南通東快速路鋼管柱貝雷梁組合支架系統(tǒng)有限元分析

梁宇鶯

（中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司，河北 唐山 064000）

1 工程概況

南通東快速路高架工程為主城區(qū)快速路網(wǎng)“一環(huán)”中的東環(huán)，南起通滬大道，向北依次跨越世紀(jì)大道、洪江東路、青年路、通甲路、人民路、鐘秀路，北至江海大道，跨4條河流，全長6718.46m。全線共四對上下行匝道，分別設(shè)置在人民路、青年路和世紀(jì)大道。高架橋?yàn)殡p向六車道，主線橋梁標(biāo)準(zhǔn)斷面寬25.5m，加寬段橋面寬46m，匝道橋橋面寬8m。鉆孔灌注樁2190根，樁基直徑最大1.5m，最大樁長84m。矩形承臺(tái)316個(gè)。墩身316個(gè)，采用花瓶型橋墩、獨(dú)柱式花瓶墩、直立式橋墩?，F(xiàn)澆箱梁86聯(lián)，最大跨徑60m，標(biāo)準(zhǔn)段采用單箱四室大懸臂斜腹板箱梁，標(biāo)準(zhǔn)高度1.8米。新建地面道路全長4049m，主道雙向6車道，道路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面寬度為60m，雨水工程全長23906m。污水工程全長7706m。

其中跨人民路、通甲路采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁位于直線上，線路縱坡-7.0‰，中跨跨中斜交角度為22.4°。連續(xù)梁全長140m，計(jì)算跨度為40+60+40m，結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)為單箱單室、變高度、變截面結(jié)構(gòu)。梁體頂寬12.0m，底寬6.7m。中支點(diǎn)處梁高7.85m，跨中10m及邊跨15.75m直線段梁高為4.85m，梁底下緣按二次拋物線變化，邊支座中心線至梁端0.75m。頂板厚度除梁端附近外均為40cm，底板厚度40～120cm，按直線線性變化，腹板厚60～80cm、80～100cm，按折線變化，全聯(lián)在端支點(diǎn)、中跨跨中及中支點(diǎn)處共設(shè)5個(gè)橫隔板，橫隔板設(shè)過人孔洞。梁面設(shè)置頂寬3100mm的加高平臺(tái)，距梁端1.45m加高臺(tái)高15mm，其它區(qū)域加高平臺(tái)高65mm。根據(jù)施工現(xiàn)場地形特點(diǎn)，在高墩位置采用鋼管樁貝雷梁組合支架形式施工。

現(xiàn)澆混凝土橋梁支架的設(shè)計(jì)以安全可靠、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)合理為目的。在橋梁建設(shè)中，橋梁凈空較高的現(xiàn)澆箱梁一般采用鋼管柱貝雷梁組合支架系統(tǒng)進(jìn)行施工［1］。

由于支架屬于臨時(shí)性結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)單位不提供專門的設(shè)計(jì)圖紙，大多是施工單位自行設(shè)計(jì)。支架的設(shè)計(jì)和搭設(shè)往往憑借施工技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)或局部驗(yàn)算，因而在橋梁施工過程中存在著相當(dāng)大的事故隱患［2］。因此，對現(xiàn)澆混凝土臨時(shí)支架系統(tǒng)進(jìn)行全面的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究是非常必要的。

2 組合支架系統(tǒng)有限元分析

2.1 Midas/Civil大型通用有限元軟件

Midas/Civil軟件是一種通用有限元設(shè)計(jì)分析軟件，可以適用在橋梁、地下結(jié)構(gòu)、建筑、機(jī)場、港口、大壩等結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)中。

Midas/Civil軟件由兩大模式組成：前處理模式和后處理模式。

前處理模式包括建模、材料和截面定義、荷載施加、邊界條件施加、分析選項(xiàng)設(shè)置和計(jì)算求解功能。Midas/Civil的前處理只能建立有限元模型，不能建立幾何模型，即使是從Auto CAD導(dǎo)入的幾何模型，也是被直接轉(zhuǎn)換成桿系有限元模型。模型的修改也必須在前模塊進(jìn)行［3］。

