懸空托架施工工藝與有限元分析研究

方博夫

(長沙交通投資控股集團(tuán)有限公司， 湖南 長沙　410014)

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懸空托架施工工藝與有限元分析研究

方博夫

(長沙交通投資控股集團(tuán)有限公司， 湖南 長沙410014)

采用懸空托架法施工可以解決山區(qū)復(fù)雜地勢高墩連續(xù)剛構(gòu)橋現(xiàn)澆段施工支架搭設(shè)不便的難題，施工過程高效、安全、簡易。探討了懸空托架在邊跨現(xiàn)澆段的施工工藝，并對其進(jìn)行應(yīng)力和變形有限元分析，為工程實(shí)際提供設(shè)計(jì)參考，為相似工程提供借鑒。

現(xiàn)澆段; 懸空托架; 施工工藝; 有限元分析

1　概述

這些年橋梁問題頻發(fā)，其中有關(guān)支架的就有很多。人們很少意識到支架的受力問題，或許只是單單從理論上研究它，很難和實(shí)際工程相結(jié)合，導(dǎo)致一系列問題的出現(xiàn)。所以進(jìn)行全面的支架研究，尋找對實(shí)際問題的解決方案，為合理的支架施工提供方向，這樣研究是非常具有意義的[1]。本文就某連續(xù)剛構(gòu)橋現(xiàn)澆段采用的[1]懸空托架進(jìn)行施工工藝和有限元分析，對類似地形下橋梁施工和設(shè)計(jì)分析具有一定的參考價(jià)值。

2　懸空托架的主要特點(diǎn)

2.1懸空托架的優(yōu)點(diǎn)

① 懸空的托架歸為懸空的結(jié)構(gòu)，這種懸空的施工方法具體操作是先形成支撐的主體，主體是由鋼結(jié)構(gòu)拼湊然后電焊成的牛腿，再在上部搭起分配的梁，一共兩層，成為施工的平臺。無需搭設(shè)支架，與其它落地式支架相比，對地勢復(fù)雜的山區(qū)和高墩橋梁施工具有明顯的優(yōu)勢

② 懸空托架采用型鋼拼裝焊接，結(jié)構(gòu)簡單，既能保證結(jié)構(gòu)受力合理、安全合理，而且可以使施工的質(zhì)量更好，項(xiàng)目的進(jìn)度更快，項(xiàng)目的成本更低，使工作量急速降低，使工作人員的工作強(qiáng)度減小[2]。

2.2懸空托架的形式特征

托架構(gòu)造采取牛腿托架，這種形式體積不大，構(gòu)造受力合理，在設(shè)計(jì)方面比較全面，而材料大多采用鋼材，方便施工。

一側(cè)的托架使用三根牛腿的托架一樣的距離放置，每一片的托架間有橫向連接的元件，多是鋼結(jié)構(gòu)焊接形成的。托架主要受力部位使用I32b鋼，且是工字電焊形成，一共上下兩部分，一部分是桁架，主要負(fù)責(zé)傳導(dǎo)力，另一部分是牛腿，主要負(fù)責(zé)支撐，這部分和橋墩有兩個(gè)連接部位，都要布置預(yù)埋件，通過電焊聯(lián)系起來，錨固點(diǎn)是主要受力部位，所以需要對這個(gè)地方的構(gòu)造形式和大小進(jìn)行控制，實(shí)際施工的質(zhì)量也需要控制。一部分連接的點(diǎn)用兩排6根φ20 mm的鋼與20 mm板電焊連接，有一個(gè)方向的力；另一部分為預(yù)先埋置的斜向支撐的，使用20 mm的板，尺寸400 mm×320 mm?，F(xiàn)在在牛腿的里面加上一部分I320的橫向梁，為了防止上面的桁架導(dǎo)向一邊，所以最后需要形成一個(gè)整體[3]。

托架的最上面使用雙層的分配梁來均勻的分擔(dān)力，一層采用I200 mm的工字鋼，這些梁主要做一個(gè)方向力的分擔(dān)，另外一層使用兩個(gè)I400 mm的工字鋼做另外一個(gè)方向的力的分擔(dān)?，F(xiàn)澆的部分里外模板都使用竹膠的板，底板鋪設(shè)10 cm×10 cm及12 cm×15 cm方木，梁體內(nèi)外使用鋼管扣件支架支撐模板(見圖1，圖2)。

圖1　懸空托架布置側(cè)面圖Figure 1　The side view of impending bracket

圖2　懸空托架布置正面圖Figure 2　The front view of impending bracket

3　懸空托架施工工藝流程[4]

