構件的受力分析,這是支架驗算的核心。支架各構件受力情況的合理分析是確保支架穩定的關鍵,通過應力、變形、位移等方面的分析可判斷支架構是否存在過載或失穩等問題。

根據吊裝支架技術要求確定其最不利受力狀況為1～6支架,進行建模計算,如圖2所示。

圖2 最不利受力支撐Fig.2 Most unfavorable bracing

1.1 模型的構建

受力計算分兩步進行,吊裝LZ19聯時,LY19梁段已經有力作用在支架上,重力轉化為節點荷載作用在立柱上,各立柱分布承受27 t,LZ19梁段的重力轉化為節點荷載作用在立柱上,考慮沖擊力的影響,重量乘以1.4的沖擊系數,各立柱分布承受21 t。計算梁段吊裝在臨時支架上時立柱的強度及剛度,采用MidasCivil有限元軟件對臨時支架結構進行模擬。采用空間梁結構單元模擬各個桿件,材料選用Q235,假定立柱柱腳不發生沉降及轉動,對約束節點進行6個自由度的約束,即不允許節點在X、Y、Z方向上發生位移變形及繞X、Y、Z軸旋轉。將適當的節點荷載施加在支架的吊裝位置,模擬吊裝過程中的實際受力情況。采用梁單元均布荷載,將荷載均勻地施加在鋼箱梁的橫梁上,得到鋼箱梁臨時支架在實際工況下的受力及變形情況,為支架的設計和驗算提供重要依據。吊裝支架加載如圖3所示。

圖3 吊裝支架加載Fig.3 Loading of lifting support

1.2 支架強度驗算

考慮吊裝的沖擊系數與施工荷載的不均衡系數,箱梁自重分項系數取1.4,支架自重分項系數取1.1。支架結構總體應力模擬情況如圖4所示。由圖4計算可得,立柱最大應力為84.9 MPa(壓應力),聯接系最大應力為78.6 MPa(壓應力)。

圖4 結構總體應力(1.1恒+1.4吊裝荷載,單位:MPa)Fig.4 Overall structural stress (1.1 constant +1.4 lifting load, unit: MPa)

1.3 剛度驗算

支架立柱橫向撓度模擬情況如圖5所示。考慮吊裝過程中的豎向荷載組合,得到的立柱橫向撓度最大值為2.9 mm,故支架剛度滿足要求。

圖5 立柱橫向撓度(1.1恒+1.4吊裝荷載,單位:mm)Fig.5 Lateral deflection of the column (1.1 constant +1.4 lifting load, unit: mm)

1.4 穩定性驗算

考慮最不利狀況,結構同時受到恒載與活載的作用,采用倍增方式求解結構的穩定系數。計算結果表明,結構穩定系數δ>33.2,即結構的臨界荷載遠遠大于實際作用荷載,結構在最不利情況下具有較高的穩定性,不會發生穩定性失穩現象。一階失穩模態為立柱的失穩,說明在該情況下支架中的立柱是整個結構的穩定性薄弱環節,如圖6所示。

圖6 結構一階失穩模態局部屈曲Fig.6 Local buckling of the first-order instability mode of the structure

1.5 支座反力

在荷載組合作用下,結構的支座反力與彎矩對結構的穩定性及地基的承載能力有重要影響。通過數值模擬與仿真得到各個支座的反力大小、方向及彎矩的分布情況,評估結構不同位置的受力情況、抗彎能力及變形控制性能。為配合基礎驗算,提取荷載組合作用下的結構支座反力τ、彎矩M,見表1。

表1 支座節點反力及彎矩表Tab.1 Reaction force and bending moment of support joints

2 結論

根據MidasCivil有限元計算可知,在1.1結構自重+1.4吊裝荷載作用下,該鋼箱梁臨時支架結構最大應力為84.9 MPa,強度滿足要求。豎向荷載作用下支架豎向撓度2.9,剛度滿足施工荷載的需求。恒載與施工荷載一起倍增的情況下,結構安全系數大于33.2,滿足施工要求。

在臨時支架設計過程中需充分考慮材料性能、結構形式、荷載特性等多方面因素,以確保臨時支架的安全穩定。結合具體工程實例,采用MidasCivil有限元對該高架橋鋼箱梁臨時支架進行模擬計算。結果表明,在1.1結構自重+1.4吊裝荷載作用下,臨時支架的強度、剛度及安全性能均滿足施工要求,為類似橋梁工程實踐提供了參考及借鑒。