貝雷梁+滿堂式支架的現澆箱梁施工技術

梁仕杰

(肇慶市公路發展有限公司,廣東 肇慶 526000)

1 滿堂式支架與貝雷梁支架

1.1 滿堂式支架特點

(1)整體性較好:滿堂式支架具有良好的整體性,其構造一體,有助于提高施工的整體穩定性。

(2)承載能力較強:該支架能夠有效地承受大荷載,可保證橋梁結構在施工期間的安全性。

(3)無需大型起重設備:由于其設計合理,滿堂式支架在搭建和拆卸過程中無需大型起重設備,簡化了施工流程。

(4)施工方便:滿堂式支架的構造設計使得施工變得更加便捷,提高了工程的施工效率。但一定程度上存在面積占地較廣的不足,需要在設計中考慮空間布局的靈活性。

(5)施工靈活性較差:盡管在整體性和承載能力方面有優勢,但由于結構的一體性,滿堂式支架在應對復雜施工環境時的靈活性較差[1]。

1.2 貝雷梁支架特點

貝雷梁支架適用于橋梁工程中存在特殊地質條件的情況,例如填方邊坡坡腳下等。

在橋梁工程中,尤其是在地形較為復雜的區域,貝雷梁支架的水平投影線位于填方邊坡坡角下,有利于施工的安全性。

貝雷梁支架通常用于支撐現澆箱梁,保證施工過程中的結構穩定性。

與滿堂式支架相比,貝雷梁支架在適應地形、應對復雜施工環境方面更具靈活性。

貝雷梁支架的下部支撐結構采用特殊截面設計,以適應特殊的地理條件和荷載要求[2]。

2 工程概況

廣東北特大橋橫跨云溪河,是連接兩岸重要交通的關鍵樞紐。第三、第四跨作為橋梁的關鍵部位,其結構設計和施工質量直接關系到整體工程的安全性和穩定性。

選取廣東北特大橋的第三、第四跨現澆箱梁作為研究對象。第三跨采用了滿堂式支架、第四跨采用了貝雷梁支架的機構設計,涉及到復雜的力學和結構問題,因此對其進行深入的分析有助于揭示現代橋梁工程中的關鍵技術。

3 分析方法

采用Ansys有限元分析軟件對廣東北特大橋第三、第四跨現澆箱梁進行分析。

(1)支架立桿縱距設置。立桿縱距被設置為1.2 m,以保障結構的垂直支撐和穩定性。在端橫梁和中橫梁處,該縱距被加密為0.9 m,以更細致地捕捉這些關鍵位置的結構行為。

(2)立桿橫距設置。在不同部位,立桿橫距的設置略有不同。在腹板和斜腹板處,立桿橫距被設置為0.9 m,而在箱室、翼緣板及操作平臺處,該橫距為1.2 m。這樣的差異化設置有助于更好地模擬支架在不同位置的應力分布和變形情況。

(3)豎向斜桿的設置。結構中引入了豎向斜桿,以增強支架的整體穩定性。這是一個有效的設計措施,有助于抵抗水平和豎直方向上的荷載,提高了支架的整體性能。

(4)支架材質。不同部位采用了不同的材質,以適應各自的受力情況。例如,立桿采用了Q345A材質,水平桿采用了Q235B材質,而斜桿則采用了Q195材質。

(5)靜力和動力分析。豎向變形結果:支撐結構最大豎向變形為7.5 mm;箱梁最大豎向變形為5.2 mm。

(6)參數敏感性分析。變化支撐結構立桿彈性模量,觀察其對結構豎向變形的影響。支撐結構最大豎向變形在E=2.0×106MPa時為7.5 mm,在E=2.5×106MPa時為6.8 mm。通過調整參數值,評估了不同參數對結構性能的影響。結果表明,在一定范圍內,支撐結構立桿彈性模量的增加會降低豎向變形。

對第三、第四跨現澆箱梁的靜力和動力分析以及參數敏感性分析的數值結果,為結構性能提供了詳細的定量評估數據。基于以上步驟的綜合應用,能夠通過Ansys軟件對第三、第四跨現澆箱梁進行全面而可靠的有限元分析。這一分析過程是基于對實際工程的深入理解和對Ansys軟件功能的熟練運用,以確保分析結果的科學性和可信度[3]。

