基于Midas的橋梁頂推施工下臨時(shí)支架計(jì)算分析

摘" 要：在橋梁工程中，臨時(shí)墩具有減小頂推的標(biāo)準(zhǔn)跨徑，從而減小梁頂推過(guò)程交替變化的正、負(fù)彎矩的作用。目前，在橋梁的頂推施工領(lǐng)域?qū)εR時(shí)墩的設(shè)計(jì)思路和計(jì)算方法的研究較少。該文根據(jù)某工程實(shí)例，基于有限元軟件Midas對(duì)臨時(shí)支架進(jìn)行受力計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出以下結(jié)論，該臨時(shí)支架頂部最大位移為12.27 mm，△u/h=1/1 222lt;1/550，支撐柱最大應(yīng)力比為0.39，支撐短柱最大應(yīng)力比為0.17，墊梁二最大應(yīng)力比為0.33，墊梁三最大應(yīng)力比為0.30；地基基礎(chǔ)中最大的計(jì)算配筋率為0.095 3%，各個(gè)方向均按構(gòu)造配筋，各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：頂推施工；臨時(shí)支架；數(shù)值分析；工程實(shí)例；Midas

中圖分類(lèi)號(hào)：U445 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）11-0081-04

Abstract： In bridge engineering， temporary piers can reduce the standard span of jacking， so as to reduce the alternating positive and negative moment in the process of beam jacking. At present， there is little research on the design ideas and calculation methods of temporary piers in the field of bridge jacking construction. In this paper， according to an engineering example， the force of the temporary support is calculated based on the finite element software Midas. According to the calculation results， the following conclusions are drawn： The maximum displacement at the top of the temporary support is 12.27 mm， △u/h=1/1222 lt; 1/550， the maximum stress ratio of the supporting column is 0.39， the maximum stress ratio of the short column is 0.17， the maximum stress ratio of the cushion beam two is 0.33， and the maximum stress ratio of the cushion beam three is 0.30. The maximum calculated reinforcement ratio in the foundation is 0.095 3%， all directions are reinforced according to the structure， and all calculation indexes meet the requirements of the code.

Keywords： jacking construction; temporary support; numerical analysis; engineering example; Midas

在橋梁的頂推施工過(guò)程中，臨時(shí)墩起到重要的承載作用，能夠有效保證橋梁在施工過(guò)程中的穩(wěn)定性，確保施工的安全進(jìn)行。隨著城市的發(fā)展，城市車(chē)輛的荷載，尤其是其中運(yùn)輸車(chē)輛的荷載越來(lái)越大，城市對(duì)道路和橋梁的承載力要求也更高，在橋梁施工上表現(xiàn)為橋梁自重越來(lái)越大，施工工藝越來(lái)越復(fù)雜，施工荷載也越來(lái)越大，這就對(duì)臨時(shí)墩的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，包括臨時(shí)墩的成型工藝、所受荷載計(jì)算、承載力驗(yàn)算幾大方面。

白樺等[1]分析了連續(xù)鋼梁橋頂推施工方案的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和頂推施工時(shí)的關(guān)鍵控制措施，但是其對(duì)臨時(shí)墩的設(shè)計(jì)研究較少，且沒(méi)有使用有限元軟件對(duì)臨時(shí)墩進(jìn)行承載力和沉降計(jì)算。張鵬[2]研究了一種針對(duì)大跨度鋼混組合橋梁跨中無(wú)臨時(shí)墩步履式頂推施工方案，使用有限元軟件詳細(xì)分析了臨時(shí)支架的受力情況，但是其文章研究的重心依然在橋梁設(shè)計(jì)上，未對(duì)臨時(shí)墩的設(shè)計(jì)形成理論方法。何明輝等[3]通過(guò)一工程實(shí)例，從施工的層面詳細(xì)闡述了臨時(shí)墩在橋梁施工中的作用和施工工藝，但是其研究?jī)?nèi)容主要為施工方面，未涉及相應(yīng)的計(jì)算問(wèn)題。劉玲晶等[4]從方案設(shè)計(jì)上提及了臨時(shí)墩的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)計(jì)算了臨時(shí)墩的墩頂支反力等重要內(nèi)容。周浩等[5]通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，以構(gòu)造評(píng)價(jià)函數(shù)得到的結(jié)果提出了確定最優(yōu)臨時(shí)墩位置的一種方法。目前已經(jīng)發(fā)表的文章也研究了不同工況下，考慮環(huán)境因素條件下的臨時(shí)墩設(shè)計(jì)方法[6-8]。

