現(xiàn)澆箱梁支架設(shè)計(jì)及Midas Civil 建模驗(yàn)算

朱洪明

(福建第一公路工程集團(tuán)有限公司，泉州 362000)

1 引言

現(xiàn)澆箱梁是常用的橋梁上部構(gòu)造結(jié)構(gòu)形式[1]，需搭設(shè)支架進(jìn)行施工； 工程中出現(xiàn)支架垮塌的事故屢見(jiàn)不鮮[2]，除搭設(shè)操作、外界客觀原因外，也有支架設(shè)計(jì)不合理的原因。隨著科研工作者對(duì)有限元的不斷研究，已將其廣泛應(yīng)用于多個(gè)工程領(lǐng)域[3-6]；在工程建設(shè)領(lǐng)域，Midas Civil 有限元分析軟件也常被應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)驗(yàn)算和臨時(shí)支架驗(yàn)算[7-10]；利用有限元分析軟件可以快速計(jì)算支架系統(tǒng)各桿件的受力狀態(tài)， 但如果在布置荷載時(shí)與實(shí)際受力存在較大偏差， 就將導(dǎo)致分析結(jié)果與支架的實(shí)際受力情況存在差異；軟件中布置的荷載越接近實(shí)際情況，分析計(jì)算的結(jié)果就越能作為施工的指導(dǎo)依據(jù)。

2 工程概況

某高速公路項(xiàng)目標(biāo)段內(nèi)設(shè)計(jì)有兩個(gè)落地互通， 互通匝道橋現(xiàn)澆箱梁共計(jì)19 聯(lián)，箱梁型式為普通鋼筋混凝土現(xiàn)澆箱梁。 跨徑16～16.5m，橋面寬度8.5～38.7m，箱梁高度1.4m， 翼板寬度1.6～1.75m， 箱梁腹板標(biāo)準(zhǔn)寬度為50cm，在跨中處設(shè)計(jì)有一道50cm 寬的橫隔板，橋位處墩高3.3～18m，大部分現(xiàn)澆橋位地質(zhì)均有厚淤泥層，淤泥層厚10～20m。

3 支架設(shè)計(jì)比選方案

底模、內(nèi)模均采用1.5cm 厚的竹膠板；底模下設(shè)置9cm×9cm 的橫向枕木，枕木間距為20cm；枕木放置在縱向的I10 工字鋼上。 支架斷面下方的設(shè)計(jì)比選方案如下：

方案一 鋼管樁貝雷支架

采用鋼管樁(P 529×8) 通過(guò)法蘭連接鋼管立柱(P 529×8)，鋼管立柱間距為2～4.6m，柱頂工字鋼(I50b)橫梁上搭設(shè)“321”型貝雷片主縱梁，腹板下的貝雷片采用2×45cm 貝雷組，箱室中心采用2×90cm 貝雷片組，翼板下采用1×150cm 貝雷片組；貝雷片上設(shè)置工字鋼(I 16)橫向分配梁(縱向間距1.2m)， 盤扣式鋼管(標(biāo)準(zhǔn)步距1m，橫隔板下的縱向間距為60cm，其余標(biāo)準(zhǔn)縱向間距為1.2cm，箱室底橫向間距為0.6、0.9m，翼板橫向間距0.9m)，底托支撐在I 16 橫向分配梁上。 貝雷梁不設(shè)坡度，箱梁的橫坡與縱坡均通過(guò)支架鋼管、方木、頂托等調(diào)整。

方案二 松木樁處理基礎(chǔ)配鋼管貝雷支架

設(shè)計(jì)為設(shè)置中支墩的兩小跨支架， 先采用松木樁對(duì)地基進(jìn)行局部處理，梅花型布置間距50cm，在處理地基上鋪設(shè)20cm 調(diào)平墊層后設(shè)置混凝土預(yù)制塊條形基礎(chǔ)(中支墩處寬度256cm，兩端處寬度為170cm，高度60cm)，鋼管立柱(P 529×8)立于條形基礎(chǔ)上，而后設(shè)置柱頂橫梁及貝雷支架(布置形式方案一)。

方案三 承插型盤扣式滿堂支架

鋼管(φ60×3.2)在橫隔板下的縱向間距為60cm，其余標(biāo)準(zhǔn)縱向間距為120cm； 箱室底的橫向間距為0.6、0.9m， 其 余 橫 向 間 距0.9m； 鋼 管 標(biāo) 準(zhǔn) 步 距 為1.5cm，每4～6 層設(shè)置一層水平斜桿；縱向斜桿滿布；硬化層基礎(chǔ)采用15cm 厚的C15 砼， 硬化層底回填60cm 以上的宕渣。

