1～50 m單箱雙室鋼箱梁橋支架搭設(shè)與受力驗(yàn)算

申鐵軍,陳 瀟,李建軍,王明潔,胡 楊

(1.山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司, 山西 太原 030006;2.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,湖北 武漢 430070;3.山西路橋第三工程有限公司, 山西 太原 030006;4.大連交通大學(xué)土木工程學(xué)院,遼寧 大連 116092)

0 引 言

以山西省長(zhǎng)治市沁源大橋?yàn)楸尘?采用有限元軟件midas建立支架模型并進(jìn)行整體分析。山西省長(zhǎng)治市沁源大橋上部鋼箱梁孔跨布置為1～50 m,采用全焊接單箱雙室鋼箱梁橋;主梁頂寬12.5 m,底寬8.55 m,箱梁底板為平坡,頂板坡度為橋梁橫坡?？紤]到為消除鋼箱梁自重作用和部分活載作用引起的梁體下?lián)?各跨鋼梁加工制造時(shí)設(shè)置預(yù)拱度,主梁立面線形包括設(shè)計(jì)曲線和預(yù)拱度曲線兩部分,因此鋼箱梁應(yīng)按兩部分的疊加曲線進(jìn)行加工制作,鋼梁在成橋狀態(tài)下各跨鋼箱梁呈現(xiàn)向上微拱,鋼梁平面線形按設(shè)計(jì)道路中心線擬定[1]。開始加工前需要首先對(duì)施工圖進(jìn)行詳圖轉(zhuǎn)化。詳圖轉(zhuǎn)化中針對(duì)鋼箱梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜、焊縫交錯(cuò)和焊接收縮量大的特點(diǎn),再結(jié)合鋼橋預(yù)起拱值和焊接收縮余量,利用CAD采用計(jì)算機(jī)實(shí)體放樣,確定各零部件尺寸,確 保生產(chǎn)制作精確和現(xiàn)場(chǎng)順利安裝。李寧[2]利用有限元通用軟件midas進(jìn)行支架受力分析,旨在分析鋼箱梁橋在施工過程中整體受力狀態(tài)、局部區(qū)域詳細(xì)受力狀態(tài)是否為安全穩(wěn)定狀態(tài)。胡侃[3]分多種工況對(duì)支架進(jìn)行了受力分析,總結(jié)各類荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響,確保了臨時(shí)支架在施工過程中的安全。楊剛[4]認(rèn)為在對(duì)鋼箱梁橋支架的強(qiáng)度、穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算的同時(shí),要對(duì)支架的地基承載力進(jìn)行驗(yàn)算。

1 支架搭設(shè)

(1)支架。

本工程中搭設(shè)的臨時(shí)承重支架為7 500 mm×2 000 mm的鋼支架,材料為現(xiàn)有周轉(zhuǎn)材料。其中主管規(guī)格為Φ470 mm×10 mm,平撐規(guī)格為[10,斜拉桿規(guī)格為[8,頂部為雙拼40型工字鋼,工字鋼之間雙面采用250 mm×200 mm×12 mm加勁板焊接連接,間距2.5 m,雙拼40型工字鋼,寬度284 mm,長(zhǎng)度11.5 m,工字鋼上方設(shè)置高度調(diào)整管,規(guī)格為Φ270 mm×10 mm。支架搭設(shè)高度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)確定,搭設(shè)時(shí)使用雙排鋼支架進(jìn)行安裝。支架沿高度方向上每3 m設(shè)置一根斜撐,支架頂部探出工字鋼上立Φ270 mm×10 mm鋼管,支撐懸挑,起保護(hù)作用。鋼梁分段位置在距橫隔板2 mm范圍內(nèi),保證臨時(shí)支架支撐梁體過程中不產(chǎn)生較大彎矩變形。

(2)基礎(chǔ)。

支架底部設(shè)置混凝土基礎(chǔ),混凝土等級(jí)C30,尺寸為3 500 mm×2 000 mm×500 mm。

2 支架受力計(jì)算

2.1 計(jì)算說明

(1)材料。

該支架中立柱采用Φ470 mm×10 mm鋼管,平撐規(guī)格為[10,斜拉桿規(guī)格為[8,支架頂端采用40雙拼工字鋼,工字鋼上部設(shè)有調(diào)整鋼管,規(guī)格為Φ170 mm×16 mm。材料均為Q235,抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為215 MPa,抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為125 MPa。

(2)荷載。

①恒載:支架自重。

②活載:選擇最不利工況進(jìn)行分析。鋼箱梁節(jié)段重量,最大節(jié)段長(zhǎng)度19.2 m,重量120 t,吊裝高度19 m。六點(diǎn)受力,單點(diǎn)受力大小為120/6=20 t,荷載組合:1.2×恒載+1.4×活載。

