現(xiàn)澆箱梁承插型盤扣式滿堂支架整體計算分析與監(jiān)測技術(shù)研究

鄧俊雷DENG Jun-lei；李曉燕LI Xiao-yan

（①云南交通工程質(zhì)量檢測有限公司，昆明 650200；②云南省交通工程試驗檢測企業(yè)重點實驗室，昆明 650200；③云南省迪慶藏族自治州維西傈僳族自治縣交通運輸局，維西傈僳族自治縣 674600）

0 引言

承插型盤扣式滿堂支架由于其外觀美觀、適用范圍廣泛、安全性高、能大大提高施工效率、材料用量省和承載能力高等原因，在支架施工的過程中得到了普遍運用[1-2]，同時支架在施工過程中，由于設(shè)計、施工等缺陷問題，易發(fā)生工程事故，從而造成巨大經(jīng)濟損失[3]。因此，在設(shè)計階段就要考慮支架體系的整體性，對承載能力進(jìn)行分析驗算，并且在施工過程中對支架安全風(fēng)險進(jìn)行預(yù)警[4]。目前，國內(nèi)外在這兩方面研究不夠深入，一方面更多強調(diào)三維有限元模型的建立，提出建模理論和方法，但在實際過程中，有限元方法與安全預(yù)警系統(tǒng)未能有效結(jié)合；另一方面局限于研究支架預(yù)警系統(tǒng)，對各個預(yù)警方法少有涉及[5-8]。

本文以此為突破口，針對云南某高速建立有限元模型，將有限元方法與支架監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)動態(tài)結(jié)合，形成交互式協(xié)作，對沉降值、受力、變形等進(jìn)行實時跟蹤，驗證有限元計算值與實測值的準(zhǔn)確性，當(dāng)各參數(shù)達(dá)到閾值時發(fā)出警告信號，根據(jù)不同的風(fēng)險狀態(tài)，啟動不同級別的應(yīng)急預(yù)案，從而確保支架的安全性。

1 工程概況及有限元模型建立

1.1 工程概況 該高速公路位于云南省中西部，互通式立體交叉匝C 號橋孔跨布置為4*30+3*30m，橋梁全長220m。支架系統(tǒng)采用承插型盤扣式滿堂支架，每單元桁架豎向斜桿有對稱和螺旋式兩種布置，在此采用螺旋式布置。橫桿按步距1.5m 設(shè)置；豎向斜拉桿按桁架組合方式采用矩陣型；水平定位桿（或鋼管扣件剪刀撐）按6m-9m 一層布置，一般布置2 層或3 層；主龍骨采用雙肢12#槽鋼，龍骨與龍骨之間的距離為1.5m；次龍骨（50×50 方鋼橫橋向）最不利間距0.1m。水平斜桿在頂層和底層設(shè)置1 道，中間每4-6 個步距設(shè)置1 道，立面單元桁架各面均滿布豎向斜桿；平面有兩種形式矩陣或梅花形，在此采用矩陣形式。

滿堂支架的原材料選用新型承插型盤扣式支架，直徑為60mm、壁厚為3.2mm，采用Q345B 材質(zhì)材料制造；橫桿、豎桿及斜桿直徑為48mm，壁厚為2.5mm，橫桿采用Q345B材質(zhì)，豎桿采用Q195 材質(zhì)，斜桿采用Q235B 材質(zhì)；可調(diào)托座Φ48*6.5*600，采用Q235B 材質(zhì)；可調(diào)底座Φ48*6.5*600，采用Q235B 材質(zhì)；圓盤厚度10mm，采用Q345B 材質(zhì)。

1.2 有限元模型建立 結(jié)合支架搭設(shè)方案及現(xiàn)場的實際情況，本文最終選擇第二跨（跨徑為30m）盤扣式滿堂支架作為有限元的分析對象，采用Midas Civil 軟件建立盤扣式支架有限元模型。

1.2.1 荷載類型及取值 根據(jù)該互通第二聯(lián)盤扣式滿堂支架現(xiàn)澆橋施工圖紙及相關(guān)規(guī)范規(guī)定，結(jié)合盤扣式滿堂支架現(xiàn)場施工實際情況，有限元模型考慮鋼筋混凝土自重q1、模板自重q2、支架自重q3、施工人員及施工設(shè)備荷載q4、振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載q5、傾倒混凝土產(chǎn)生的水平荷載q6、新澆筑混凝土對側(cè)模的壓力q7、風(fēng)荷載q8。

