鋼箱梁臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)梁柱剛度比優(yōu)化

李文綱

摘要：在工程建設(shè)中支架法施工應(yīng)用廣泛，無論是現(xiàn)澆還是拼裝施工，均需要其支撐上部的荷載。本文以寶雞陸港大橋鋼箱梁施工為背景，重點(diǎn)對(duì)鋼箱梁原位支架法施工中的支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)研究，對(duì)鋼箱梁臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行理論分析，研究橫梁剛度變化對(duì)支架整體受力的影響規(guī)律，得出了支架結(jié)構(gòu)合理的梁柱剛度比，并成功應(yīng)用于實(shí)際工程項(xiàng)目，為后續(xù)支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼箱梁 鋼管柱 臨時(shí)支架 梁柱剛度比

中圖分類號(hào)：U44

Abstract： in engineering construction， the support method is widely used. Whether it is cast-in-situ or assembly construction， it needs to support the upper load. Based on the construction of steel box girder of Baoji Lugang bridge， this paper focuses on the mechanical research of the support structure in the construction of steel box girder by in-situ support method. The stiffness of steel box girder temporary support structure is theoretically analyzed， the influence law of beam stiffness change on the overall stress of the support is studied， and the reasonable beam column stiffness ratio of the support structure is obtained， which has been successfully applied to practical engineering projects， so as to provide reference for the subsequent support structure design.

Key Words： Steel box girder; Steel pipe column; Temporary support; Beam column stiffness ratio

1、鋼箱梁架設(shè)方法與支架結(jié)構(gòu)形式

陸港渭河大橋主橋雙塔雙索面斜拉橋的鋼箱梁采用支架法大節(jié)段吊裝施工，鋼箱梁施工的主要步驟是：首先，鋼箱梁板單元廠內(nèi)加工后，在施工現(xiàn)場(chǎng)胎架上總拼形成節(jié)段梁，之后通過有軌運(yùn)梁小車將鋼箱梁節(jié)段運(yùn)輸?shù)綐蛭粎^(qū)域（設(shè)計(jì)位置的下一梁段處）;其次，利用兩臺(tái)履帶吊抬吊的形式將鋼箱梁節(jié)段吊裝到支架上;再次，在支架上使用三向千斤頂進(jìn)行橫移、縱移精調(diào)至設(shè)計(jì)位置;最后，進(jìn)行拼裝焊接[1]。鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)梁段長(zhǎng)度為12.0m，寬度為37m，重量達(dá)240t，采用鋼管支架四點(diǎn)支撐，支架平均高度20.0m。原鋼箱梁支架采用φ609×10mm鋼管，縱、橫向間距均為2.0m，鋼管柱之間采用槽鋼連接。支架頂部橫縱梁采用工40b型鋼，長(zhǎng)度均為3.0m。鋼管柱頂部預(yù)留槽口，橫向雙拼工字鋼放置于預(yù)留槽口中，縱向工字鋼垂直放置于橫向工字鋼頂部。

2、鋼箱梁支架優(yōu)化

2.1優(yōu)化原理

通過增加支架頂部縱梁的截面高度，提高其抗彎剛度，減小橫力作用下縱梁縱向平面內(nèi)的彎曲變形，從而減小下部鋼管立柱的偏心距，使下部鋼管盡可能接近軸心受壓，降低下部鋼管在外荷載作用下的最大應(yīng)力，減小下部立柱的材料使用數(shù)量，進(jìn)而減小臨時(shí)設(shè)施的投入費(fèi)用[2]。

2.2支架結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

采用有限元計(jì)算軟件MIDAS/Civil，對(duì)鋼箱梁支架進(jìn)行有限元建模分析。優(yōu)化前后支架結(jié)構(gòu)見表1所示。

2.2.1模型的建立

采用有限元計(jì)算軟件MIDAS/Civil，對(duì)鋼箱梁支架進(jìn)行有限元建模分析。支架結(jié)構(gòu)全部采用梁?jiǎn)卧?，模?92共個(gè)節(jié)點(diǎn)，341個(gè)梁?jiǎn)卧?。支架模型的邊界條件是立柱底部固結(jié)，考慮到支架鋼管柱之間采用節(jié)點(diǎn)板和槽鋼連接，故將槽鋼與鋼管柱之間釋放梁端約束，采用鉸接連接。根據(jù)支架受力過程中的最不利工況進(jìn)行驗(yàn)算，豎向荷載主要為鋼箱梁節(jié)段自重，單點(diǎn)荷載600kN;水平荷載主要為梁段水平調(diào)整時(shí)的推力和風(fēng)荷載作用，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，水平荷載為360kN[3]。

2.2.2計(jì)算結(jié)果

分別計(jì)算優(yōu)化前后支架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形和穩(wěn)定性情況，優(yōu)化前支架最不利工況情況下，最大組合應(yīng)力為157.9MPa，優(yōu)化后最大組合應(yīng)力為135.9MPa，減小約14%;最大變形減小約2.0mm。優(yōu)化前后直接驗(yàn)算結(jié)果均滿足要求。

2.3經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

全橋鋼箱梁共39個(gè)節(jié)段，全橋立柱鋼管數(shù)量：18×8×37=5328m，優(yōu)化前后造價(jià)對(duì)比。

2.3.1 優(yōu)化后立柱鋼管減少量

609鋼管重量為147.722kg/m;529鋼管重量為127.993kg/m。每延米重量相差19.729kg，全橋累計(jì)相差：19.729×5328=105116.112kg=105.116t。

