現(xiàn)澆箱梁貝雷支架的模擬計算及分析

汪楠

【摘要】 本工程位于某客運專線，為某特大橋32.01m雙線簡支梁橋下貝雷支架。本次對現(xiàn)澆梁段施工支架進行模擬計算。高鐵簡支梁自重大，縱向及橫向跨度大，故對此部位支架進行承載能力的檢算。采用大型有限元軟件MIDAS進行建模計算。本文驗證了現(xiàn)澆施工采用貝雷支架承載的可靠性。對其他貝雷支架現(xiàn)澆梁施工計算起到參考意義。

【關鍵詞】 貝雷支架，MIDAS，承載能力，現(xiàn)澆梁

1.概況

該簡支梁為預應力單箱室結構，全梁長32.01m，頂板寬度12.6m， 腹板厚0.45m～1.05m左， 底板寬度5.5m。粱底距下方自然地面約12m。目前，國內(nèi)外現(xiàn)澆梁貝雷支架很多采用ANSYS軟件進行結構模擬，本次分析采用有限元軟件MIDAS進行建模計算。

2.支架設計的基本要求

在施工中貝雷架作為承重支架時所受的荷載主要包括：結構物自重、模板支架自重等恒載和施工活荷載。施工活荷載主要包括施工設備、人員、機具等荷載、傾倒混凝土沖擊荷載、振搗混凝土荷載等。在進行橋梁現(xiàn)澆支架拼裝之前，必須制定好現(xiàn)澆支架的設計方案，橋梁現(xiàn)澆支架設計內(nèi)容應包括模板體系、支架體系、地基及基礎等方面，在支架設計方面應滿足以下要求：

（1）支架構件間結合應緊密，并要有足夠連接桿系，使支架成為穩(wěn)定整體，在各種不利工況下結構應具有足夠整體穩(wěn)定性，結構受力和使用性能上要求必須有足夠的強度和剛度，確保支架在空間上為幾何不變體系；

（2）支架承受后將有變形和撓度，在拼裝前應進行計算驗證，支架變形應小于其容許值，同時設置合理的預拱度，使結構的外形尺寸和高程符合設計要求，其中支架的預拱度計算包括梁自重產(chǎn)生的撓度、支架受載后產(chǎn)生的彈性變形及非彈性變形、支架基礎的沉降量等；

（3）支架地基基礎應根據(jù)荷載、地基承載力進行設計和計算，應根據(jù)荷載、孔跨布置選擇擴大基礎、鉆孔樁基礎或其他可靠基礎形式。

3.計算方法及模型建立

利用MIDAS/Civil 2013軟件，建立支架系統(tǒng)的三維有限元模型，計算時宜采用以概率論為基礎的按極限狀態(tài)法計算，構件設計強度按國家現(xiàn)行標準取值。貝雷支架計算的基本順序如下：制定基本方案；繪制CAD結構圖；考慮結構、荷載和邊界條件，建立模型并進行強度、剛度和穩(wěn)定性計算，取最不利構件進行重點驗算；根據(jù)計算結構進行支架體系、地基和基礎設計并繪圖。

該支架系統(tǒng)由?63鋼管支柱、I45b支承橫梁、貝雷支架、I20b工字鋼橫梁（間距75cm） 、I12.6工字鋼縱梁（間距30cm）及1cm鋼板組成。貝雷支架承重支架由I8水平桿和斜桿組成，I45b支承橫梁位于其下方，其材質均為Q345。工字鋼橫梁、工字鋼縱梁及總量上方所鋪鋼板，材質為Q235。

主要荷載計算結果（單位： ）

單側翼板 腹板 頂?shù)装?一般段箱梁 梁端箱梁內(nèi)

一般段梁截面 9.82 83.97 17.24

端部梁截面 9.82 99.03 38.34

碗扣式腳手架 1.78 2.16 1.45

其余模板荷載、砼施工傾倒荷載、砼施工振搗、施工機具人員荷載均按規(guī)范相應取值。

荷載組合按概率極限承載力計算，即Sd（rgG；rqΣQ）=1.2SG+1.4SQ 。式中SQ：基本可變荷載產(chǎn)生的力學效應 ， SG：永久荷載中結構重力產(chǎn)生的效應 ， Sd：荷載效應函數(shù)。

在順橋向，貝雷架作為承重支架時，自身有多種組合形式以滿足各種工況需要，最常見的就是單層非加強型貝雷架，貝雷架之間直接用銷軸連接即可。當貝雷架所受彎矩較大或變形較大時，可在貝雷架的上下弦桿外側安裝加強弦桿，形成所謂的單層加強型貝雷架；當上述組合仍不能滿足要求時可采用雙層非加強型貝雷架、雙層加強型貝雷架。增加弦桿和雙層布置只是增加了貝雷支架的剛度和抗彎能力，并未改變其抗剪能力。采用上述方式貝雷架可滿足多種跨度布置的需要。如果所跨結構物較寬，可根據(jù)實際情況采用多跨布置。

