1～50 m單箱雙室鋼箱梁橋支架搭設與受力驗算

申鐵軍,陳 瀟,李建軍,王明潔,胡 楊

(1.山西路橋建設集團有限公司, 山西 太原 030006;2.武漢理工大學材料科學與工程學院,湖北 武漢 430070;3.山西路橋第三工程有限公司, 山西 太原 030006;4.大連交通大學土木工程學院,遼寧 大連 116092)

0 引 言

以山西省長治市沁源大橋為背景,采用有限元軟件midas建立支架模型并進行整體分析。山西省長治市沁源大橋上部鋼箱梁孔跨布置為1～50 m,采用全焊接單箱雙室鋼箱梁橋;主梁頂寬12.5 m,底寬8.55 m,箱梁底板為平坡,頂板坡度為橋梁橫坡。考慮到為消除鋼箱梁自重作用和部分活載作用引起的梁體下撓,各跨鋼梁加工制造時設置預拱度,主梁立面線形包括設計曲線和預拱度曲線兩部分,因此鋼箱梁應按兩部分的疊加曲線進行加工制作,鋼梁在成橋狀態下各跨鋼箱梁呈現向上微拱,鋼梁平面線形按設計道路中心線擬定[1]。開始加工前需要首先對施工圖進行詳圖轉化。詳圖轉化中針對鋼箱梁結構復雜、焊縫交錯和焊接收縮量大的特點,再結合鋼橋預起拱值和焊接收縮余量,利用CAD采用計算機實體放樣,確定各零部件尺寸,確 保生產制作精確和現場順利安裝。李寧[2]利用有限元通用軟件midas進行支架受力分析,旨在分析鋼箱梁橋在施工過程中整體受力狀態、局部區域詳細受力狀態是否為安全穩定狀態。胡侃[3]分多種工況對支架進行了受力分析,總結各類荷載對結構的影響,確保了臨時支架在施工過程中的安全。楊剛[4]認為在對鋼箱梁橋支架的強度、穩定性進行驗算的同時,要對支架的地基承載力進行驗算。

1 支架搭設

(1)支架。

本工程中搭設的臨時承重支架為7 500 mm×2 000 mm的鋼支架,材料為現有周轉材料。其中主管規格為Φ470 mm×10 mm,平撐規格為[10,斜拉桿規格為[8,頂部為雙拼40型工字鋼,工字鋼之間雙面采用250 mm×200 mm×12 mm加勁板焊接連接,間距2.5 m,雙拼40型工字鋼,寬度284 mm,長度11.5 m,工字鋼上方設置高度調整管,規格為Φ270 mm×10 mm。支架搭設高度根據現場勘測確定,搭設時使用雙排鋼支架進行安裝。支架沿高度方向上每3 m設置一根斜撐,支架頂部探出工字鋼上立Φ270 mm×10 mm鋼管,支撐懸挑,起保護作用。鋼梁分段位置在距橫隔板2 mm范圍內,保證臨時支架支撐梁體過程中不產生較大彎矩變形。

(2)基礎。

支架底部設置混凝土基礎,混凝土等級C30,尺寸為3 500 mm×2 000 mm×500 mm。

2 支架受力計算

2.1 計算說明

(1)材料。

該支架中立柱采用Φ470 mm×10 mm鋼管,平撐規格為[10,斜拉桿規格為[8,支架頂端采用40雙拼工字鋼,工字鋼上部設有調整鋼管,規格為Φ170 mm×16 mm。材料均為Q235,抗彎強度設計值為215 MPa,抗剪強度設計值為125 MPa。

(2)荷載。

①恒載:支架自重。

②活載:選擇最不利工況進行分析。鋼箱梁節段重量,最大節段長度19.2 m,重量120 t,吊裝高度19 m。六點受力,單點受力大小為120/6=20 t,荷載組合:1.2×恒載+1.4×活載。

