寬幅多室連續(xù)梁橋滿堂支架結(jié)構(gòu)受力分析

范 啟 明

(中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采氣廠工程項(xiàng)目管理室，陜西 榆林 718500)

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寬幅多室連續(xù)梁橋滿堂支架結(jié)構(gòu)受力分析

范 啟 明

(中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采氣廠工程項(xiàng)目管理室，陜西 榆林 718500)

利用有限元軟件，建立了某寬幅多室連續(xù)梁橋滿堂支架模型，從支架系統(tǒng)的力學(xué)及變形行為方面，分析了支架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性，從而保證了整個(gè)支架結(jié)構(gòu)的安全性。

多室連續(xù)梁，滿堂支架結(jié)構(gòu)，受力分析

隨著混凝土的不斷推廣應(yīng)用，從而在橋梁結(jié)構(gòu)施工方法方面進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)，其中滿堂支架施工因具有施工方便，靈活、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)已被大量應(yīng)用于工程領(lǐng)域，并以滿堂支架施工為研究對(duì)象形成大量文獻(xiàn)[1-3]。支架是橋梁在施工過程中的臨時(shí)結(jié)構(gòu)，同時(shí)其對(duì)結(jié)構(gòu)的支承屬于多節(jié)點(diǎn)受力支承，確保承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)施工過程中所傳遞的荷載，從而將荷載傳至地基，故要求地基須有足夠的承載力，且要求全部支點(diǎn)均勻下沉，以預(yù)防梁體因?yàn)椴痪鶆蛳鲁翆?dǎo)致開裂[4，5]。對(duì)于施工過程中支架受上部傳遞的荷載較大，同時(shí)保證支架的安全，進(jìn)而要求其設(shè)計(jì)布局較為適當(dāng)，且滿足支架的承載能力。

目前針對(duì)滿堂支架施工方法做了相關(guān)研究，如張鵬等人[6]引入“混凝土為理想的流體材料，且忽略其間的剪應(yīng)力”的假設(shè)，并以此為基礎(chǔ)提出連續(xù)箱梁滿堂支架的設(shè)計(jì)計(jì)算方法；劉華等人[7]主要結(jié)合實(shí)際工程采用預(yù)壓等試驗(yàn)，消除支架的非彈性變形以測(cè)量支架的彈性變形；高建華等人[8]運(yùn)用有限元分析建立滿堂支架的空間計(jì)算模型，并對(duì)承載力、穩(wěn)定性等進(jìn)行驗(yàn)算。但是上述研究未涉及寬幅多室箱梁滿堂支架施工的分析，并未將理論計(jì)算與有限元分析結(jié)合起來，因此，本文以某在建工程作為研究背景，分析了寬幅連續(xù)梁橋滿堂支架系統(tǒng)的受力情況。

1 工程概況

現(xiàn)澆箱梁具有受力整體性強(qiáng)、剛度大、線性易控制等優(yōu)點(diǎn)，越來越多的橋型采用支架整體現(xiàn)澆的施工方式。由于該橋梁箱梁橫向?qū)挾扰c自重較大，同時(shí)采用滿堂支架符合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，安全可靠。該橋梁主橋采用滿堂支架現(xiàn)澆方式進(jìn)行施工，其跨徑布設(shè)為5×40 m的等截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，截面形式為單箱七室，橫隔梁分別設(shè)在中支點(diǎn)、邊支點(diǎn)上，箱梁的頂?shù)装寰€性呈直線形式。

2 支架構(gòu)造設(shè)計(jì)

本橋箱梁底最大凈空為5.0 m，滿堂支架所采用的立柱鋼管尺寸為φ48×2.8 mm，其所布設(shè)的立桿縱向距離、立桿橫向距離見圖1。其中，a為立桿縱向距離，其在跨中截面處的數(shù)值為90 cm，梁段截面處的數(shù)值為60 cm；b為立桿橫向的距離，其值為60 cm。