目前，在橋梁的頂推施工領(lǐng)域，更受關(guān)注的是橋梁本身和導(dǎo)梁的設(shè)計(jì)，對(duì)臨時(shí)墩的設(shè)計(jì)思路和計(jì)算方法的研究較少，大部分研究往往只涉及臨時(shí)墩設(shè)計(jì)的部分內(nèi)容，而沒(méi)有形成完整的理論體系。本文通過(guò)某工程實(shí)例，通過(guò)有限元軟件Midas對(duì)臨時(shí)支架進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算內(nèi)容包括了桿件內(nèi)力、整體指標(biāo)、獨(dú)立基礎(chǔ)和預(yù)埋件4個(gè)部分。本文通過(guò)該工程實(shí)例和有限元軟件的計(jì)算結(jié)果，提出了一套完整的臨時(shí)墩設(shè)計(jì)和計(jì)算的方法。

1" 鋼結(jié)構(gòu)安裝工程概況和特點(diǎn)

某工程上部結(jié)構(gòu)為：小里程左幅48 m+60 m+48 m、小里程右幅55 m+60 m+46 m，大里程左幅30 m+30 m+50 m+40 m、大里程右幅30 m+33 m+50 m+35 m連續(xù)鋼箱梁。主梁為單箱四室鋼箱梁，橋梁中心線與橋墩中心線的夾角為90°。按照結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)及拼裝、滑移施工工藝的要求，鋼箱梁利用“液壓同步頂推”技術(shù)采取“累積滑移”的施工工藝進(jìn)行安裝。滑移施工前，在預(yù)設(shè)位置橋臺(tái)搭設(shè)拼裝滑移支架，在拼裝位置設(shè)置6排12組步履頂推器；每組臨時(shí)支墩上在需要滑移時(shí)設(shè)置1組步履式液壓頂推器，總共12臺(tái)XY-BL-500型頂推器。

鋼箱梁頂推采用步履式多點(diǎn)頂推法施工，在頂推支架上設(shè)置步履式頂推設(shè)備和墊梁。鋼箱梁通過(guò)步履頂推器頂推至設(shè)計(jì)位置。鋼箱梁頂推到位后，利用步履頂推器將鋼箱梁整體卸載落位至支座上，完成鋼梁的頂推滑移施工作業(yè)。

頂推過(guò)程中橋體的承載體系始終由臨時(shí)墩承擔(dān)。當(dāng)液壓千斤頂頂起結(jié)構(gòu)時(shí)千斤頂承載，千斤頂將力傳遞給臨時(shí)墩；當(dāng)千斤頂縮回時(shí)，由臨時(shí)墩前端墊梁托住鋼箱梁，通過(guò)墊梁將荷載傳遞給臨時(shí)墩。在整個(gè)施工過(guò)程中，臨時(shí)墩起著重要的承載作用，合理地設(shè)置臨時(shí)支墩對(duì)確保施工過(guò)程的安全性具有重要意義。

2" 臨時(shí)支架設(shè)計(jì)

該工程共需要設(shè)置3種不同的臨時(shí)支架，其設(shè)計(jì)思路和計(jì)算過(guò)程相似，故本文只取其中承受荷載較大，結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜的臨時(shí)支架一進(jìn)行分析。