③計算模型使用midas 2019建立支架有限元分析模型,支架底部與基礎用膨脹螺栓連接,建立模型時支架底部固結(邊界條件設置為限制全部自由度)。模型如圖1所示。

圖1 支架模型圖

(3)支架受力分析。

支架作為鋼箱梁吊裝臨時支撐,受力特點為隨著鋼箱梁安裝受力逐漸增大直至該支架上全部鋼箱梁吊裝完成后支架受力達到峰值。因此對支架進行有限元模擬分析,以求得支架在荷載作用下的受力狀況。

支架各結構剪應力與彎曲應力如下。

①立柱剪應力最大值為0.34<125 MPa;

②平拉剪應力最大值0.41<125 MPa;

③斜拉剪應力最大值0.45<125 MPa;

④立柱彎曲應力最大值為2.4<215 MPa;

⑤雙拼工字鋼彎曲應力1.6<215 MPa;

⑥平拉彎曲應力3.06<215 MPa;

⑦斜拉彎曲應力5.14<215 MPa。

通過以上分析,計算得剪應力最大值為0.48<125 MPa,彎曲應力最大值為5.14<215 MPa,位移1.43 mm<(2 000/400=5 mm),滿足要求。

2.2 穩定性計算

K0=穩定力矩/傾覆力矩=y×Ni/ΣMw;分配梁總重:2.85 t;立柱總重:16 t;

故Ni=(2.85+16)×9.8=185 kN;

穩定力矩=y×Ni=9.5×185

=1 757.5 kN·m;

風荷載計算:WK=0.7uz×1us×1w0=0.7×1.38×1.2×0.8=0.927 kN/m。

支架迎風面考慮為鏤空形式,按接觸面積計算直接迎風面受力,風力為:q=0.927×(0.4×10.5+19×0.235×3.14×3)=42.88 kN;傾覆力矩=q×26.8=42.88×26.8=1 149 kN·m。

K0=穩定力矩/傾覆力矩=1 757.5/1 149=1.53>1.3,支架抗傾覆性滿足要求。

2.3 計算結論

綜上可知,結構最大剪應力為0.48 MPa,最大彎曲應力為5.14 MPa,最大位移為1.43 mm,均滿足支架材料及結構受力要求,穩定性也符合要求。支架在加工及安裝時應保證按相關規范要求執行,以保證支架結構安全。

3 支架基礎承載力驗算

支架基礎采用獨立擴大基礎,縱橋向每兩根立柱下設一組基礎,全橋共6組基礎,長度為3.5 m,寬度2 m,高度0.5 m,基礎頂面預埋3 m×1 m×16 mm鋼板。基礎混凝土等級C30。基礎底層布置一層鋼筋網片,鋼筋采用Φ14 mm的熱軋帶肋鋼筋,鋼筋縱橫向間距均為200 mm。

3.1 單階矩形底板基礎尺寸

(1)基礎尺寸:長3 500 mm,寬2 000 mm,高500 mm。

(2)混凝土強度等級:C30,fc=14.30 N/mm2;ft=1.43 N/mm2;鋼筋級別:HPB300,fy=270 N/mm2。配筋計算:簡化法基礎縱筋混凝土保護層厚度40 mm;基礎與覆土的平均容重20.00 kN/m3;正后的地基承載力特征值300 kPa;基礎埋深0.10 m;作用力位置標高0.000 m。

3.2 計算過程和計算結果

(1)基底反力計算。

①統計到基底的荷載。

標準值:Nk=400.00 kN,Mkx=0.00 kN·m,Mky=0.00 kN·m;