后處理模塊包括計(jì)算結(jié)果輸出等功能，比如應(yīng)力云圖、位移、荷載-位移曲線等。

鋼管樁貝雷梁組合支架地基處理原則墩柱旁的鋼管柱直接支撐于基礎(chǔ)第二層承臺(tái)上，其他位置的鋼管柱在原地面清表后下挖2m，寬度6m，長度17m，20t振動(dòng)壓路機(jī)碾壓6～8遍，使表層地基承載力達(dá)到150kPa以上，施作120cm厚碎石土墊層，壓路機(jī)繼續(xù)碾壓，使地基承載力達(dá)到350kPa以上，再施作30cm厚C20混凝土墊層，墊層上基礎(chǔ)采用2.0×2.0×0.5m混凝土預(yù)制塊，采用預(yù)埋螺栓與鋼管柱連接。

鋼管樁貝雷梁組合支架采用Φ630×8mm鋼管柱、三拼I45a工字鋼組合橫梁及貝雷梁進(jìn)行搭設(shè)。鋼管柱在橫向間采用L63×63×4角鋼螺栓連接［4］。

縱梁上采用鋪設(shè)I20a工字鋼作為分配梁，分配梁采用等強(qiáng)連接形式進(jìn)行接長，在其上搭設(shè)WDJ型碗扣式支架以利于標(biāo)高的調(diào)整。本文中鋼管樁貝雷梁組合支架選擇跨度大、梁底凈空最大的第7聯(lián)進(jìn)行驗(yàn)算。

2.2 常用參數(shù)

支架體系所用的鋼管規(guī)格及力學(xué)性能見表1，支架體系所用的工字鋼、角鋼規(guī)格及力學(xué)性能見表2，模板、鋼筋、混凝土自重標(biāo)準(zhǔn)值及荷載分項(xiàng)系數(shù)如表3所示。

（1）Q235鋼管規(guī)格及力學(xué)性能

（2）工字鋼、角鋼規(guī)格及力學(xué)性能

表1 Q235鋼管規(guī)格及力學(xué)性能

表2 工字鋼、角鋼規(guī)格及力學(xué)性能

2.3 荷載計(jì)算

（1）荷載標(biāo)準(zhǔn)值及荷載分項(xiàng)系數(shù)。

按照J(rèn)TG/T F50-2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》

①新澆混凝土、鋼筋、預(yù)應(yīng)力筋或其他圬工結(jié)構(gòu)物的自重Q1：箱梁自重采用26.0kN/m3；分項(xiàng)系數(shù)：γi=1.2；

②箱梁內(nèi)模、底模、內(nèi)模支撐及外模支撐荷載，按均布荷載計(jì)算，經(jīng)計(jì)算取Q2=1.0kN/m2；分項(xiàng)系數(shù)：γi=1.2；

③施工人員及施工設(shè)備、施工材料等荷載Q3：采用1.0kN/m2；分項(xiàng)系數(shù)：γi=1.4；

④傾倒、振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的振動(dòng)荷載Q4：對底板采用2.0kN/m2；分項(xiàng)系數(shù)：γi=1.4；

⑤支架自重Q5；分項(xiàng)系數(shù)：γi=1.2；可由Midas有限元軟件自動(dòng)計(jì)算得出。

⑥結(jié)構(gòu)的重力加速度取10m/s2，恒載分項(xiàng)系數(shù)取1.2，活載分項(xiàng)系數(shù)取1.4。

（2）荷載組合。

表3 板、支架設(shè)計(jì)計(jì)算荷載組合

（3）支架布置形式。

南通東快速路高架工程跨人民路、通甲路采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁最大跨徑為60m，梁體截面高度2.2m，頂板厚度均為0.25m。梁底荷載分布寬度為9.5m，翼緣板荷載分布寬度為3.5m。鋼管樁采用Ф630×8mm的焊接鋼管，每孔鋼管樁縱向排距9m，共設(shè)置4排，每排鋼管樁橫向布置間距3.5m+3m+3m+3.5m。鋼管樁上橫向采用3拼I45工字鋼作為分配梁，縱向設(shè)置貝雷片，貝雷片采用16Mn鋼（Q345），屈服極限是345MPa，貝雷梁的上、下弦桿和加強(qiáng)弦桿均為2根10#槽鋼（背靠背），豎桿和斜桿為8#工字鋼，一榀貝雷梁的兩片之間采用支撐架連接，支撐架由63×63×4型號的角鋼聯(lián)接而成，其橫斷面布置如圖1所示。