3 支架理論計(jì)算及驗(yàn)算

3.1 木枋驗(yàn)算

為了保證木枋能承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)的荷載，其布設(shè)方式為松木單層進(jìn)行施工。以0.6 m跨徑腹板處采用跨徑為0.6 m的梁對(duì)腹板處的承載能力進(jìn)行驗(yàn)算，支點(diǎn)中心間距60 cm，橫橋方向中心間距為20 cm，其截面特性值如表1所示。

通過理論計(jì)算其縱向木枋應(yīng)力值為3.78 MPa，撓度為0.031 cm，橫向木枋應(yīng)力值為11.3 MPa，撓度為0.094 cm，均滿足要求。

表1 木枋截面特性值

3.2 橫桿穩(wěn)定驗(yàn)算

橫桿的端頭分別以鉸接的形式進(jìn)行約束，其所受到的水平力可忽略不計(jì)。橫桿承擔(dān)部分由上部結(jié)構(gòu)傳遞下來的荷載以及自重，同時(shí)其結(jié)構(gòu)驗(yàn)算以0.9 m的梁進(jìn)行計(jì)算。

在驗(yàn)算橫桿的承載能力時(shí)，應(yīng)以其所處的最不利條件進(jìn)行加載，即在橫桿跨中施加一個(gè)集中力進(jìn)行驗(yàn)算。其橫桿最大彎矩計(jì)算可得為0.375 kN·m，計(jì)算所得容許最大彎矩為668 kN·m，穩(wěn)定性滿足要求。

4 有限元計(jì)算對(duì)比分析

為了在箱梁施工過程中保證支架有足夠的安全性及穩(wěn)定性，同時(shí)要確保在施工過程中支架不產(chǎn)生較大的沉降，故支架分析具有一定的重要性。本文利用Midas/Civil有限元軟件進(jìn)行建模分析，模型中采用均桁架單元模擬支架結(jié)構(gòu)，采用梁?jiǎn)卧M方鋼及方木，支架底部的約束方式為豎向約束，同時(shí)將箱梁自重、施工荷載等荷載均勻分布于模板上。

4.1 支架承載力分析

根據(jù)有限元模型計(jì)算得出支架在荷載作用下其立柱軸向應(yīng)力在支座處應(yīng)力較跨中處小。其計(jì)算結(jié)果相較于理論計(jì)算都偏小，但是都均小于205 MPa，因此其結(jié)果滿足支架穩(wěn)定性的要求。根據(jù)Midas有限元計(jì)算結(jié)果，并同時(shí)選取一跨作為剪力撐的分析能得出在跨中位置中橫橋向由于風(fēng)荷載等水平荷載的存在，因而剪力撐起到支撐作用，確保支架整體受力。剪力撐最大拉應(yīng)力發(fā)生在跨中支架底部，其應(yīng)力值為39.1 MPa，同時(shí)剪力撐最大壓應(yīng)力發(fā)生在靠近端橫梁截面底部的位置，其應(yīng)力值達(dá)到107.1 MPa，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足要求，主要是由于在端橫梁處其豎向荷載較大，而水平荷載導(dǎo)致部分剪力撐桿件出現(xiàn)拉應(yīng)力，因此從剪力撐的受力情況進(jìn)一步得出其對(duì)于支架整體受力性能起著重要作用。對(duì)有限元模型進(jìn)行分析得出在荷載作用下其支架結(jié)構(gòu)發(fā)生線彈性變化，其最大變形值為1.12 cm。參考規(guī)范得知驗(yàn)算支架的剛度的條件是其最大變形值不得超過計(jì)算跨徑的l/400為10 mm，且支架結(jié)構(gòu)寬度較大，其立桿的最大高度基本為5 m，因此支架系統(tǒng)縱向及橫向變形不大，故支架滿足變形要求。

