大跨連續(xù)梁橋施工膺架的設(shè)計(jì)研究

李　宇，楊　賜，李　琛，高　亮,王　潔

(1. 長安大學(xué) 公路學(xué)院 舊橋檢測與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)試驗(yàn)室, 陜西 西安 710064；2. 長安大學(xué)

建筑學(xué)院, 陜西 西安 710064；3. 西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710048;

4. 西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710055)

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大跨連續(xù)梁橋施工膺架的設(shè)計(jì)研究

李宇1，楊賜1，李琛2，高亮3,王潔4

(1. 長安大學(xué) 公路學(xué)院 舊橋檢測與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)試驗(yàn)室, 陜西 西安 710064；2. 長安大學(xué)

建筑學(xué)院, 陜西 西安 710064；3. 西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710048;

4. 西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710055)

摘要：以某大跨連續(xù)梁橋施工膺架為工程背景，先采用有限元軟件對原圖紙和荷載方案進(jìn)行校核，發(fā)現(xiàn)其承載能力不足的缺點(diǎn)后，對施工膺架的碗扣支架、貝雷梁、橫向支撐梁、鋼管立柱進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并用有限元軟件對設(shè)計(jì)后的施工膺架各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行了強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算.結(jié)果表明：在保證造價(jià)經(jīng)濟(jì)的前提下，設(shè)計(jì)后的橋梁施工膺架在承載力方面得到很大提高，滿足橋梁施工要求.

關(guān)鍵詞：大跨連續(xù)梁橋；施工膺架；設(shè)計(jì)；有限元

0引言

橋梁施工膺架法[1-3]是指混凝土梁式橋可在落地式膺架(也稱腳手架)上現(xiàn)澆或拼裝預(yù)制節(jié)段.目前，很多學(xué)者對該法進(jìn)行了研究，胡漢舟等[4]對京滬高鐵南京大勝關(guān)長江大橋施工技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，提出了針對膺架法的修正建議；王政兵，李紅旗[5]基于萬州長江大橋鋼梁架設(shè)方案，對膺架法的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究；李德坤等[6]對長壽長江大橋鋼梁架設(shè)方案及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了適合該橋的膺架法；王東輝、覃勇剛[7]對南京大勝關(guān)長江大橋鋼梁架設(shè)及其膺架施工的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究；靳春尚等[8]開展了粉房灣長江大橋鋼彬梁支架拼裝施工技術(shù)的研究，提出了改進(jìn)的膺架施工法；汪芳進(jìn)[9]對武廣客運(yùn)專線東平水道橋鋼梁架設(shè)施工方法進(jìn)行了設(shè)計(jì).筆者以某大跨連續(xù)梁橋施工膺架項(xiàng)目部提供的原圖紙和荷載方案為工程背景，開展了針對承載能力不足的施工膺架的設(shè)計(jì)研究.

1方案設(shè)計(jì)及其有限元模型

首先利用Midas Civil對原方案進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明：原方案的碗扣支架、貝雷梁、橫向支撐梁的強(qiáng)度和穩(wěn)定性均無法滿足要求[10-17].因此，筆者對原圖紙進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并給出了如下的設(shè)計(jì)方案.

1.1材料參數(shù)

貝雷梁材料參數(shù)如表1所示，其中：16Mn鋼容許剪應(yīng)力[τ]=120 MPa，容許正應(yīng)力[σ]=210 MPa；Q345鋼容許剪應(yīng)力[τ]=145 MPa，容許正應(yīng)力[σ]=250 MPa，Q235鋼容許剪應(yīng)力[τ]=120 MPa，容許正應(yīng)力[σ]=205 MPa；方木容許剪應(yīng)力[τ]=1.2 MPa，容許彎應(yīng)力[σ]=11 MPa，彈性模量E=9×103 MPa.

表1　貝雷梁材料參數(shù)表

1.2碗扣支架的設(shè)計(jì)

碗扣支架原方案為步距1.2 m，橫距0.6 m，縱距0.6 m.按照《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》及設(shè)計(jì)荷載，碗扣支架的應(yīng)力驗(yàn)算不能通過.所以，筆者將原方案調(diào)整為步距0.6 m，橫距0.6 m，縱距0.4 m(如圖1).