設計值:N=400.00 kN,Mx=0.00 kN·m,My=0.00 kN·m。

②承載力驗算時,底板總反力標準值(相應于荷載效應標準組合)為

pkmax=(Nk+Gk)/A+|Mxk|/Wx+|Myk|/Wy

=(400.00+14.00)/7.00+0.00/2.33+0.00/4.08=59.14 kPa;

pkmin=(Nk+Gk)/A-|Mxk|/Wx-|Myk|/Wy

=(400.00+14.00)/7.00-0.00/2.33-0.00/4.08=59.14 kPa;

pk=(Nk+Gk)/A=59.14 kPa。

各角點反力p1=59.14 kPa,p2=59.14 kPa,p3=59.14 kPa,p4=59.14 kPa。

③強度計算時,底板凈反力設計值(相應于荷載效應標準組合)為

pmax=N/A+|Mx|/Wx+|My|/Wy

=400.00/7.00+0.00/2.33+0.00/4.08

=57.14 kPa;

pmin=N/A-|Mx|/Wx-|My|/Wy

=400.00/7.00-0.00/2.33-0.00/4.08

=57.14 kPa;

p=N/A=57.14 kPa。

各角點反力p1=57.14 kPa,p2=57.14 kPa,p3=57.14 kPa,p4=57.14 kPa。

(2)地基承載力驗算。

pk=59.14≤fa=300.00 kPa,滿足需求。

pkmax=59.14≤1.2×fa=360.00 kPa,滿足需求。

3.3 基礎抗沖切驗算

(1)按破壞錐體單側截面驗算。

抗沖切驗算公式為

Fl≤0.7×βhp×ft×Ac

(1)

沖切力Fl根據最大凈反力pmax計算,并減去底板頂面計算范圍內的柱子的軸力。

Fl=pmax×Al-∑N

(2)

當柱子中心落在計算范圍內時,減去其軸力;當柱子中心落在計算范圍邊線上時,減去其軸力的一半。柱1:豎向軸線編號1,橫向軸線編號A。

①左、右側截面。

破壞錐體未穿過底板底面,沖切荷載為零,不需要驗算該截面。

②上、下側截面。

沒有柱子的中心落在沖切荷載基頂計算范圍內;沒有柱子的中心落在沖切荷載基頂計算范圍邊緣。

沖切力Fl=pmax×Al-∑N=57.14×0.16-0.00=9.00 kN,抗沖切力=0.7×βhp×ft×Ac=1 531.53 kN,沖切力小于抗沖切力,該截面沖切驗算滿足需求。

(2)按單柱破壞錐體整體驗算。

按單柱破壞錐體整體抗沖切驗算公式為

N-p×Al≤0.7×βhp×ft×Ac

(3)

式中:N為柱子豎向軸力設計值,kN;p為沖切破壞錐體底面平均凈反力,kPa;Al為沖切破壞錐體底面面積,m2;βhp為抗沖切截面高度影響系數,h≤800 mm時取1.0,h≥2 000 mm時取0.9,其間按線性內插法取值;ft為混凝土軸心抗拉強度設計值,N/mm2;Ac為抗沖切截面水平投影面積,m2。

4 結束語

在多種工況對支架進行了受力分析,總結各類荷載對結構的影響,確保了臨時支架在施工過程中的安全。在對鋼箱梁橋支架的強度、穩定性進行驗算的同時,要對支架的地基承載力進行驗算,1～50 m單箱雙室鋼箱梁橋支架搭設推廣應用的新型材料在試驗段完成后及時對設備組合、指標參數、工藝工序等技術要點進行了總結,可為規模化應用提供數據支撐;施工時應詳細調查項目所在地的鋼結構材料種類、分布情況,根據工程進度計劃,將鋼箱梁橋支架擬使用的種類、使用部位、使用數量詳細分解到每個月度并對實施進度進行管理,按期核算完成情況并對鋼箱梁橋支架利用成本進行動態測算,包括鋼箱梁橋支架月度結算工作開展情況、鋼結構材料的供應使用情況等。總之,鋼箱梁橋支架的配置應本著實用、經濟、可靠的原則,提高管理效率和水平;施工中應通過多種監控手段的運用,確保施工環境的安全、舒適與機械設備的運行高效、節能;同時對鋼箱梁橋支架搭設的現場施工工藝、控制參數進行管控,保證規模化應用的實現。