橋梁護(hù)欄對鋼管臨時支架的支撐保護(hù)作用探究

曾 準(zhǔn) （中鐵鐵建十六局集團(tuán)第三工程有限公司，浙江 湖州 313000）

0 前言

隨著交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，特別是在原有構(gòu)筑物上的擴(kuò)建工程，鋼支墩多點(diǎn)平移法施工被廣泛應(yīng)用于公路橋梁工程中，而鋼管支架在吊裝預(yù)制箱梁中應(yīng)用廣泛。文獻(xiàn)[1]中提出結(jié)合鋼管支架的施工方法能夠有效解決跨線箱梁橋梁凈空較低的情況下施工難題，提升施工過程的安全性，有效縮短施工周期，帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)約了成本。文獻(xiàn)[2]根據(jù)工程實(shí)踐以及驗(yàn)算，認(rèn)為鋼管立柱橫向穩(wěn)定性難以滿足要求，需要增強(qiáng)橫向剛度，保證鋼管支架結(jié)構(gòu)的平面外穩(wěn)定。有限元計(jì)算有適用性強(qiáng)、輸出結(jié)果直觀明了等優(yōu)點(diǎn)，因此采用有限元計(jì)算軟件對臨時支架進(jìn)行驗(yàn)算。

本文結(jié)合實(shí)際工程，對鋼管支架進(jìn)行驗(yàn)算、SAP2000建模、原有結(jié)構(gòu)驗(yàn)算等，探究既有橋梁結(jié)構(gòu)對鋼管支架在橋梁施工中的有效作用。

1 項(xiàng)目概況

蘇州某高速公路工程在既有橋面上對箱梁進(jìn)行吊裝時，采用鋼支墩多點(diǎn)平移法施工，在地面以及既有橋面布置平移平臺和臨時鋼管支架，并在其上布置滑道。平移安裝平臺及臨時支架的布置，布置示意圖如圖1所示。

圖1 平移安裝平臺及臨時支架布置示意圖

2 落地支架模型分析

本文對不考慮護(hù)欄作用與考慮護(hù)欄作用的鋼管支架分別進(jìn)行分析，分析簡圖如圖2所示。

圖2 模型分析簡圖

2.1 模型參數(shù)

采用SAP2000軟件對支架進(jìn)行有限元分析。落地支架總高度25m，寬度4.5m（圖中X軸方向），厚度3m（圖中Y軸方向），模型如圖 3（a）所示。

圖3 落地支架與橋面支架

頂部鋼梁采用H400×200×8×13的H型鋼，垂直支撐采用L63×6的角鋼，橫向、縱向水平桿用12號槽鋼，立桿用325×6圓鋼管。鋼材牌號均采用Q235。

工程采用碗扣式支架。碗扣節(jié)點(diǎn)承載能力強(qiáng)，固結(jié)牢固，因此各節(jié)點(diǎn)均按剛性節(jié)點(diǎn)考慮。

支架受豎向荷載W和考慮吊裝或拖移引起的水平荷載F作用。模擬時，考慮單側(cè)承受梁段荷載的同時承受水平力作用。水平力F按豎向荷載W的10%計(jì)算，W為單側(cè)鋼箱梁總重的50%，鋼箱梁總重取為100t，即單側(cè)豎向荷載W為500kN，水平荷載F為50kN。豎向荷載和水平荷載均按均布線荷載施加到頂端H型鋼梁上。采用線性荷載組合，支架自重系數(shù)取1.0，豎向荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.0，水平荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.5。

2.2 不考慮護(hù)欄時支架有限元運(yùn)算結(jié)果

運(yùn)行結(jié)果顯示，各構(gòu)件應(yīng)力均小于材料的屈服應(yīng)力；支架A、B軸兩側(cè)框架最大軸力處均為底部桿件，底部節(jié)點(diǎn)豎向反力值見表1。表中負(fù)值表示受拉，正值表示受壓。

落地支架不考慮護(hù)欄時底部豎向反力（kN） 表1

模擬計(jì)算得到落地支架頂端最大位移為31.253mm，約為總高度的1/800。

2.3 考慮護(hù)欄時支架有限元運(yùn)算結(jié)果

落地支架頂面與橋面的垂直距離為7.2m，故在距離支架頂部約7.2m處高度的節(jié)點(diǎn)施加水平約束，簡圖如圖2（b）所示。運(yùn)行結(jié)果顯示，最大應(yīng)力依舊遠(yuǎn)小于材料屈服應(yīng)力，底部豎向反力值見表2。

落地支架考慮護(hù)欄時底部豎向反力（kN） 表2

模擬計(jì)算得到落地支架頂端最大位移為6.672mm，約為總高度的1/3750。

2.4 優(yōu)化對比

由柱狀圖可得，考慮護(hù)欄、設(shè)置水平支撐后，鋼管支架頂端最大位移降低了約78.65%；A軸底部軸力由受拉變?yōu)槭軌?，并且軸力大小降低約37.19%，B軸底部壓桿軸力降低約70%。