圖1 高架橋第7聯(lián)箱梁鋼管樁貝雷梁支架布置圖（橫斷面）

2.4 計(jì)算模型

（1）模型建立。

貝雷梁有限元模型如圖2所示。

圖2 鋼管樁貝雷梁有限元模型

建立有限元模型時(shí)，以順橋向里程增大方向?yàn)閄軸正向，豎直向上為Z軸正向，Y軸正向按照右手規(guī)則確定。支架鋼管、方木、斜撐鋼管采用梁單元進(jìn)行模擬，模板采用板單元進(jìn)行模擬，貝雷梁橫向聯(lián)接的支撐架、及鋼管樁的橫聯(lián)采用桁架單元模擬，上部結(jié)構(gòu)箱梁荷載采用壓力荷載模擬。

（2）邊界條件。

分別取實(shí)心梁段與空心箱室梁段進(jìn)行有限元建模驗(yàn)算，驗(yàn)算時(shí)作用于模板上的均布荷載簡化為6部分，分別為翼緣板、邊腹板邊腹板倒角、空心箱室、中腹板倒角、中腹板位置的均布荷載。

鋼管頂部3拼I45工字鋼鋼管樁之間采用僅受壓的彈性聯(lián)接，工字鋼和貝雷片之間采用共節(jié)點(diǎn)。由于貝雷片每榀之間均為銷接，故采用梁端釋放約束來模擬，鋼管底部支撐平動(dòng)Dx，Dy，Dz方向全部約束，轉(zhuǎn)動(dòng)Rx，Ry，Rz方向非約束。

荷載傳遞方式：由平面板單元的壓力荷載傳遞給貝雷梁，再通過一般彈性連接傳遞給3拼I45工字鋼，再通過共用節(jié)點(diǎn)由工字鋼遞給下方的鋼管樁，鋼管樁底部設(shè)置相應(yīng)約束。

（3）貝雷梁強(qiáng)度檢算。

貝雷梁在荷載作用下的應(yīng)力云圖如圖3、圖4所示，最大應(yīng)力為185.1MPa，小于容許應(yīng)力235MPa，貝雷梁強(qiáng)度滿足要求。

（4）貝雷梁下拼工字鋼強(qiáng)度檢算。

貝雷梁下3拼I45工字鋼（Q235）的等效應(yīng)力云圖如圖5所示，最大等效應(yīng)力為74.3MPa，小于工字鋼允許應(yīng)力205MPa，工字鋼的強(qiáng)度滿足要求。

圖3 貝雷梁應(yīng)力云圖

圖4 貝雷梁等效應(yīng)力云圖

圖2-5 3拼I45工字鋼等效應(yīng)力云圖

（5）鋼管柱強(qiáng)度檢算。

3拼I45工字鋼下鋼管樁的等效應(yīng)力云圖如圖6所示，最大等效應(yīng)力為49.4MPa，小于鋼材容許應(yīng)力205MPa，鋼管樁的強(qiáng)度滿足要求。

圖6 鋼管樁等效應(yīng)力云圖

2.5 剛度檢算

貝雷梁在荷載作用下的豎向位移如圖7所示，最大豎向位移f1=7.38mm。

考慮到貝雷片之間采用銷釘連接，故考慮非彈性撓度f2，計(jì)算過程如下：

圖7 貝雷梁豎向位移

式中 n為單跨最大（9m）貝雷梁所含貝雷片數(shù)目，即n=9m/3m=3。

f=f1+f2=7.38mm+4mm=11.38mm＜l/400=9000 mm/400=22.5mm，故貝雷梁剛度滿足要求。

3拼I45工字鋼梁及鋼管樁的豎向位移如圖8所示，從圖8中可以看出工字鋼梁的最大豎向位移為3.42mm，小于跨度（3m）的1/400，故工字鋼梁的剛度滿足要求。

圖8 3拼I45工字鋼及鋼管樁豎向位移云圖

x方向（縱橋向）最大位移發(fā)生在第一孔第二片貝雷梁下弦桿與腹桿交匯處，x方向最大位移為1.1mm，如圖9。

圖9 鋼管樁支架整體橫向位移云圖

y軸方向（橫橋向）最大位移發(fā)生自貝雷梁下弦桿與腹桿交接的位置，在鋼管樁中間墩上方，y軸方向最大位移為1.15mm，如圖10。

從計(jì)算可以看出在剪刀撐的作用下，鋼管柱及貝雷梁的橫縱向位移很小，剪刀撐在發(fā)揮穩(wěn)定性方面具有重大作用。

圖10 鋼管樁支架整體縱向位移云圖

2.6 地基驗(yàn)算

明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)在強(qiáng)風(fēng)化巖層埋深較淺，地表水不豐富時(shí)使用，要求基底承載力滿足350 kPa。明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)使用C20砼。由圖11可以得到鋼管樁的支反力，各鋼管樁的支反力見表4、表5所示，基底平面尺寸為2×2m，表中基底最大反力是考慮了偏心距影響的基底壓力。