4 地質環境對現澆箱梁的影響

4.1 第三、第四跨地質環境特點

在廣東北特大橋的第三、第四跨區域,地質環境的特點至關重要,直接影響著橋梁工程的設計和施工。區域的地層結構異常復雜,涵蓋了巖石和土層等多種地質成分。這使得第三、第四跨的地層可能存在變化,給橋梁基礎和支座的設計帶來了挑戰。云溪河的水文條件可能導致土壤液化現象,進而對橋梁的基礎穩定性和整體結構的安全性構成潛在威脅。區域的地形起伏可能導致局部地質條件的不均勻性,從而影響橋梁的承載能力和變形情況。該區域面臨滑坡等地質災害的威脅,對橋梁設計的穩定性和整體安全性提出了極高的要求。因此,在設計和施工過程中,必須全面考慮這些地質環境特點,采取有效的工程措施來確保橋梁在復雜的地質條件下能夠保持穩定和安全。

4.2 地質因素導致的連接處變形問題

由于地質條件的不均勻性,導致支座處發生不均勻沉降,從而引發現澆箱梁的變形。為了減少由不均勻沉降引起的變形問題,必須通過合理的支座結構設計來加以解決。

地下水流和土壤液化等地質因素可能引起地基的變形,直接影響連接處的穩定性,需要通過科學合理的基礎設計和采取相應的防護措施,以確保連接處的長期穩定性。

地質災害如滑坡可能對支架連接處產生沖擊力,加劇連接處的變形。在設計階段,必須全面考慮這些潛在威脅,并采取有效的應對措施,以提高支架在地質環境下的抗災能力和整體穩定性。通過深入分析地質環境對現澆箱梁的影響,有助于制定更為科學的工程設計和施工方案,為橋梁結構的長期可靠性提供有效保障[4]。

5 滿堂式支架和貝雷梁支架的有限元建模與分析

5.1 滿堂式支架建模與分析

滿堂式支架是橋梁施工中常用的臨時支撐系統,其主要目的是在大跨度橋梁的建設過程中提供支持、固定和穩定的功能。這種支架采用三維空間桁架結構,由立柱、橫梁、縱向斜撐等構件組成,形成一個完整而堅固的支撐體系。其構件采用高強度的鋼材,以確保在施工過程中具有足夠的穩定性和承載能力。

在滿堂式支架的設計中,考慮到施工過程中橋梁形狀和荷載的變化,因此需要具有一定的可調性,可以靈活適應不同階段的建設需求。主要作用是支撐橋梁主梁的下部,確保橋梁在建設過程中保持正確的形狀和結構穩定性。一旦橋梁建設完成,這些支架可以被拆除或移動至下一個施工位置,從而方便后續工程的進行。

總體而言,滿堂式支架在橋梁施工中扮演著關鍵的角色,為工程提供了可靠的支持和保障。其設計注重施工的便利性,旨在提高施工效率,確保橋梁建設過程的安全和順利進行。

建模針對滿堂式支架,采用有限元軟件進行三維建模。首先,將滿堂式支架的幾何形狀、材料屬性等參數輸入模型,包括支座、主梁、橫梁等關鍵部件。步距1.48 m、立桿間距0.90×0.94 m、架高8.15 m,掃地桿高度0.2 m,頂層伸出橫桿高度0.55 m,不設剪刀撐。通過試驗數據測得第一級加載360 kN(10 kN/根),整體位移最大為1.87 mm,而有限元建模模擬數據為1.41 mm。

考慮支架在實際荷載作用下的變形情況,對支點和連接處進行建模。

5.2 貝雷梁支架建模與分析

貝雷梁支架在橋梁工程中發揮著獨特的作用,其建模與分析旨在充分發揮其在廣東北特大橋中的應用優勢。

使用有限元軟件對貝雷梁支架進行建模。包括梁體的幾何形狀、材料特性等關鍵參數。著重考慮梁體與支座的連接方式以及與主體結構的耦合關系。在建模中引入實際工程中可能存在的非線性因素,如支座摩擦等[5]。

相較于原始情況,貝雷梁支架整體豎向變形減少,此方法與滿堂式支架連接處豎向變形差約為0.15 mm,符合規范中的允許值。分析結果表明,貝雷梁支架在整體穩定性方面相較于滿堂式支架存在一定差距。然而,貝雷梁支架在適應復雜地形方面表現出更強的優勢,具有更好的地形適應性。同時,貝雷梁支架在支架施工方面展現出更大的靈活性,使其在復雜地理環境下的施工更為便利。

在具體連接處,貝雷梁支架在兩跨連接處的豎向變形較大,這給兩跨連接處現澆箱梁的施工帶來一定的難度。豎向變形的增加可能需要額外的施工措施以確保連接處的結構穩定性[6]。

6 改進措施對比分析

6.1 減小貝雷梁跨徑的效果

通過采取減小貝雷梁跨徑的措施,可減小貝雷梁支架的豎向變形,特別是在支架最大豎向變形處。在這一措施中,針對最大跨徑段,引入了一根額外的鋼管立柱,從而實現了對支架豎向變形的控制,有力地保障了現澆箱梁施工的質量。