3.1總體施工流程

總體施工工藝流程如圖3所示。

圖3　總體施工流程圖Figure 3　The general construction flow chart

3.2施工重點(diǎn)

邊跨的現(xiàn)澆段在實(shí)際操作澆筑時(shí)，懸空的托架承擔(dān)大部分的力，而在合攏時(shí)，荷載是由兩部分分擔(dān)的，包括掛籃還有托架。并且截面是非對稱的，有部分伸出，這部分不斷加長，恒載不斷加大，引起扭矩也不斷加大，同時(shí)在截面上會發(fā)生扭轉(zhuǎn)的變形，剪切應(yīng)力不斷加大，影響結(jié)果的準(zhǔn)確性，故在進(jìn)行實(shí)際施工的過程中，對托架進(jìn)行預(yù)先的加壓是特別重要的，這也同時(shí)影響施工和受力的準(zhǔn)確性，還要保證與引橋和合理連接。所做的一切都是為了保證橋梁的安全運(yùn)營。預(yù)先加壓是為了：

① 檢測托架各個(gè)部分的穩(wěn)定性，抗壓抗拉強(qiáng)度，還有整體的剛度，推斷出這些托架連接是否是正確的；

② 托架自身會有各種變形，為了使結(jié)構(gòu)不要出現(xiàn)非線性的變形，同時(shí)需要得到彈性變形值，以防在實(shí)際的操作過程中發(fā)生特別大的豎向的變位，對橋梁整體的形狀也會有形象，同時(shí)影響結(jié)構(gòu)的實(shí)際使用[5]。

4　設(shè)計(jì)參數(shù)[6]

① 計(jì)算參數(shù)。

② 荷載取值。

荷載組成：

托架的設(shè)計(jì)荷載包括托架自重、鋼筋混凝土的自重(取26 kN/m3)；模板支架的自重按2.5 kN/m2取值；施工荷載取1.5 kN/m3；砼澆筑時(shí)候振動荷載系數(shù)取1.2。

③ 設(shè)計(jì)荷載值。

墩柱偏位由2部分形成，一部分實(shí)體結(jié)構(gòu)和外面的部分，墩柱上面的部分荷載大：墩柱外面的部分：

G1=26 kN/m3×18.554 m2×1.29 m=

622.30 kN；

墩柱外測部分：

RA=471.5 kN，RB=460.2 kN；

墩柱偏心距為：

M=622.30 kN×0.66 m+471.5 kN×1.48 m+

460.2 kN×3.5 m=2 719.24 kN×m；

墩柱外側(cè)配載：

G1=2 719.24 kN×m/2.4 m=1133.02 kN。

5　懸空托架有限元分析

5.1懸空托架整體模型的建立[7]

根據(jù)以上參數(shù)值，選擇梁單元建模，截面為型鋼截面，將設(shè)計(jì)荷載值轉(zhuǎn)換為梁單元(連續(xù))均布荷載分別施加在19根縱梁上。模型如圖4所示：

圖4　懸空托架模型Figure 4　The model of impending bracket

5.2應(yīng)力分析

① 正應(yīng)力分析[8]。

托架正應(yīng)力等值線如圖5所示。

圖5　正應(yīng)力等值線圖(單位: kN/m2)Figurre 5　The contour map of normal stress (unit:kN/m2)

根據(jù)圖5得，托架的MAX壓應(yīng)力為103 MPa，MAX拉應(yīng)力為32.4 MPa，產(chǎn)生在連接的地方的托架鋼結(jié)構(gòu)使用Q235，安全的系數(shù)K為[w]/σ等于145/103等于1.4大于1.3。

② 剪應(yīng)力分析。

在單元局部坐標(biāo)軸x、y兩個(gè)方向都產(chǎn)生剪應(yīng)力，取主軸截面。由托架剪應(yīng)力等值線圖(見圖6)可知，托架最大剪應(yīng)力為42.39 MPa 。MAX剪切應(yīng)力產(chǎn)生牛腿和橫向支架的連接部位。托架的鋼結(jié)構(gòu)使用Q235，安全系數(shù)K=[τ]/τ=85/42.39=2.0>1.3,符合要求。

圖6　剪應(yīng)力等值線圖(單位： kN/m2)Figure 6　The contour map of shear stress(unit: kN/m2)