4.2 底模板及方木承載力分析

根據(jù)竹膠板的力學(xué)特性，通過建立材料的力學(xué)特性，以板單元連接各節(jié)點(diǎn)模擬底模板進(jìn)行面加。由此有限元分析結(jié)果得出，其受力較為均勻，最大應(yīng)力為5.19 MPa，與理論計(jì)算偏差達(dá)到180%，其撓度最大值0.029 cm，相比于理論計(jì)算偏差為81.25%，出現(xiàn)于個(gè)別位置上，計(jì)算所得結(jié)果高于理論計(jì)算結(jié)果，但是從有限元分析結(jié)果可以看出箱梁底部模板的應(yīng)力基本都在1.62 MPa左右，相較于理論計(jì)算偏差為13.22%，其撓度基本在0.014 cm左右，與理論計(jì)算偏差為12.5%，而出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象主要原因是施工工程中底模板與方木的受力有傳遞過程，而有限元模擬無法精確模擬出來，只能將底模板方木連接在一起共同受力，因此造成一定的偏差，但應(yīng)力都小于12 MPa，滿足安全性的要求。根據(jù)方木的力學(xué)特性，建立相同特性的材料，采用梁?jiǎn)卧姆椒ń?。采取梁?jiǎn)卧M方木，縱向方木有限元計(jì)算結(jié)果最大值6.63 MPa，與理論計(jì)算偏差為75.40%，其撓度最大值為0.047 cm，與理論計(jì)算偏差為51.61%，同時(shí)橫向方木有限元計(jì)算結(jié)果最大值5.06 MPa，與理論計(jì)算偏差為55.22%，其撓度最大值為0.058 cm，與理論計(jì)算偏差為38.3%，因?yàn)閷⒖v向方木與橫向方木節(jié)點(diǎn)處共同連接受力，導(dǎo)致縱向方木有限元計(jì)算值與理論計(jì)算值偏大，而橫向方木有限元計(jì)算值與理論計(jì)算值偏小，但是其結(jié)果均小于12 MPa達(dá)到其安全性的要求。

5 結(jié)語

通過理論計(jì)算及有限元分析可以得出以下結(jié)論：1)理論計(jì)算結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果的變化規(guī)律對(duì)應(yīng)一致，驗(yàn)證了有限元分析的可行性。2)支架立柱理論計(jì)算結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果的偏差都在合理范圍內(nèi)，各位置處的偏差基本小于10%，同時(shí)在荷載作用下支架的最大彈性變形為1.12 cm，遠(yuǎn)小于規(guī)范所計(jì)算的控制最大變形值，故滿堂支架采用有限元模擬分析偏安全，確保支架系統(tǒng)是穩(wěn)定的。3)剪力撐在荷載的作用下出現(xiàn)最大壓應(yīng)力為107.1 MPa，最大拉應(yīng)力為39.1 MPa，均滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，其主要作用保證支架在水平荷載下支架系統(tǒng)的受力整體性，因此剪力撐在支架系統(tǒng)中起一定的作用。4)底模板與方木傳遞上部結(jié)構(gòu)帶來的荷載，在模擬過程中以梁?jiǎn)卧探Y(jié)模擬會(huì)造成一定的偏差，但是都在強(qiáng)度及剛度范圍內(nèi)，所以其有限元計(jì)算結(jié)果是可行的。

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Stress analysis of scaffold support structure of wide multiple-chamber continuous beam bridge

Fan Qiming

(ChinaPetroleumChangqingPetroleumBranchCompany1stGasProducingEngineeringProjectDepartment,Yulin718500,China)

The paper uses finite element software, establishes scaffold support model of wide multiple-chamber continuous beam bridge. Starting from aspects of mechanical and deformation behavior of support system, it analyzes the support structure strength, rigidity and stability, so as to guarantee the security of the integral support structure.

multiple-chamber continuous beam, scaffold support structure, stress analysis

1009-6825(2016)05-0201-02

2015-12-01

范啟明(1980- )，男，工程師

U441

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