圖1　碗扣支架設(shè)計(jì)方案示意圖

1.3貝雷梁的設(shè)計(jì)改進(jìn)

由于在設(shè)計(jì)荷載作用下，原方案的貝雷梁應(yīng)力驗(yàn)算不能通過.故提出圖2的改進(jìn)方案：①將貝雷梁橫向間距由原來的2 m調(diào)整為1.2 m，同時(shí)貝雷梁順橋向的支承位置稍作移動(dòng)；②貝雷梁在中間區(qū)域6處支承位置(端部兩拼支承除外)豎桿進(jìn)行加強(qiáng)，補(bǔ)焊2[10槽鋼進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng).

圖2　貝雷梁支承處加強(qiáng)示意圖

1.4橫向支撐梁的設(shè)計(jì)

由于在設(shè)計(jì)荷載作用下，原方案的橫向支撐梁的應(yīng)力驗(yàn)算不能通過.所以，本研究建議將橫向支撐梁由原來3拼I36a工字鋼調(diào)整為3拼I50a工字鋼.(備注：橫向支撐梁采用2拼I50a工字鋼和3拼I50a工字鋼計(jì)算均能夠滿足要求.但是，采用3拼I50a工字鋼最小安全系數(shù)可以達(dá)到2.23，所以建議橫向支撐梁采用3拼I50a工字鋼.)

1.5鋼管立柱設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)方案：由于原方案的鋼管立柱計(jì)算穩(wěn)定安全系數(shù)不足，故建議沿順橋向增加一排鋼管立柱，順橋向鋼管立柱間距有所改變，如圖3所示.

圖3　鋼管立柱設(shè)計(jì)方案示意圖

2有限元分析模型

2.1整體支架有限元模型

圖4為采用計(jì)算軟件Midas Civil建立的整體支架有限元模型.利用空間梁單元模擬了貝雷梁、橫向支撐梁、立柱等部件，各立柱底部固結(jié)，貝雷梁與立柱之間采用剛臂連接，進(jìn)而計(jì)算了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、內(nèi)力和變形.

圖4　整體支架有限元模型

2.2貝雷梁有限元模型

貝雷梁材料、截面相關(guān)參數(shù)選取參考《裝配式公路鋼橋多用途使用手冊》[1].貝雷梁的上下弦桿截面采用2[10槽鋼，腹桿截面采用I8工字鋼，貝雷梁在中間區(qū)域6處支承位置(端部兩拼支承除外)豎桿進(jìn)行加強(qiáng)，補(bǔ)焊2[10槽鋼進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng).一片貝雷梁的有限元模型如圖5所示，主要是采用空間梁單元模擬貝雷梁的每一根桿件，支撐處的邊界條件采用固結(jié)來處理.

圖5　一片貝雷梁有限元模型

2.3鋼管立柱有限元模型

如圖6所示，鋼管立柱截面為Φ600×12 mm，立柱和支撐梁都采用空間梁單元建立有限元模型，立柱底部約束為固結(jié).通過Midas Civil分別進(jìn)行了鋼管立柱的穩(wěn)定性和強(qiáng)度驗(yàn)算.

圖6　立柱有限元模型

2.4施加荷載

整體支架驗(yàn)算荷載組合如表2所示，表中分別給出了碗扣支架、貝雷梁、橫向支撐梁、鋼管立柱對應(yīng)的驗(yàn)算荷載組合.(1)梁體容重取26.5 kN/m3，施加均布荷載：1 423.1×26.5/33.5/50=22.51 kN/m2.(2)碗扣支架：采用φ48 mm×3.5 mm碗扣式腳手架，順橋間距0.5 m，橫橋間距0.5 m，支架最大高度7 m.材料Q235鋼，荷載4.08 kN/m2.(3)貝雷梁荷載：單排單層每格自重為9 kN，9×2×19/50/33.5=0.2 kN/m2.(4)施工荷載：①施工人員、機(jī)械為2.0 kN/m2；②混凝土振搗器為2.0 kN/m2；③橫向風(fēng)力為1.0 kN/m2； ④縱向風(fēng)力為0.4 kN/m2；⑤模板重為2.0 kN/m2；⑥方木重為2.0 kN/m2.(注：根據(jù)施工現(xiàn)場條件，得到以上施工臨時(shí)荷載.由于①、②這兩部分荷載直接查取規(guī)范得到的，建議將這兩部分荷載分別乘以2.5的系數(shù)用于驗(yàn)算荷載組合).(5)I20a工字鋼橫向分配梁荷載：0.59 kN/m2.