③ 組合應(yīng)力分析(見圖7)。

由圖7可知：軸向和彎矩共同作用產(chǎn)生的最大組合拉應(yīng)力為111.0 MPa，MAX壓應(yīng)力為107.7 MPa。都比Q235鋼的允許應(yīng)力145 MPa小。

圖7　托架組合應(yīng)力等值線圖(單位： kN/m2)Figure 7　　　　The bracket’s contour map of combined stress (unit:kN/m2)

5.3變形形狀分析

規(guī)范中有關(guān)的驗(yàn)算，關(guān)于支架和模板的剛度，有一些要求：這些結(jié)構(gòu)受荷載作用時(shí)，彈性的撓度是相關(guān)的結(jié)構(gòu)計(jì)算跨性的四百分之一。

由圖8得：外面豎向的梁，MAX撓度在0.44 mm和4.8 mm中間，4.8 mm<2*2/700 m等于5.72 mm，是符合相應(yīng)砼梁底下形狀要求。橋梁豎向和橫橋向MAX位移是2.9 mm、1.28 mm，滿足要求。

圖8　托架的下?lián)蠄D(單位： cm)Figure 8　The bracket’s deflection map (unit: cm)

橫向梁伸出部分太長，承擔(dān)的力比較大，橫梁懸臂末端下?lián)陷^大，為了更好的控制下?lián)?，方便立模?biāo)高的確定，選用I50雙拼工字鋼作為橫梁最大下?lián)蟽H為12 mm[9](見圖9)。

圖9　托架橫梁下?lián)蠈Ρ葓DFigure 9　The comparison map of bracket beam’s deflection

5.4整體穩(wěn)定性分析[10]

結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性分析是長期備受關(guān)注的問題，有許多的原因造成形式整體的支撐能力改變，像形狀、幾何和材料非線性、加載的位置等。實(shí)際施工時(shí)，必須要第一個(gè)想到整體的穩(wěn)定性是否受力作用的影響。線形的屈曲會對我們的估計(jì)產(chǎn)生影響，同時(shí)也會得到不利狀態(tài)的樣子，這樣我們會根據(jù)實(shí)際的狀態(tài)來進(jìn)行判斷。

這里會對整體進(jìn)行一階的分析[11]，得到它的失穩(wěn)時(shí)候的狀態(tài)，同時(shí)得到54.18的系數(shù)，為臨界的荷載系數(shù)，代表54.18倍數(shù)的力加載在結(jié)構(gòu)上，這時(shí)實(shí)際狀態(tài)和理論狀態(tài)是一致的，圖10所示為一個(gè)方向的屈曲，是作用力大的時(shí)候發(fā)生的。一般結(jié)構(gòu)的臨界荷載系數(shù)大于5即能滿足穩(wěn)定要求，54.180大于5，穩(wěn)定能力比較好，能夠滿足承載要求。

圖10　屈曲模態(tài)1Figure 10　The buckling mode 1

分析得出，托架的受力比較好，滿足規(guī)范，故結(jié)構(gòu)形式也比較好，能夠滿足安全性與適用性的要求。

6　結(jié)論

本文探討了懸空托架的優(yōu)點(diǎn)和構(gòu)造特點(diǎn)，并總結(jié)出其施工工藝流程，并突出了施工重點(diǎn)，采用有限元軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力、變形和穩(wěn)定性分析，得出其符合設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

本文通過懸空托架在一座山區(qū)高墩連續(xù)剛構(gòu)橋的應(yīng)用和有限元分析，論證了該結(jié)構(gòu)可以取代落地式橋梁支架施工，對于山區(qū)河谷等復(fù)雜地勢下施工具有很大的適應(yīng)性和可靠性，可為類似工程施工提供借鑒。

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Impending Bracket Construction Craft and the Finite Element Analysis and Investigation

FANG Bofu

(Changsha Communication Investment Holding Group Co., Ltd， Changsha, Hunan 410014, China)

The impending bracket construction method can solve the problem of construction support build-up in cast-in-site segments of continuous rigid frame bridge with high piers in the complex mountainous terrain, and make the construction process efficient, safe and simple. This paper discusses the construction craft of impending brackets in cast-in-site segments at the side spans, and carries on the stress and deformation finite element analysis, to provide reference for practical design, and reference for similar projects.

cast-in-site segments; Impending bracket; construction technology; finite-element analysis

2016 — 07 — 07

方博夫(1980 — )，男，湖南岳陽人，工程師，主要從事工程項(xiàng)目管理。

U 44.45

A

1674 — 0610(2016)04 — 0176 — 04