③計(jì)算模型使用midas 2019建立支架有限元分析模型,支架底部與基礎(chǔ)用膨脹螺栓連接,建立模型時(shí)支架底部固結(jié)(邊界條件設(shè)置為限制全部自由度)。模型如圖1所示。

圖1 支架模型圖

(3)支架受力分析。

支架作為鋼箱梁吊裝臨時(shí)支撐,受力特點(diǎn)為隨著鋼箱梁安裝受力逐漸增大直至該支架上全部鋼箱梁吊裝完成后支架受力達(dá)到峰值。因此對(duì)支架進(jìn)行有限元模擬分析,以求得支架在荷載作用下的受力狀況。

支架各結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力與彎曲應(yīng)力如下。

①立柱剪應(yīng)力最大值為0.34<125 MPa;

②平拉剪應(yīng)力最大值0.41<125 MPa;

③斜拉剪應(yīng)力最大值0.45<125 MPa;

④立柱彎曲應(yīng)力最大值為2.4<215 MPa;

⑤雙拼工字鋼彎曲應(yīng)力1.6<215 MPa;

⑥平拉彎曲應(yīng)力3.06<215 MPa;

⑦斜拉彎曲應(yīng)力5.14<215 MPa。

通過以上分析,計(jì)算得剪應(yīng)力最大值為0.48<125 MPa,彎曲應(yīng)力最大值為5.14<215 MPa,位移1.43 mm<(2 000/400=5 mm),滿足要求。

2.2 穩(wěn)定性計(jì)算

K0=穩(wěn)定力矩/傾覆力矩=y×Ni/ΣMw;分配梁總重:2.85 t;立柱總重:16 t;

故Ni=(2.85+16)×9.8=185 kN;

穩(wěn)定力矩=y×Ni=9.5×185

=1 757.5 kN·m;

風(fēng)荷載計(jì)算:WK=0.7uz×1us×1w0=0.7×1.38×1.2×0.8=0.927 kN/m。

支架迎風(fēng)面考慮為鏤空形式,按接觸面積計(jì)算直接迎風(fēng)面受力,風(fēng)力為:q=0.927×(0.4×10.5+19×0.235×3.14×3)=42.88 kN;傾覆力矩=q×26.8=42.88×26.8=1 149 kN·m。

K0=穩(wěn)定力矩/傾覆力矩=1 757.5/1 149=1.53>1.3,支架抗傾覆性滿足要求。

2.3 計(jì)算結(jié)論

綜上可知,結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力為0.48 MPa,最大彎曲應(yīng)力為5.14 MPa,最大位移為1.43 mm,均滿足支架材料及結(jié)構(gòu)受力要求,穩(wěn)定性也符合要求。支架在加工及安裝時(shí)應(yīng)保證按相關(guān)規(guī)范要求執(zhí)行,以保證支架結(jié)構(gòu)安全。

3 支架基礎(chǔ)承載力驗(yàn)算

支架基礎(chǔ)采用獨(dú)立擴(kuò)大基礎(chǔ),縱橋向每?jī)筛⒅略O(shè)一組基礎(chǔ),全橋共6組基礎(chǔ),長(zhǎng)度為3.5 m,寬度2 m,高度0.5 m,基礎(chǔ)頂面預(yù)埋3 m×1 m×16 mm鋼板。基礎(chǔ)混凝土等級(jí)C30。基礎(chǔ)底層布置一層鋼筋網(wǎng)片,鋼筋采用Φ14 mm的熱軋帶肋鋼筋,鋼筋縱橫向間距均為200 mm。

3.1 單階矩形底板基礎(chǔ)尺寸

(1)基礎(chǔ)尺寸:長(zhǎng)3 500 mm,寬2 000 mm,高500 mm。

(2)混凝土強(qiáng)度等級(jí):C30,fc=14.30 N/mm2;ft=1.43 N/mm2;鋼筋級(jí)別:HPB300,fy=270 N/mm2。配筋計(jì)算:簡(jiǎn)化法基礎(chǔ)縱筋混凝土保護(hù)層厚度40 mm;基礎(chǔ)與覆土的平均容重20.00 kN/m3;正后的地基承載力特征值300 kPa;基礎(chǔ)埋深0.10 m;作用力位置標(biāo)高0.000 m。

3.2 計(jì)算過程和計(jì)算結(jié)果

(1)基底反力計(jì)算。

①統(tǒng)計(jì)到基底的荷載。

標(biāo)準(zhǔn)值:Nk=400.00 kN,Mkx=0.00 kN·m,Mky=0.00 kN·m;