表2　驗(yàn)算荷載組合表

注：D1：梁體自重；D2：碗扣支架自重；D3：模板自重；D4：方木自重；D5：I20a工字鋼橫向分配梁自重；D6：貝雷梁自重；D7：I50a工字鋼橫向支撐梁自重；L1：施工人員、機(jī)械；L2：混凝土振搗器.

3設(shè)計(jì)方案的驗(yàn)算結(jié)果

3.1貝雷梁的計(jì)算結(jié)果

取最不利上部貝雷梁弦桿結(jié)果，如圖7～9所示，從圖7中可知，貝雷梁弦桿最大應(yīng)力為62.6 MPa.取最不利上部貝雷梁弦桿結(jié)果，從圖8中可知，貝雷梁斜腹桿最大應(yīng)力為87.6 MPa.取最不利上部貝雷梁弦桿結(jié)果，從圖9中可知，貝雷梁豎直腹桿最大應(yīng)力為144.7 MPa.經(jīng)檢算，上部貝雷梁的受力滿足規(guī)范要求，如表3所示.

圖7　組合2作用-上部貝雷梁弦桿應(yīng)力圖

圖8組合2作用-上部貝雷梁豎直腹桿應(yīng)力圖

Fig.8Stress of vertical rod under combination 2

圖9　組合2作用-上部貝雷梁斜腹桿應(yīng)力圖

表3　上部貝雷梁支架計(jì)算結(jié)果匯總表

3.2橫向支撐梁的計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果如圖10～13所示.從圖10～11中可知，橫向支撐梁的最大彎矩為663.1 kN·m，最大剪力為842.3 kN.從圖12中可知，橫向支撐梁的最大組合應(yīng)力為106.2 MPa.從圖13中可知，橫向支撐梁的最大剪應(yīng)力為52.4 MPa.從圖10～13和表4可知，橫向支撐梁1#～8#受力滿足要求，橫向支撐梁1#～8#受力滿足要求.

圖10　組合3作用-橫向支撐梁彎矩圖/(kN·m-1)

圖11　組合3作用-橫向支撐梁剪力圖/kN

圖12　組合3作用-橫向支撐梁組合應(yīng)力圖/MPa

圖13　組合3作用-橫向支撐梁剪應(yīng)力圖/MPa

表4　橫向支撐梁計(jì)算結(jié)果匯總表

3.3鋼管立柱的計(jì)算結(jié)果

鋼管立柱軸力最大位置發(fā)生在3#、6#立柱處，最大值為1 674.3 kN，滿足穩(wěn)定性驗(yàn)算要求.橫向支撐梁的最大組合應(yīng)力76.5 MPa<[σ]=170 MPa，安全系數(shù)為2.22，滿足強(qiáng)度驗(yàn)算要求.中間鋼管立柱頂最大豎向位移DZ=-6.888 mm.綜上所述，鋼管立柱強(qiáng)度、穩(wěn)定性滿足要求.

4結(jié)論

膺架法是混凝土梁式橋現(xiàn)澆或拼裝預(yù)制節(jié)段常采用的方法.參考某大跨連續(xù)梁橋施工膺架的原圖紙和荷載方案，針對其承載能力不足的問題，對施工膺架進(jìn)行了設(shè)計(jì).并用有限元軟件對設(shè)計(jì)后的施工膺架的碗扣支架、貝雷梁、橫向支撐梁、鋼管立柱進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算，結(jié)果表明：在保證經(jīng)濟(jì)造價(jià)的前提下，設(shè)計(jì)后的橋梁施工膺架在承載力上面得到很大的提高，滿足橋梁施工要求.因此，所提出的針對大跨連續(xù)梁橋施工膺架的設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)和驗(yàn)算方法可以為同類工程提供參考.

參考文獻(xiàn)：

[1]范立礎(chǔ). 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋[M]. 北京: 人民交通出版社, 1988.

[2]雷俊卿. 橋梁懸臂施工與設(shè)計(jì)[M]. 北京: 人民交通出版社, 2000.

[3]黃士柏, 郝俊峰, 徐海軍. 拱形塔懸索斜拉組合結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計(jì)與施工[J]. 橋梁建設(shè), 2010,40(1):45-48.