在減小貝雷梁跨徑的方案中,新增的鋼管立柱被安置在最大跨徑段,將最大豎向變形點從原先的第一跨(最大跨徑)跨中處移至其余幾跨的跨中位置。這一調整使最大豎向變形顯著減少,約為4.6 mm,并且連接處的豎向變形也顯著降低至約為1.18 mm。

相較于未采取減小貝雷梁跨徑措施的原始情況,整體豎向變形明顯減小。該方法使貝雷梁支架的連接處豎向變形與滿堂式支架的連接處豎向變形差距約為 0.15 mm,符合相關規范中的允許值。減小貝雷梁跨徑的措施通過有限元分析中的位移云圖得以展示,詳見圖1。

圖1 減小貝雷梁跨徑措施位移云圖

6.2 加強型貝雷梁的效果

貝雷梁支架原始情況采用的是普通貝雷梁型號,但由于變形量過大,提出采用加強型貝雷梁措施,通過增大截面型號,從而提升截面抗彎剛度,對此問題進行改善,提升貝雷梁支架的承載力。采用本方法后,豎向變形最大處依舊集中在最大跨的跨中處,約為 8.01 mm;相較于原始情況,使用加強型貝雷梁的支架豎向變形有所減小,為6.41 mm,此方法與滿堂式支架連接處豎向變形差為6.19 mm,符合規范中的允許值。根據有限元模型,加強型貝雷梁措施在有限元分析的位移云圖中得以展示,詳見圖2。

圖2 加強型貝雷梁措施位移云圖

6.3 橫橋向加密貝雷梁的效果

采用橫橋向加密貝雷梁的有效措施是為了減少支架豎向變形,通過增加貝雷梁的截面面積,提升貝雷梁的抗彎剛度,從而降低施工荷載、混凝土自重和振動荷載引起的豎向變形。

在采用橫橋向加密貝雷梁措施時,其最大變形量約為 6.18 mm,在連接位置處的變形值約為 4.94 mm,此方法與滿堂式支架連接的變形差約為7.66 mm,符合規范中的允許值。

根據有限元分析,橫橋向加密貝雷梁措施在有限元分析位移云圖中展示了其有效性,詳見圖3。

圖3 橫橋向加密貝雷梁措施位移云圖

6.4 對比分析總結

在貝雷梁支架與滿堂式支架聯合時,在貝雷梁支架橫橋向現澆箱梁底部提取 7 個節點,節點位置如圖4所示,并對提取的節點變形數據進行對比分析。其中,不同措施支架節點豎向變形如圖5所示。

圖4 現澆箱梁下部節點位置

圖5 節點的豎向變形

根據圖5,減小跨徑貝雷梁在降低豎向變形和控制現澆箱梁施工質量方面均表現較好。其次是橫橋向加密貝雷梁,效果次之。加強型貝雷梁在這兩方面相對較差。

7 結論與展望

7.1 結論

通過對廣東北特大橋第三、第四跨現澆箱梁采用滿堂式支架和貝雷梁支架的分析,得出以下結論。

(1)滿堂式支架在整體性和承載能力方面表現出色,其穩定性和可靠性為大橋結構提供了有效的支撐。通過有限元建模與分析,確認了滿堂式支架在現澆箱梁工程中的可行性。

(2)貝雷梁支架在橋梁工程中具有顯著的應用優勢。其在連接處的性能表現成為大橋在復雜地質環境下保持穩定的關鍵。

7.2 存在問題與展望

在分析過程中也發現了一些問題和亟待解決的技術難點。

(1)地質環境對于連接處變形的影響尚未完全解決。未來可以深入挖掘地質因素對滿堂式支架和貝雷梁支架連接處的具體影響機制,為更有效的工程改進提供依據。

(2)改進措施的對比分析還需要更多的試驗驗證和實際工程案例的支持。未來可以通過實地試驗和更多實際工程的數據來驗證模型的準確性,并更全面地評估各種改進方案的可行性和經濟性。

(3)可以拓展范圍,考慮更多支架結構的設計和應用,以適應不同地質環境和橋梁工程的需求。同時,結合新材料和先進技術,進一步提升支架結構的性能和可持續性。

8 結束語

以廣東北特大橋為例,對滿堂式支架和貝雷梁支架在現澆箱梁施工中的應用進行了深入分析。通過有限元分析,全面了解了這兩種支架在復雜地質環境下的受力情況。此外,通過對改進措施的對比分析,提出了減小貝雷梁跨徑、加強型貝雷梁和橫橋向加密貝雷梁等方案,并在工程實踐中進行了綜合評估。