4 方案比選

基于施工工期、施工成本、施工難易程度等對(duì)支架方案進(jìn)行比選。 比選結(jié)果如表1 所示。

表1 支架方案比選表

項(xiàng)目部最終決定采用盤扣式滿堂支架法施工現(xiàn)澆箱梁。

5 支架建模驗(yàn)算

5.1 荷載分析

驗(yàn)算荷載一般有：上部結(jié)構(gòu)自重、模板重量、施工荷載、振搗混凝土產(chǎn)生的荷載、支架系統(tǒng)自重、風(fēng)荷載等。支架驗(yàn)算時(shí)，常將上部結(jié)構(gòu)自重簡(jiǎn)化為均布荷載進(jìn)行驗(yàn)算[11]；因箱室腹板與箱室空心段重量不同，箱室截面也存在漸變段，可知實(shí)際的上部結(jié)構(gòu)自重并非均布荷載，所以簡(jiǎn)化的均布荷載與實(shí)際受力存在一定偏差。 以橋?qū)?.5m、跨徑16m、墩高15m 為例；單跨混凝土方量85m3；硬化層基礎(chǔ)寬度11m，硬化厚度15cm；宕渣總厚度按不小于60cm 控制并整平壓實(shí)，填筑時(shí)分層填筑，每層厚度按不大于40cm 控制； 采用Midas Civil 有限元分析軟件建模驗(yàn)算，將箱梁平面圖導(dǎo)入到Midas Civil 中，根據(jù)不同的截面位置， 布置不同大小的荷載， 以力求接近實(shí)際受力。

表2 荷載取值表

分析支架強(qiáng)度時(shí)， 荷載組合按1.2×((1)+(2)+(3))+1.4×((4)+(5))。

5.2 建模驗(yàn)算及分析

5.2.1 建模方法

(1)建立整個(gè)支架的虛擬標(biāo)高系統(tǒng)，例如將梁底標(biāo)高假定為0.000m，再根據(jù)支架系統(tǒng)計(jì)算各層構(gòu)件的標(biāo)高；

(2)在CAD 平面圖中畫(huà)出所涉及的現(xiàn)澆箱梁邊界、墩柱、承臺(tái)、系梁、箱室腹板線、方木、型鋼、水平桿等線條，分圖層，在圖層前加上虛擬標(biāo)高，以便導(dǎo)入時(shí)輸入Z 坐標(biāo)參數(shù)；

(3)將CAD 另存為DXF 文件，導(dǎo)入Midas Civil 中，選擇材料、截面，輸入Z 坐標(biāo)參數(shù)，生成各層單元；

(4)補(bǔ)充建立豎向單元、斜向單元及軟件未能自動(dòng)識(shí)別的單元，定義節(jié)點(diǎn)連接形式，定義支承；

(5)布置荷載，分割板單元，設(shè)定荷載組合，運(yùn)行分析。

5.2.2 建模過(guò)程要點(diǎn)

(1) 將CAD 導(dǎo)入Midas Civil 中時(shí)， 注意明確腹板位置、截面變化位置，并畫(huà)出方木的布置線；

(2)已畫(huà)出的方木布置線將平面圖劃分成若干個(gè)區(qū)域，用多段線將CAD 中各區(qū)域連成閉合的區(qū)域線，將腹板、翼板、箱室、變化段區(qū)域歸集在各自專用的圖層，在Midas Civil 中定義竹膠板厚度的若干個(gè)虛擬板單元與圖層一一對(duì)應(yīng)，材料參數(shù)按照竹膠板力學(xué)參數(shù)[12]輸入；

(3)根據(jù)箱室截面位置選用均布?jí)毫奢d、梯形壓力荷載的形式，根據(jù)截面混凝土高度計(jì)算荷載后，以相應(yīng)的形式布置荷載；

(4)將虛擬板單元進(jìn)一步分割成若干個(gè)小單元，沿著方木布置方向的分割間距一般可以按10cm 控制， 垂直于方木的方向可按照4 等分控制；

圖1 翼緣板砼荷載示意圖

圖2 箱室空心部分砼荷載示意圖

圖3 腹板、橫隔板、梁端砼荷載示意圖

圖4 變截面段砼荷載示意圖

(5)將水平荷載換算成線荷載，作用于側(cè)面立桿上，q=0.3×1.2=0.36kN/m。

5.2.3 支架建模驗(yàn)算結(jié)果

軟件計(jì)算方木應(yīng)力σ壓max=4.6MPa，σ拉max=5.2MPa；I10 工字鋼應(yīng)力σ壓max=61.4MPa，σ拉max=60MPa。

圖5 方木彎曲應(yīng)力示意圖(單位：kPa)

圖6 I10 彎曲應(yīng)力示意圖(單位：kPa)

圖7 立桿應(yīng)力示意圖(單位：kPa)

圖8 水平桿應(yīng)力示意圖(單位：kPa)