設(shè)計(jì)值:N=400.00 kN,Mx=0.00 kN·m,My=0.00 kN·m。

②承載力驗(yàn)算時(shí),底板總反力標(biāo)準(zhǔn)值(相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合)為

pkmax=(Nk+Gk)/A+|Mxk|/Wx+|Myk|/Wy

=(400.00+14.00)/7.00+0.00/2.33+0.00/4.08=59.14 kPa;

pkmin=(Nk+Gk)/A-|Mxk|/Wx-|Myk|/Wy

=(400.00+14.00)/7.00-0.00/2.33-0.00/4.08=59.14 kPa;

pk=(Nk+Gk)/A=59.14 kPa。

各角點(diǎn)反力p1=59.14 kPa,p2=59.14 kPa,p3=59.14 kPa,p4=59.14 kPa。

③強(qiáng)度計(jì)算時(shí),底板凈反力設(shè)計(jì)值(相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合)為

pmax=N/A+|Mx|/Wx+|My|/Wy

=400.00/7.00+0.00/2.33+0.00/4.08

=57.14 kPa;

pmin=N/A-|Mx|/Wx-|My|/Wy

=400.00/7.00-0.00/2.33-0.00/4.08

=57.14 kPa;

p=N/A=57.14 kPa。

各角點(diǎn)反力p1=57.14 kPa,p2=57.14 kPa,p3=57.14 kPa,p4=57.14 kPa。

(2)地基承載力驗(yàn)算。

pk=59.14≤fa=300.00 kPa,滿足需求。

pkmax=59.14≤1.2×fa=360.00 kPa,滿足需求。

3.3 基礎(chǔ)抗沖切驗(yàn)算

(1)按破壞錐體單側(cè)截面驗(yàn)算。

抗沖切驗(yàn)算公式為

Fl≤0.7×βhp×ft×Ac

(1)

沖切力Fl根據(jù)最大凈反力pmax計(jì)算,并減去底板頂面計(jì)算范圍內(nèi)的柱子的軸力。

Fl=pmax×Al-∑N

(2)

當(dāng)柱子中心落在計(jì)算范圍內(nèi)時(shí),減去其軸力;當(dāng)柱子中心落在計(jì)算范圍邊線上時(shí),減去其軸力的一半。柱1:豎向軸線編號(hào)1,橫向軸線編號(hào)A。

①左、右側(cè)截面。

破壞錐體未穿過底板底面,沖切荷載為零,不需要驗(yàn)算該截面。

②上、下側(cè)截面。

沒有柱子的中心落在沖切荷載基頂計(jì)算范圍內(nèi);沒有柱子的中心落在沖切荷載基頂計(jì)算范圍邊緣。

沖切力Fl=pmax×Al-∑N=57.14×0.16-0.00=9.00 kN,抗沖切力=0.7×βhp×ft×Ac=1 531.53 kN,沖切力小于抗沖切力,該截面沖切驗(yàn)算滿足需求。

(2)按單柱破壞錐體整體驗(yàn)算。

按單柱破壞錐體整體抗沖切驗(yàn)算公式為

N-p×Al≤0.7×βhp×ft×Ac

(3)

式中:N為柱子豎向軸力設(shè)計(jì)值,kN;p為沖切破壞錐體底面平均凈反力,kPa;Al為沖切破壞錐體底面面積,m2;βhp為抗沖切截面高度影響系數(shù),h≤800 mm時(shí)取1.0,h≥2 000 mm時(shí)取0.9,其間按線性內(nèi)插法取值;ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,N/mm2;Ac為抗沖切截面水平投影面積,m2。

4 結(jié)束語(yǔ)

在多種工況對(duì)支架進(jìn)行了受力分析,總結(jié)各類荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響,確保了臨時(shí)支架在施工過程中的安全。在對(duì)鋼箱梁橋支架的強(qiáng)度、穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算的同時(shí),要對(duì)支架的地基承載力進(jìn)行驗(yàn)算,1～50 m單箱雙室鋼箱梁橋支架搭設(shè)推廣應(yīng)用的新型材料在試驗(yàn)段完成后及時(shí)對(duì)設(shè)備組合、指標(biāo)參數(shù)、工藝工序等技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié),可為規(guī)模化應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐;施工時(shí)應(yīng)詳細(xì)調(diào)查項(xiàng)目所在地的鋼結(jié)構(gòu)材料種類、分布情況,根據(jù)工程進(jìn)度計(jì)劃,將鋼箱梁橋支架擬使用的種類、使用部位、使用數(shù)量詳細(xì)分解到每個(gè)月度并對(duì)實(shí)施進(jìn)度進(jìn)行管理,按期核算完成情況并對(duì)鋼箱梁橋支架利用成本進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)算,包括鋼箱梁橋支架月度結(jié)算工作開展情況、鋼結(jié)構(gòu)材料的供應(yīng)使用情況等?？傊?鋼箱梁橋支架的配置應(yīng)本著實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、可靠的原則,提高管理效率和水平;施工中應(yīng)通過多種監(jiān)控手段的運(yùn)用,確保施工環(huán)境的安全、舒適與機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行高效、節(jié)能;同時(shí)對(duì)鋼箱梁橋支架搭設(shè)的現(xiàn)場(chǎng)施工工藝、控制參數(shù)進(jìn)行管控,保證規(guī)模化應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。