3 橋面支架模型分析

橋面支架的分析簡圖如圖6所示。

圖4 最大位移對比圖

圖5 底部反力對比圖

圖6 橋面支架的分析簡圖

橋面支架總高度7.2m，寬度4.5m（圖中X軸方向），厚度3m（圖中Y軸方向），模型如圖3（b）。模型參數(shù)與落地支架相同。

3.1 不考慮護(hù)欄時支架有限元運(yùn)算結(jié)果

運(yùn)行結(jié)果顯示，各構(gòu)件應(yīng)力均小于材料的屈服應(yīng)力；支架A、B軸兩側(cè)框架最大軸力處均為底部桿件，底部節(jié)點(diǎn)豎向反力值見表3。表中負(fù)值表示受拉，正值表示受壓。

橋面支架不考慮護(hù)欄時底部豎向反力（kN） 表3

模擬計(jì)算得到橋面支架頂端最大位移為2.848mm，約為總高度的1/2530。

3.2 考慮護(hù)欄時支架有限元運(yùn)算結(jié)果

由表3可得不考慮護(hù)欄時橋面支架底部最大拉力為34.65kN，立桿底部混凝土基礎(chǔ)重量只有約10kN，因此在以上荷載模式下，橋面支架有一定的傾覆危險(xiǎn)?？紤]護(hù)欄的支護(hù)作用，用100×12的圓管穿鋼棒穿過中央隔離護(hù)欄進(jìn)行加固?？紤]混凝土基礎(chǔ)失效的情況：去掉A軸底部支座，穿鋼棒視為梁單元，護(hù)欄位置增加鉸支座，B軸底部由固定支座轉(zhuǎn)換為鉸支座，分析簡圖如圖7（b）所示。

圖7 不同圓管穿鋼棒尺寸下最大位移對比圖

通過模擬計(jì)算得，模型最大位移為61.66mm，約為總高度的1/120。

3.3 優(yōu)化對比

在一端基礎(chǔ)支座失效情況下，考慮護(hù)欄作用的模型，底部軸力、位移均增大。采用不同截面尺寸的穿鋼棒進(jìn)行加固時，對底部軸力變化無太大影響，但結(jié)構(gòu)位移變化顯著。從圖7中可看出，穿鋼棒剛度越大，對結(jié)構(gòu)的約束效果越好。

橋面支架考慮護(hù)欄時底部豎向反力（kN） 表4

圖8 底部反力對比圖

4 原有結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

橋梁護(hù)欄參與結(jié)構(gòu)受力，因此需要對護(hù)欄進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。邊護(hù)欄只需要進(jìn)行抗彎承載力驗(yàn)算，中間護(hù)欄根據(jù)受力情況可只進(jìn)行抗沖切承載力驗(yàn)算。設(shè)支護(hù)作用位置與護(hù)欄頂部距離為h，總高度為H。

4.1 邊護(hù)欄抗彎承載力驗(yàn)算

圖9 邊護(hù)欄計(jì)算簡圖

偏保守計(jì)算，取邊護(hù)欄截面為單筋截面。護(hù)欄所受最大彎矩：

M=V×H

=38.38kN×1.1m=42.22kN·m

根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)原理中的單筋截面設(shè)計(jì)公式：

計(jì)算得A，min=633.9mm＜A=2010mm，滿足抗彎承載力校核，其中γ取最小值0.74。

4.2 中護(hù)欄抗沖切承載力驗(yàn)算

模擬計(jì)算出考慮護(hù)欄水平支撐作用的橋面支架，在護(hù)欄處豎向反力F大小為52.79kN。護(hù)欄采用C40混凝土，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值f為2.39MPa。

護(hù)欄計(jì)算簡圖如圖10所示。

圖10 中護(hù)欄計(jì)算簡圖

參考混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中的不配置箍筋或彎起鋼筋的板的抗沖切公式，對抗沖切承載力計(jì)算公式進(jìn)行簡化：

Af+Af＞F

其中 A，A為 45沖切面。解得h＞17.5mm。可見混凝土本身可以承受沖切反力，滿足抗沖切要求。

2Af=579kN＞F=52.79kN

故箍筋受拉強(qiáng)度亦滿足。

5 結(jié)論及建議

①本文通過對鋼管支架的三維有限元模擬分析，給出了4種分析模型的模擬結(jié)果，并校核了原有結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。為今后高難度臨時支架的驗(yàn)算提供了思路及計(jì)算模型。

②無側(cè)向支撐的落地支架，內(nèi)力、位移均偏大，且由于基礎(chǔ)造價(jià)較高，提供的抗拔力有限，故存在傾覆危險(xiǎn)。考慮原有護(hù)欄作水平支撐后，內(nèi)力與位移明顯降低，支架底部失效模式受拉轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌海瑪?shù)值上降低了37.19%，受壓反力大小降低了70%。

③為不影響原有橋面，橋面支架基礎(chǔ)簡單擱置在橋面上，存在傾覆危險(xiǎn)。一般來說，可通過增加配重或者加大基礎(chǔ)尺寸來滿足抗傾覆要求，但該做法不經(jīng)濟(jì)，施工復(fù)雜，影響工期。本文通過計(jì)算認(rèn)為，在原有橋梁中間護(hù)欄處設(shè)立支點(diǎn)可以解決傾覆問題，但是該體系位移略大，需要引起重視。同時，穿鋼棒需要有足夠大的剛度。

④在搭設(shè)立交橋臨時支架時，原有橋梁護(hù)欄有較高的可利用度，且臨時支架作用的反力對護(hù)欄本身影響甚微?？紤]到混凝土護(hù)欄中鋼筋的布置，筆者建議將支點(diǎn)設(shè)立在距離護(hù)欄頂部150mm處，可保證安全。