1.2.2 荷載工況和系數(shù) 根據(jù)盤扣式滿堂支架施工過程中的不同工況，在支架預(yù)壓過程中對不同的施工工況對支架受到的應(yīng)力進(jìn)行現(xiàn)場測試，工況1 預(yù)壓荷載達(dá)到梁自重30%，工況2 預(yù)壓荷載達(dá)到梁自重60%，工況3 預(yù)壓荷載達(dá)到梁自重100%，工況4 底、腹板混凝土澆筑完畢，工況5 頂板混凝土全部澆筑完成。

對施加于盤扣式支架的各荷載按照規(guī)范進(jìn)行組合，基本組合為：永久荷載＋1.4×（可變荷載＋風(fēng)荷載），竹膠板重量、次龍骨重量、自重、混凝土濕重荷載組合系數(shù)為1.2，施工人員及設(shè)備荷載、混凝土傾倒和振搗荷載及風(fēng)荷載組合系數(shù)為1.4。

1.2.3 參數(shù)化建立有限元模型 根據(jù)實際情況，橫橋向模擬進(jìn)行簡化處理只取半幅進(jìn)行有限元模擬，其寬度為13.2m，縱橋向長度取橋梁的凈跨徑30.0m。支架采用有限元軟件Midas Civil，最終將結(jié)構(gòu)離散為4268 個節(jié)點、12848個單元，箱梁底板處的竹膠板采用板單元進(jìn)行模擬，其余桿件采用梁單元進(jìn)行模擬，有限元計算模型如圖1 所示。

圖1 有限元計算模型圖

2 承插型盤扣式支架有限元分析

2.1 承插型盤扣式支架系統(tǒng)的軸力分析 根據(jù)Midas有限元計算結(jié)果，在最不利荷載組合作用下，水平桿軸向拉力均小于13.1kN，支架系統(tǒng)中最大軸向拉力作用在橋墩處其值為154.21kN。鋼管支架的容許荷載為30kN，因此結(jié)構(gòu)不會發(fā)生受拉破壞。支架系統(tǒng)的立桿最大軸向壓力為71.18kN，主要承受壓力。

2.2 承插型盤扣式支架系統(tǒng)的應(yīng)力分析 從盤扣式支架系統(tǒng)模型分析結(jié)果可以得出，在組合荷載作用下，支架的橫桿最大拉應(yīng)力發(fā)生在1/4 跨附近橫桿，應(yīng)力值為107.0MPa，最大壓應(yīng)力發(fā)生在3/4 跨附近橫桿，應(yīng)力值為73.8MPa。支架的立桿最大拉應(yīng)力發(fā)生在支架跨中位置，應(yīng)力值為0MPa，最大壓應(yīng)力發(fā)生在1/4 跨橫橋向加密處，應(yīng)力值為183.0MPa。斜桿最大壓應(yīng)力在1/4 跨橫橋向中心位置附近，應(yīng)力值為68.0MPa；最大拉應(yīng)力發(fā)生在橋梁兩端的腹板位置處，應(yīng)力值為63.2MPa，結(jié)果表明所有拉壓應(yīng)力均不超過支架的強度設(shè)計值，強度能夠滿足施工要求。

3 承插式支架沉降和應(yīng)力監(jiān)測分析

3.1 沉降監(jiān)測分析 支架沉降不僅對施工過程中產(chǎn)生安全隱患，而且對上部結(jié)構(gòu)混凝土施工的質(zhì)量控制造成很大影響。因此，在支架預(yù)壓及混凝土澆筑階段開展支架沉降監(jiān)測具有重要意義。根據(jù)本項目施工實際情況，本項目沉降監(jiān)測布置點均布置于支架底部，一共選取了5 個沉降監(jiān)測點（分別以B-1~B-5 命名），具體布置詳見圖2。