圖11 鋼管樁豎向反力圖

表4 各鋼管樁反力計(jì)算表

表5 各鋼管樁反力計(jì)算表

（1）基礎(chǔ)承壓驗(yàn)算。

根據(jù)有限元計(jì)算，鋼管樁底部最大反力F1為766.70kN。反力通過底部墊板傳遞至混凝土基礎(chǔ)，墊板尺寸為70×70cm，混凝土平均壓力為：

故基礎(chǔ)承壓滿足要求。

（2）地基承載力驗(yàn)算。

地基承載力：

Pz=（F1+Gk）/A=（766.70kN+29.3kN）/（2000mm×2000mm）=199kPa＜350kPa故地基承載力應(yīng)大于199kPa。

（3）鋼管樁穩(wěn)定性計(jì)算。

鋼管樁采用直徑為630mm，壁厚8mm鋼管。

鋼管樁按照兩端鉸接計(jì)算，長度系數(shù)取1.0，計(jì)算長度取10000mm。

查表得穩(wěn)定系數(shù)φ=0.866，鋼管支架立桿按軸心受壓進(jìn)行計(jì)算。

σ=N/φA=766700/（0.866×15632.6）=56.63MPa

小于鋼材的容許應(yīng)力值，鋼管滿足要求。

為加強(qiáng)鋼管支墩的剛度和整體穩(wěn)定性，在鋼管樁支墩中部處采用140mm槽鋼設(shè)置2道縱橫向連接（平聯(lián)高度2500mm）。

3 結(jié)束語

通過Midas有限元軟件對鋼管柱貝雷梁支架系統(tǒng)的計(jì)算，得到以下結(jié)論：

（1）強(qiáng)度：貝雷梁最大等效應(yīng)力為185.1MPa，三拼I45工字鋼最大等效應(yīng)力為74.3MPa，鋼管樁最大等效應(yīng)力為49.4MPa。

（2）剛度：貝雷梁最大豎向位移為7.38mm。

（3）地基承載力：各鋼管樁下混凝土平均壓應(yīng)力最大者為1.5647MPa，基底最大壓力為199kPa。

可見該支架體系分別滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及地基承載力四方面的要求。

當(dāng)前，國內(nèi)外專家學(xué)者對支架系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析和施工管理上的研究工作雖然做了一些研究，還存在著許多不足，系統(tǒng)還不夠完善。本文通過對南通東快速路高架工程跨人民路、通甲路采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁鋼管柱貝雷梁組合支架系統(tǒng)利用有限元軟件建立數(shù)學(xué)模型，對支撐架系統(tǒng)中的各個(gè)組成部分進(jìn)行了強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性分析，但因個(gè)人理論水平和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)有限，論文中不可避免的存在不足之處，展望下一步的工作，認(rèn)為對以下幾個(gè)方面還應(yīng)該做進(jìn)一步的研究和探索：

（1）在有限元分析中，對支架模型節(jié)點(diǎn)的模擬的選擇。文中把節(jié)點(diǎn)處理為半剛性接，利用剛性折減系數(shù)進(jìn)行模擬，還有必要通過有限元計(jì)算和實(shí)驗(yàn)對比來分析其可行性和準(zhǔn)確性。

（2）通過進(jìn)行支架系統(tǒng)極限承載力的現(xiàn)場試驗(yàn)，利用現(xiàn)場數(shù)據(jù)來驗(yàn)證理論計(jì)算方法的準(zhǔn)確性和可靠性，研究分析在橋梁施工過程中導(dǎo)致支撐架系統(tǒng)可能失穩(wěn)的模式和路徑，推動(dòng)支撐架系統(tǒng)承載力和穩(wěn)定性的理論發(fā)展。

［1］ 梁方. 基于Midas_Civil的現(xiàn)澆箱梁單跨雙層貝雷梁鋼管柱支架設(shè)計(jì)及檢算［J］. 工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2017（12）：20-23.

［2］ 劉旭偉. 貝雷梁便橋的檢算及安全使用方法［J］. 貴州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，26（01）：120-142.

［1］ 陳樹輝. 貝雷梁鋼橋的檢測與性能評估［J］. 福建建材，2017（06）：21-45.