軟件計(jì)算立桿應(yīng)力σ壓max=100.5MPa，σ拉max=14.9MPa；水平桿應(yīng)力σ壓max=21.1MPa，σ拉max=19.8MPa。

軟 件 計(jì) 算 豎 向 斜 桿 應(yīng) 力σ壓max=35.7MPa，σ拉max=10.8MPa；水平斜桿應(yīng)力σ壓max=6.5MPa，σ拉max=9.4MPa。

圖9 豎向斜桿應(yīng)力示意圖(單位：kPa)

圖10 水平斜桿應(yīng)力示意圖(單位：kPa)

5.2.4 軟件計(jì)算結(jié)果分析

(1)軟件計(jì)算的鋼管壓應(yīng)力值σ 分析

軟件自動(dòng)計(jì)算的以上鋼管的壓應(yīng)力值σ， 計(jì)算公式應(yīng)為σ=N/A，驗(yàn)證如下：

力學(xué)模型見(jiàn)圖11。

圖11 力學(xué)模型

建立模型分析應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖12。

圖12 力學(xué)模型計(jì)算應(yīng)力圖(單位：kPa)

模型中的鋼管φ60mm×3.2mm 的截面積A=0.000571m2，N=30kN，N/A=52.54MPa， 與軟件自動(dòng)計(jì)算的應(yīng)力數(shù)值相同； 由此可以判斷， 該模型軟件自動(dòng)計(jì)算的鋼管壓應(yīng)力σ=N/A。

(2)依據(jù)軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步分析

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[13]的表4.3.9-1 和表4.3.9-2 對(duì)方木(南方松TC15A) 的設(shè)計(jì)強(qiáng)度值進(jìn)行調(diào)整， 抗彎強(qiáng)度f(wàn)m=15×0.9×1.1=14.85MPa，順紋抗壓強(qiáng)度f(wàn)c=13×0.9×1.1=12.87MPa。

規(guī)程[14]要求桿件穩(wěn)定性需滿足N/(ψA)≤f ，依據(jù)公式5.3.2-1 和5.3.2-2 計(jì)算立桿長(zhǎng)細(xì)比如下：

取k=0.7，a=0.65m，η=1.2，h=1.5m，h′=1m。 計(jì) 算 得ι01=1.8m，ι02=1.91m，

ι0=Max(ι01，ι02)=1.91m

最小回轉(zhuǎn)半徑i=0.0201m

立桿長(zhǎng)細(xì)比λ=ι0 / i=95， 查附錄D-2， 得穩(wěn)定系數(shù)ψ=0.512

水平桿ι0=1.2m，i=0.0109m，λ=110， 套查附錄D-1，得穩(wěn)定系數(shù)ψ=0.516

豎向斜桿ι0=1.92m，i=0.0109m，λ=176，套查附錄D-1，得穩(wěn)定系數(shù)ψ=0.23

水平斜桿ι0=1.7m，i=0.0109m，λ=156， 套查附錄D-1，得穩(wěn)定系數(shù)ψ=0.287

進(jìn)一步分析匯總?cè)绫?：

另經(jīng)計(jì)算分析，支架構(gòu)件強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、硬化層強(qiáng)度、厚度、宕渣層和基底承載力均滿足要求，因篇幅限制，此處不詳述。

6 結(jié)語(yǔ)

表3 滿堂支架部分構(gòu)件拉、壓應(yīng)力分析表

筆者結(jié)合某項(xiàng)目現(xiàn)澆箱梁支架方案設(shè)計(jì)， 進(jìn)行方案比選，并利用Midas Civil 建立支架模型，闡述了一種較為實(shí)用的建模方法，相比傳統(tǒng)的簡(jiǎn)化荷載，此法更加接近實(shí)際受力；但需注意，不能簡(jiǎn)單的將軟件計(jì)算的鋼管應(yīng)力數(shù)值直接與設(shè)計(jì)強(qiáng)度進(jìn)行比較， 而是需要進(jìn)一步結(jié)合桿件的長(zhǎng)細(xì)比、穩(wěn)定系數(shù)判斷桿件穩(wěn)定性是否符合要求。該盤扣式滿堂支架在軟件中建模計(jì)算的結(jié)果， 成功地為現(xiàn)場(chǎng)施工提供了指導(dǎo)；并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的施工驗(yàn)證，支架架體保持完好，地基沉降也達(dá)到要求范圍內(nèi)?，F(xiàn)澆箱梁在設(shè)計(jì)中較為常用，支架方案選用時(shí)，往往需要結(jié)合項(xiàng)目工期、施工成本等因素進(jìn)行分析；在支架驗(yàn)算時(shí)，可采用手工計(jì)算、有限元分析軟件計(jì)算；隨著科技的飛速發(fā)展，有限元分析軟件在工程建設(shè)領(lǐng)域必將得到更廣泛的應(yīng)用。