[4]胡漢舟, 文武松, 秦順全，等. 京滬高速鐵路南京大勝關(guān)長江大橋技術(shù)總結(jié)[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 2011.

[5]王政兵, 李紅旗. 萬州長江大橋鋼梁架設(shè)方案及關(guān)鍵技術(shù)[J]. 橋梁建設(shè), 2003,33 (S1): 1-3.

[6]李德坤, 朱云翔, 李芳軍. 長壽長江大橋鋼梁架設(shè)方案及關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì), 2003, 47(S1): 122-124.

[7]王東輝, 覃勇剛. 南京大勝關(guān)長江大橋鋼梁架設(shè)及關(guān)鍵技術(shù)[J]. 橋梁建設(shè), 2009, 39(3): 5-8.

[8]靳春尚, 王殿永, 劉康，等. 粉房灣長江大橋鋼彬梁支架拼裝施工技術(shù)[J]. 橋梁建設(shè), 2012, 42(S1): 76-80.

[9]汪芳進(jìn). 武廣客運(yùn)專線東平水道橋鋼梁架設(shè)施工設(shè)計(jì)[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì), 2009, 53(4): 50-52.

[10]路橋集團(tuán)第一公路工程局. 橋涵施工技術(shù)規(guī)范：JTJ041—2000[S].北京: 人民交通出版利, 2000.

[11]北京鋼鐵設(shè)計(jì)研究總院. 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范:GB50017—2003[S]. 北京: 中國計(jì)劃出版利, 2003.

[12]冶金工業(yè)部建筑研究總院. 鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范:GB50205—2001[S]. 北京: 中國計(jì)劃出版利, 2002.

[13]中國建筑科學(xué)研究院. 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范:GB50009—2001[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版, 2002.

[14]周水興. 路橋施工計(jì)算手冊[M]. 北京: 人民交通出版社, 2001.

[15]黃紹金, 劉陌生. 裝配式公路鋼橋多用途使用手冊[M]. 北京: 人民交通出版社, 2002.

[16]李靜斌, 陳淮, 葛素娟. 支座更換頂升方案對小箱梁橋結(jié)構(gòu)性能的影響[J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2010, 31(1): 40-43.

[17]李杰, 陳淮, 王艷. 曲弦下承式鋼管混凝土桁梁橋改造方案分析[J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2015, 36(2): 33-37.

Research on Design for Constructive Rack of Long-span Continuous Beam Bridge

LI Yu1，YANG Ci1，LI Chen2，GAO Liang3，WANG Jie1

(1. Key Laboratory of Ministry of Communications for Bridge Detection & Reinforcement Technology, School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, China; 2. School of Architecture, Chang’an University, Xi’an Shanxi 710064, China； 3. School of Civil Engineering and Architecture, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China； 4.School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China)

Abstract:The original drawings and load plans of one constructive rack of long-span continuous beam bridge are checked by using FEA software. Shortage of carrying capacity of this constructive rack is found. So, optimization design for this constructive rack is suggested to redesign the bowl buckle stents, bailey beams, Lateral support beams and steel tube columns. Then, the FEA software is used to check the strength and stability of every members of constructive rack. The following conclusions are obtained: on the premise of economy build price, the carrying capacity of optimized constructive rack is increased to meet the demands of construction. The optimization and checking method proposed in this paper, can provide some meaningful reference for other similar projects.

Key words:long-span continuous beam bridge; constructive rack; design; FEA

中圖分類號：U442.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.201505033

作者簡介：李宇(1982—)，男，福建福州人，長安大學(xué)副教授，碩士生導(dǎo)師，博士后，主要從事橋梁抗震及抗風(fēng)研究，E-mail: liyu@chd.edu.cn.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51408042)；陜西省教育廳專項(xiàng)科研項(xiàng)目(15JK1422)；西安市建設(shè)科技項(xiàng)目(SJW2014012)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究基金面上項(xiàng)目(2015JM5156)

收稿日期:2015-05-23；

修訂日期：2015-08-29

文章編號:1671-6833(2016)02-0077-05

引用本文：李宇，楊賜，李琛，等.大跨連續(xù)梁橋施工膺架的設(shè)計(jì)研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2016.37(2):77-81.