作為承重支架使用時，貝雷架在橫橋向一般采用定制的連接片將橫向的兩片貝雷架連接成整體，以確保其橫向穩(wěn)定性，但這種方法具有較大的弊端：貝雷架采用兩片一組、片與片間距90 cm 的布置模式.對于高度較大、寬度較大的箱梁腹板區(qū)域，貝雷架往往因所受荷載過大而滿足不了受力要求；而對于寬度較大、厚度較薄的箱室部分和翼板部分，貝雷架往往所受荷載較小、不能充分發(fā)揮其承載能力而造成材料浪費。因此，確定貝雷架的橫向間距和布置排數(shù)應根據(jù)各部分的荷載大小，通過與容許剪力和容許彎矩的對比計算確定。

根據(jù)上述荷載估算及布置方式，貝雷支架初步排布如下：單側翼板：雙排單層三組；單側腹板：三排單層一組；頂?shù)装澹弘p排單層二組。

貝雷架、I45b支承橫梁、鋼管支柱及縱橫梁模擬為梁單元，箱梁下鋪設鋼板模擬為板單元，共劃分6474個節(jié)點，1040個單元。

貝雷架采用6+9+7.5+6m，全長共28.5m。6+9m貝雷梁與7.5+6m貝雷梁在3號鋼柱墩處為斷開式搭接布設。支架各構件均采用梁單元模擬，鋼板采用板單元模擬，支架鋼管支墩根部固結，其余構件連接采用彈性連接。根據(jù)結構情況，經(jīng)對比7.5+6m模型應力小于6+9m模型應力，故采用6+9m模型進行分析。

模型如圖1：

圖1 現(xiàn)澆支架有限元模型

4.數(shù)據(jù)提取及計算分析

MIDAS計算結果及結構分析：

4.1鋼管支墩最大應力為72.7Mpa<[σ]=310Mpa，滿足要求。

4.2 I45b墩頂橫梁最大應力為90.1Mpa<[σ]=310Mpa，滿足要求。

4.3 貝雷梁上下弦桿最大應力為247.5Mpa<[σ]=310Mpa，滿足要求。

4.4 貝雷梁豎桿應力（最不利構件位置）如圖2

圖2 豎桿應力圖

貝雷梁豎桿最大應力為256.4Mpa<[σ]=310Mpa，滿足要求。

4.5 I 20b工字鋼橫梁應力最大為93.7Mpa<[σ]=215Mpa，滿足要求。

4.6 I12.6工字鋼縱梁應力最大為79.8Mpa<[σ]=215Mpa，滿足要求。

4.7 1cm鋼板應力鋼板應力最大為25.4Mpa<[σ]=215Mpa，滿足要求。

4.8支架位移驗算

位移最大為9.312mm

4.9鋼柱穩(wěn)定驗算

對于本支架計算僅驗算立柱的受壓穩(wěn)定性（整體），其他均不需要驗算。已知立柱采用φ63cm*10mm鋼管；軸心受壓構件的穩(wěn)定系數(shù)φ=0.872。經(jīng)驗算， 穩(wěn)定性符合要求。

4.10鋼柱下樁基設計

根據(jù)《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》TB10002.5-2005第6.2.2-2條。本支架基礎采用鉆孔樁，樁長12m，設計樁徑1m。樁身截面周長：U=3.3m；樁底支撐力折減系數(shù)：m0=0.6；樁底支撐面積：A=0.785m2；樁底地基土的容許承載力：當 時， kPa。

根據(jù)各土層的極限摩阻力及土層厚度計算：

樁的容許承載力： =1494.4kN，樁自重=259.8kN，由MIDAS模型提取柱底反力=1076.4kN， kN，滿足要求。

綜上所述，該貝雷支架安全性滿足使用要求。

結語：

本文根據(jù)對橋梁臨時工程計算與設計的研究成果，結合現(xiàn)澆箱梁貝雷支架設計的工程實例，對鐵路橋梁現(xiàn)澆支架設計技術進行了概述。本文采用極限狀態(tài)法計算，利用大型有限元通用軟件MIDAS進行建模計算，提取具體結果值，驗證了貝雷支架對現(xiàn)澆箱梁的承載能力是足夠的，施工是安全可行的。提供了一種現(xiàn)澆梁貝雷桁架施工承載能力檢算的方法，對其他貝雷桁架現(xiàn)澆梁施工計算具有參考意義。

貝雷梁支架是現(xiàn)澆箱梁施工中常用的一種支架型式，是較為經(jīng)濟安全的一種支架形式。近年在鐵路行業(yè)的規(guī)模應用證明，采用本技術可實現(xiàn)技術先進、經(jīng)濟合理、安全適用的橋梁建設目標。

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