大節(jié)段鋼箱梁鋼管柱支架設(shè)計(jì)

王 剛

(中國(guó)建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450004)

1 工程概況

鋼箱梁具有強(qiáng)度高、重量輕、整體性好、便于工廠(chǎng)化制作等特點(diǎn)，現(xiàn)大跨徑橋梁越來(lái)越多采用鋼箱梁形式。本文結(jié)合一市政跨路橋梁鋼箱梁支架設(shè)計(jì)進(jìn)行了論述。在鋼箱梁橋吊裝施工過(guò)程中，需要臨時(shí)支架支撐各個(gè)分塊，然后焊接成整體來(lái)完成最后的施工過(guò)程。為保證某跨路鋼箱梁的施工安全，對(duì)鋼箱梁臨時(shí)支架安全性進(jìn)行分析?，F(xiàn)場(chǎng)采用鋼立柱、H型鋼、角鋼等相互連接的方法構(gòu)建臨時(shí)支架，用MIDAS Civil進(jìn)行仿真分析，用極限狀態(tài)法驗(yàn)算臨時(shí)支架受力及變形，分析得到臨時(shí)支架應(yīng)力和變形情況，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

工程實(shí)例為市政橋梁鋼箱梁施工項(xiàng)目，本橋上跨一道路。橋梁跨徑布置為(50+80+50)m，橋?qū)挒?0 m，鋼箱梁采用連續(xù)變高粱，梁高2.3～3.6m，懸臂長(zhǎng)度1.55 m，懸臂根部厚0.45m。橫橋向設(shè)置2%的單向橫坡，最大梁段長(zhǎng)度18.792 m，最大梁段重64 853.4 kg。鋼箱梁臨時(shí)支撐體系采用Q235鋼材。

2 臨時(shí)支架設(shè)計(jì)與驗(yàn)算

2.1 臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)圖

由橫梁(分配梁)及臨時(shí)支架組成，橫梁(分配梁)采用熱軋H型鋼HM440×300×11×18制作，臨時(shí)支架采用Φ273×8mm鋼管，中間橫、斜撐采用角鋼L75×75×5連接成整體，本工程支架(含橫梁)最高約10.2 m。

根據(jù)節(jié)段劃分圖，臨時(shí)支撐設(shè)置在節(jié)段與節(jié)段對(duì)接環(huán)口處；梁段與臨時(shí)支撐間放置調(diào)節(jié)支墩，其主要用于鋼箱梁吊裝時(shí)調(diào)節(jié)鋼箱梁標(biāo)高和安裝結(jié)束后進(jìn)行鋼箱梁整體卸載。支架落在加固地面上，加固地面需將坡度找平，臨時(shí)支架底部采用4塊鋼板鋪墊，四周采用M16×150膨脹螺栓與混凝土路面固定。臨時(shí)支架平面布置圖見(jiàn)圖2。

圖2 臨時(shí)支架平面布置圖

2.2 臨時(shí)支架應(yīng)力驗(yàn)算

1)應(yīng)力驗(yàn)算選取參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 Φ273鋼管柱的參數(shù)表[1]

按照最大荷載137 t計(jì)，為支架最不利荷載情況。吊裝梁段的自重荷載通過(guò)分配梁傳遞到立柱上，立柱和分配梁之間屬于剛性連接。由于吊裝階段是動(dòng)態(tài)過(guò)程，計(jì)算荷載乘以1.4的安全系數(shù)。每個(gè)吊裝階段有10個(gè)調(diào)節(jié)點(diǎn)，因此，節(jié)段重量作為集中荷載加載在分配梁上，每個(gè)節(jié)點(diǎn)重量為：137×1.02×1.4÷10=19.6 t。

支架重量乘以1.4的安全系數(shù)，建模時(shí)計(jì)算軟件作為自重荷載加載。

2)建立模型。采用MIDASCivil2006建模，各桿件采用空間梁?jiǎn)卧M。材料采用Q235，截面與設(shè)計(jì)圖紙相同。根據(jù)結(jié)構(gòu)支撐條件，假定立柱的柱腳不發(fā)生沉降和轉(zhuǎn)動(dòng)，因此約束節(jié)點(diǎn)6個(gè)自由度[2]。