臨時(shí)支架一平面尺寸為3 m×10 m，豎向支撐間距為2.5 m。單組臨時(shí)支撐主肢為18根Φ609 mm×16 mm的圓管，材質(zhì)為Q235。綴條為Φ159 mm×6 mm的圓管，材質(zhì)為Q235。墊梁一采用580 mm×166 mm×14 mm×20 mm的二拼56b型鋼，材質(zhì)為Q355。墊梁二采用600 mm×300 mm×25 mm×25 mm的三拼H型鋼，材質(zhì)為Q355。墊梁三采用280 mm×166 mm×14 mm×20 mm三拼56b工字鋼，材質(zhì)為Q235。支撐短柱采用800 mm×800 mm×25 mm×25 mm的方管截面，材質(zhì)為Q355。

頂推過(guò)程中臨時(shí)支架一受到最大荷載的工況在鋼箱梁頂推過(guò)程中第三步：導(dǎo)梁前端將要接觸到臨時(shí)墩時(shí)，此時(shí)頂推段長(zhǎng)度為119.4 m、重量為1 671.6 t，導(dǎo)梁重84 t。

3" 臨時(shí)支架模型建立和計(jì)算

3.1" 模型建立

根據(jù)結(jié)構(gòu)布置和所受荷載的不同，模型建立時(shí)共分為3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層，分別為標(biāo)準(zhǔn)層一、標(biāo)準(zhǔn)層二、標(biāo)準(zhǔn)層三，高度均為2.5 m。臨時(shí)支架樓層組裝依次為標(biāo)準(zhǔn)層一→標(biāo)準(zhǔn)層二→標(biāo)準(zhǔn)層一→標(biāo)準(zhǔn)層二→標(biāo)準(zhǔn)層一→標(biāo)準(zhǔn)層三，每層層高為2.5 m，臨時(shí)結(jié)構(gòu)總高為2.5 m×6=15 m。臨時(shí)支架一示意圖如圖1所示。

建立模型并輸出各個(gè)支架的豎向力，采用Midas FEA建立有限元模型，將模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)試算，網(wǎng)格單元尺寸小于100 mm后模型的應(yīng)力分布情況基本不再隨網(wǎng)格尺寸變化，故設(shè)置網(wǎng)格單元為100 mm×100 mm。FEA有限元模型如圖2所示。此時(shí)鋼箱梁對(duì)支架豎向力為1 986.0，1 796.5，2 631.0，4 267.1，7 373.1 kN。總反力為1 805.1 tgt;1 755.6 t，反力無(wú)誤。

3.2" 桿件內(nèi)力分析

根據(jù)有限元軟件的計(jì)算結(jié)果，該支撐柱最大應(yīng)力比為0.39，支撐短柱最大應(yīng)力比為0.17，墊梁二最大應(yīng)力比為0.33，墊梁三最大應(yīng)力比為0.30。除了分析各桿件內(nèi)力，還需要對(duì)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定進(jìn)行驗(yàn)算，通過(guò)對(duì)該臨時(shí)支撐架進(jìn)行屈曲分析，在現(xiàn)有的荷載作用下放大129.3倍后，該支撐架才會(huì)發(fā)生整體失穩(wěn)，故該結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性指標(biāo)符合規(guī)范要求。根據(jù) JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》3.7.3條的規(guī)定，對(duì)于框架結(jié)構(gòu)，樓層層間最大位移與層高之比的限值為1/550，該臨時(shí)支架頂部最大位移為12.27 mm，△u/h=1/1 222lt;1/550，層間位移角滿(mǎn)足要求，支架桿位移情況如圖3所示。

3.3" 立柱強(qiáng)度補(bǔ)充驗(yàn)算

立柱所用鋼材鋼號(hào)為Q235，鋼材拉壓彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=215.00 MPa，根據(jù)有限元軟件計(jì)算結(jié)果可知立柱受力較大，故根據(jù)規(guī)范要求對(duì)立柱受力進(jìn)行驗(yàn)算，下面給出立柱的驗(yàn)算結(jié)果。

1）強(qiáng)度驗(yàn)算。根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》8.1.1條可知圓形截面塑性發(fā)展系數(shù)取值為γm=1.15，在考慮部分塑性的情況下，計(jì)算得σmax=118.31 N/mm2lt;215 N/mm2，符合要求。