圖2 沉降測點的布置平面圖

為了消除支架的彈性變形，在支架施工完成后要對支架進(jìn)行預(yù)壓，通過沉降監(jiān)測儀測得立桿底部的沉降量，最終立桿底部沉降量的實測結(jié)果如圖3 所示，從分析結(jié)果可以看出支架系統(tǒng)的整體沉降量維持在一定的幅度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。但由于支架系統(tǒng)的設(shè)計與施工缺陷，導(dǎo)致不同的測點之間的沉降變化大小不一。

圖3 立桿底部沉降量的實測結(jié)果

3.2 應(yīng)力監(jiān)測分析

滿堂支架現(xiàn)澆施工過程中，由于上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的恒荷載及活荷載，如果上部結(jié)構(gòu)施工荷載較為集中或支架桿件存在初始缺陷，容易引發(fā)支架桿件豎向受力過大而發(fā)生桿件壓壞及坍塌，所以在不同工況下對滿堂支架的桿件的受力狀況進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，對結(jié)構(gòu)的安全性具有十分重要的意義。

為了對盤扣式滿堂支架的安全性進(jìn)行評價，并對實測數(shù)據(jù)與有限元模型的數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋瑢⑤S力監(jiān)測儀器安裝于支架底部，一共選取了9 個應(yīng)力監(jiān)測點，其中6 個為立桿應(yīng)力監(jiān)測點，3 個為橫桿監(jiān)測點，應(yīng)力監(jiān)測點布置如圖4 所示。“▲”表示立桿測點，編號形式例L-1；“●”表示斜桿，編號形式例X-1。在測點部位通過監(jiān)測儀器讀取結(jié)構(gòu)在不同工況下受到的軸力，反算鋼管受到的應(yīng)力值。

圖4 盤扣式滿堂支架應(yīng)力監(jiān)測點斷面布置圖

在對支架受到的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測時，重點對不同工況下箱梁澆筑過程中支架的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，并對測點的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從圖5 可以看出，工況1 至工況5 理論計算值與現(xiàn)場實測應(yīng)力最小偏差值為2.01%（工況4），最大值偏差值為23.0%（工況5）?？傮w來說數(shù)據(jù)比較接近，且所有數(shù)據(jù)均未超過材料的強度設(shè)計值，可判定該支架系統(tǒng)是安全可靠的。同時，對9 個測點在不同工況下的理論值與實際值進(jìn)行對比分析，限于篇幅有限，本文對L-1、L-3、L-6和X-2 測點在不同工況下的理論值與實際值的變化曲線如圖6 所示。

圖5 盤扣式支架計算最大應(yīng)力值與其對應(yīng)實測值

圖6 部分監(jiān)測點盤扣式支架應(yīng)力實測值與理論值對應(yīng)圖示

從圖5 及圖6 可以看出，在不同工況下不同測點的理論值與現(xiàn)場實測值的變化趨勢大致相同，隨著混凝土的澆筑，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平不斷增加，桿件受到的應(yīng)力曲線大致符合支架的受力情況。由于在混凝土澆筑過程中會產(chǎn)生臨時荷載，如施工人員、施工機具及振搗混凝土產(chǎn)生的振動等因素的影響，造成支架產(chǎn)生的壓力值基本都大于預(yù)壓荷載的100%，并且實際測點的應(yīng)力值基本與有限元計算的理論值相差不大。

4 結(jié)論

①隨著預(yù)壓荷載的增加，支架構(gòu)件的理論計算應(yīng)力值基本處于彈性階段，呈現(xiàn)線性增加的規(guī)律，在卸載過程中，理論應(yīng)力值也基本呈線性減小的規(guī)律，支架應(yīng)力值波峰波谷比較明顯。②在不同工況下立桿、斜桿的應(yīng)力理論計算值與實測值的變化趨勢基本保持一致，即在混凝土澆筑前應(yīng)力水平較低，在澆筑過程中逐漸增加，支架應(yīng)力值在混凝土澆筑施工完成時達(dá)到最大值。③通過理論計算與實際監(jiān)測的數(shù)據(jù)對比分析，采用Midas Civil 對盤扣支架系統(tǒng)進(jìn)行有限元模擬是可行的，為支架系統(tǒng)的穩(wěn)定性安全提供了基礎(chǔ)保證，相關(guān)計算過程及監(jiān)控量測方法可為同類工程提供參考。