2.3.2 縱向工字鋼增加量

單根長(zhǎng)度3.0m，重量73.878kg/m。增加數(shù)量：37×2×3=222m。

增加重量為：222×73.878=16400.916kg=16.401t。

2.3.3 總體節(jié)省鋼材

105.116-16.401t=88.715t。

按每噸鋼管原材3500元/t，運(yùn)輸費(fèi)300元/t，安裝拆除費(fèi)用500元/t，合計(jì)4300元/t。合計(jì)節(jié)約成本88.715×4300=381474.861元=38.1474萬元。

3、支架合理梁柱剛度比確定

3.1梁柱線剛度比

采用梁、柱彈性線剛度的比值k來反映梁、柱剛度的相對(duì)關(guān)系[4]，即：

式中：為鋼材的彈性模量;為構(gòu)件的截面慣性矩;為構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度;稱剛度比。、分別表示梁、柱的彈性線剛度;k為梁、柱線剛度比。

為便于分析，本文僅考慮單側(cè)鋼管結(jié)構(gòu)，即由鋼管柱、頂部型鋼橫梁組成的框結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。因柱的截面尺寸對(duì)軸壓比、結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和水平位移等參數(shù)的影響較大，所以本文調(diào)整剛度比時(shí)，在保證柱截面尺寸不變（取為529×10mm）的前提下，對(duì)頂部型鋼橫梁的截面尺寸做相應(yīng)的調(diào)整[5]。通過增加梁截面尺寸（選擇不同的型鋼截面）逐級(jí)提高梁、柱線剛度比k。本文共分析了六種不同線剛度比。詳細(xì)參數(shù)見表2。

根據(jù)上表中列出的六種不同的梁柱線剛度比，利用結(jié)構(gòu)分析軟件Midas civil對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算。計(jì)算模型立柱高度取10m，橫梁長(zhǎng)度2.0m，荷載為跨中集中力100kN，柱底固結(jié)，橫梁兩端釋放梁段約束50%。

3.2梁、柱線剛度比對(duì)立柱結(jié)構(gòu)的影響分析

在保持柱截面不變的情況下，調(diào)整柱頂橫梁的截面面積，從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、變形、穩(wěn)定性等方面研究梁、柱線剛度比k對(duì)立柱結(jié)構(gòu)受力情況的影響。

3.2.1 強(qiáng)度分析

根據(jù)上述6種不同的梁柱線剛度比，分別計(jì)算相同荷載和邊界條件下，立柱組合應(yīng)力的變化情況，結(jié)果見圖1所示。

由圖1可知，隨著梁柱線剛度比的變化，立柱最大組合應(yīng)力逐漸減小，說明提高線剛度比在一定程度上可以降低立柱的應(yīng)力水平，提高結(jié)構(gòu)的承載力。值得注意的是，這種強(qiáng)度隨剛度比增長(zhǎng)的關(guān)系并非呈線性關(guān)系。當(dāng)最初剛度比由0.68提高至1.06時(shí)，立柱最大應(yīng)力降低約9%;最后階段剛度比由3.08提高至4.42時(shí)，立柱最大應(yīng)力降低約11%[6]。

3.2.2 變形分析

根據(jù)上述6種不同的梁柱線剛度比，分別計(jì)算相同荷載和邊界條件下，立柱最大變形的變化情況，結(jié)果見圖2所示。

由圖2可知，隨著梁柱線剛度比的變化，立柱最大變形數(shù)值逐漸減小，說明提高線剛度比對(duì)結(jié)構(gòu)的變形能力也有一定程度的削弱作用。

4 結(jié)語

通過對(duì)陸港渭河大橋主橋鋼箱梁支架系統(tǒng)的詳細(xì)計(jì)算，定量對(duì)比分析優(yōu)化前后支架的結(jié)構(gòu)受力情況和經(jīng)濟(jì)投入大小，表明通過增加支架頂部橫梁的剛度，支架結(jié)構(gòu)安全度和經(jīng)濟(jì)效果顯著。對(duì)比不同梁柱線剛度比的情況下，支架體系的受力狀況，表明梁、柱線剛度比的提高對(duì)支架立柱結(jié)構(gòu)的承載力具有明顯的增強(qiáng)效應(yīng)，對(duì)結(jié)構(gòu)的變形能力也有一定程度的削弱作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 董祥圖，丁春梅.橋梁暨市政工程施工常用計(jì)算實(shí)例[M].成都：西南交通大學(xué)出版社， 2018.

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[3] Anthony Quansah. 梁柱剛度比對(duì)二維框架動(dòng)力性能的影響[D]. 杭州：浙江科技學(xué)院，2019.

[4] 章斌，左翼，王昌喜，等.嘉魚長(zhǎng)江公路大橋鋼箱梁施工關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中外公路，2021，41（3）：165-170.

[5] 張敏，雷棟，張金福.舟岱跨海大橋鋼箱梁支架設(shè)計(jì)與施工[J].施工技術(shù)，2020，49（15）：38-40，60.

[6] 楊剛.蕪湖長(zhǎng)江公鐵大橋江南接線高架橋鋼箱梁施工若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D]，合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2021.

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