2）平面內(nèi)穩(wěn)定性驗(yàn)算。

式中：N為軸力設(shè)計(jì)值，取N=2 384.27 kN；φ為軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)GB 50017—2017中7.2.1及附錄D取φ=0.73；A為截面面積，A=29 807.43 mm2；M為彎矩設(shè)計(jì)值，取M=89.96 kN/m3；β為等效彎矩系數(shù)，根據(jù)GB50017—2017中8.2.1取β=0.80；W為截面慣性矩，W=4 305 987 mm3；E為鋼材彈性模量，取E=206 GPa。

③徑厚比驗(yàn)算。D/t=38.06lt;90，符合規(guī)范要求。

④平面外穩(wěn)定驗(yàn)算。根據(jù)GB 50017—2017計(jì)算得到的σwx=σwy=135.17 N/mm2lt;215 N/mm2，符合要求。

4" 獨(dú)立基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

獨(dú)立基礎(chǔ)材料：混凝土強(qiáng)度為C30、鋼筋為HRB400、地基承載力按照160 kPa考慮。

獨(dú)立基礎(chǔ)尺寸：長(zhǎng)13 m、寬8 m、厚0.8 m。獨(dú)立基礎(chǔ)底部配筋與頂部配筋均為雙向配筋，鋼筋直徑18 mm，鋼筋間距200 mm，不考慮基礎(chǔ)覆土厚度。

按上述設(shè)計(jì)進(jìn)行基礎(chǔ)受力驗(yàn)算，結(jié)果如下。①正截面受彎計(jì)算。最不利荷載情況下基礎(chǔ)受彎矩M=190.6 kN·m，計(jì)算配筋率為0.095 3%，故各個(gè)方向按最小配筋率0.15%進(jìn)行配筋。 ②沖切驗(yàn)算。驗(yàn)算公式為

F l≤0.7βhp ftam h0，

式中：F l為相應(yīng)于作用的基本組合時(shí)作用在Al上的地基土凈反力設(shè)計(jì)值，最不利情況下Fl=1 715.1 kPa；βhp為受沖切承載力截面高度影響系數(shù)，取βhp=1.0；ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取ft=1.43 MPa；am為沖切破壞錐體一側(cè)的計(jì)算長(zhǎng)度，取am=11 237 mm；h0為沖切驗(yàn)算截面的有效高度，取h0=800-50=750 mm。經(jīng)計(jì)算驗(yàn)算公式成立，即沖切驗(yàn)算符合要求。③受剪驗(yàn)算。對(duì)一階獨(dú)基，當(dāng)基礎(chǔ)底面短邊尺寸大于柱寬加2倍基礎(chǔ)有效高度時(shí)，可以不驗(yàn)算受剪承載力，受剪驗(yàn)算符合要求。臨時(shí)支架基礎(chǔ)平面示意圖如圖4所示。

5" 結(jié)論

根據(jù)對(duì)該工程臨時(shí)支架設(shè)計(jì)過(guò)程的分析以及有限元計(jì)算的結(jié)果，得出以下結(jié)論。

在現(xiàn)有的荷載作用下放大129.3倍后，該支撐架才會(huì)發(fā)生整體失穩(wěn)，故該結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性指標(biāo)符合規(guī)范要求。該臨時(shí)支架頂部最大位移為12.27 mm，△u/h=1/1 222lt;1/550，層間位移角滿(mǎn)足要求。

立柱在考慮部分塑性的情況下，σmax=118.31 N/mm2lt;215 N/mm2，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。平面內(nèi)穩(wěn)定性驗(yàn)算中σwx=129.45 N/mm2lt;215 N/mm2。平面外穩(wěn)定驗(yàn)算中根據(jù)規(guī)范計(jì)算得到的σwx=σwy=135.17 N/mm2lt;215 N/mm2，符合要求。

地基基礎(chǔ)中最大的計(jì)算配筋率為0.095 3%，各個(gè)方向均按構(gòu)造配筋，配筋率取0.15%，滿(mǎn)足不驗(yàn)算受剪承載力的要求。

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