根據(jù)支架的支撐條件，主拱荷載作為節(jié)點(diǎn)集中力加入，立柱和分配梁作為自重加載。根據(jù)相關(guān)文件的要求，施工荷載的不均衡系數(shù)，梁段自重和支架自重分項(xiàng)系數(shù)取1.4[3]。

臨時(shí)支架立柱的計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 施工支架計(jì)算模型圖

3)支架計(jì)算。

通過(guò)有限元建模分析，分兩種工況進(jìn)行計(jì)算，第一種是兩側(cè)橫梁受力，第二種是一側(cè)橫梁受力進(jìn)行計(jì)算：

(1)工況一：兩側(cè)橫梁受力。

①?gòu)?qiáng)度驗(yàn)算。最大應(yīng)力為47.3 MPa，小于允許值205 MPa，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，輸出計(jì)算圖形見(jiàn)圖4。

圖4 應(yīng)力圖(單位：MPa)

②剛度驗(yàn)算。施工支架分配梁最大變形為2.8 mm，S=L/500=1950/500=3.9在彈性范圍內(nèi)，施工臨時(shí)支架剛度滿(mǎn)足要求，變形圖見(jiàn)圖5。

圖5 變形圖(單位：mm)

③穩(wěn)定性驗(yàn)算。支座反力圖見(jiàn)圖6。

圖6 支座反力圖(單位：t)

最大支反力位26.9 t，鋼管柱按一端鉸接一端固定計(jì)算：

長(zhǎng)細(xì)比=l/i=9600/9.37=102.5

查鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范得Φ=0.445

鋼管柱最大抗壓強(qiáng)度為：

結(jié)構(gòu)支架滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求。

(2)工況二：?jiǎn)蝹?cè)橫梁受力

①?gòu)?qiáng)度驗(yàn)算。

最大應(yīng)力為48.7 MPa，小于允許值205MPa，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，輸出計(jì)算圖形見(jiàn)圖7。

圖7 應(yīng)力圖(單位：MPa)

②剛度驗(yàn)算。施工支架分配梁最大變形為2.9 mm，S=L/500=1950/500=3.9在彈性范圍內(nèi)，施工臨時(shí)支架剛度滿(mǎn)足要求，變形圖見(jiàn)圖8。

圖8 變形圖(單位：mm)

③穩(wěn)定性驗(yàn)算。支座反力圖見(jiàn)圖9。

圖9 支座反力圖(單位：t)

最大支反力位26.5 t，鋼管柱按一端鉸接一端固定計(jì)算：

長(zhǎng)細(xì)比=l/i=9600/9.37=102.5

查鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范得Φ=0.445

鋼管柱最大抗壓強(qiáng)度為：

結(jié)構(gòu)支架滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié) 論

通過(guò)MIDASCivil2006仿真計(jì)算表明：臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性滿(mǎn)足施工要求。

3.2 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工建議

1)臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)應(yīng)按要求施工，同時(shí)注意基礎(chǔ)的保護(hù)，防止地基泡水。

2)鋼箱梁吊裝前，建議對(duì)臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)壓，合格后進(jìn)行吊裝。鋼箱梁預(yù)起拱時(shí)應(yīng)考慮臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的豎向變形。

3)部分臨時(shí)支撐在斜坡面上的臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，建議將原土體挖至水平面或者做成階梯狀，避免基礎(chǔ)沿斜坡面方向不穩(wěn)定。

4)地基承載力不低于基礎(chǔ)計(jì)算要求值。

5)本計(jì)算未考慮材料折舊等因素影響，要求支架安裝精度滿(mǎn)足現(xiàn)相關(guān)規(guī)范要求。

6)支架搭設(shè)過(guò)程中應(yīng)保證鋼管位置偏差滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，重要節(jié)點(diǎn)連接應(yīng)嚴(yán)格按照?qǐng)D紙要求施工。

7)支架使用過(guò)程中應(yīng)定期檢查，發(fā)現(xiàn)樁基沉降過(guò)大、支架明顯變形應(yīng)立即停止作業(yè)并采取對(duì)應(yīng)措施處理。

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