趙 越

(江蘇城鄉(xiāng)建設職業(yè)學院，江蘇 常州 213016)

橋梁施工滿堂支架有限元分析

趙 越

(江蘇城鄉(xiāng)建設職業(yè)學院，江蘇 常州 213016)

通過建立石浦高架橋某跨現(xiàn)澆箱梁滿堂支架的有限元模型，計算分析支架系統(tǒng)的軸力、拉壓應力及位移,以驗證支架系統(tǒng)的安全性及數(shù)值計算的可靠性，結(jié)果表明:支架最大應力值與位移值均未超過鋼管的強度值，支架系統(tǒng)的剛度和穩(wěn)定性滿足施工要求。

橋梁工程，滿堂支架，有限元法，位移分析

滿堂支架系統(tǒng)是目前現(xiàn)澆橋梁施工中廣泛采用的工藝，其中碗口式鋼管支架因其構(gòu)造簡單、安裝方便、便于運輸?shù)忍攸c，在各橋梁施工現(xiàn)場被廣泛采用，尤其在局部低洼、軟弱地段，特別適用于連續(xù)梁橋的施工。一直以來，對于滿堂支架的設計與計算，通常是根據(jù)計算工具手冊或套用先前工程項目成功案例來實施，不能很好的緊密貼合工程的實際情況，往往由于安全系數(shù)過大而造成不必要的浪費。而在國外，通常是在規(guī)范允許的框架下，大膽采用解析法和有限元建模計算的方法，通過計算機軟件建立實體模型，模擬分析計算滿堂支架的受力變化，并以此為設計提供依據(jù)。Midas/Civil是一款主要適用于橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析的軟件，進入我國已經(jīng)多年，并已和國內(nèi)的各項結(jié)構(gòu)設計規(guī)范進行了融合，簡便、直觀、可操作化是其優(yōu)勢和特點，本文以石浦高架橋現(xiàn)澆連續(xù)箱滿堂支架系統(tǒng)為案例，建立有限元模型，分析支架系統(tǒng)的應力、應變與位移變化，驗證支架的安全性，試圖為安全施工提供技術(shù)依據(jù)。

1 工程概況

石浦高架橋位于昆山市東城大道快速化改造二期工程南段，橋梁中心樁號為K3+860，起點樁號K3+200，終點樁號K4+520。全橋共2個橋臺，43個橋墩，分14聯(lián)，其中1聯(lián)～6聯(lián)及9聯(lián)～14聯(lián)為3×30 m一聯(lián)，7聯(lián)～8聯(lián)為4×30 m一聯(lián)。

上部結(jié)構(gòu)采用預應力混凝土連續(xù)箱梁，采用滿堂支架現(xiàn)澆施工。箱梁梁高為2 m，連續(xù)箱梁均為等截面箱梁，箱梁底板、頂板形成雙向2%橫坡。箱梁為單箱四室截面。箱梁底寬17.0 m，頂寬為26.0 m，箱梁頂板厚度為25 cm；箱梁腹板厚度取用40 cm，加厚段腹板厚度為70 cm；箱梁底板厚度變化范圍20 cm～40 cm；翼緣板厚度20 cm，根部厚度60 cm。箱梁采用雙向預應力混凝土結(jié)構(gòu)。

2 支架方案

全橋采用碗扣式支架拼裝，縱橫步距為90 cm，縱向在頂?shù)装寮雍穸渭用転?0 cm步距，橫向在腹板位置加密為60 cm步距。支架下設調(diào)平底托，上設調(diào)平頂托。頂托上橫橋向放置10號H型鋼，然后順橋向布置10 cm×10 cm方木，方木間距30 cm。支架橫向剪刀撐以每3檔～5檔設置一道，沿橋?qū)挼姆较蚩倢捲O置，支架縱向剪刀撐設置在支架兩側(cè)及箱梁腹板的位置，每聯(lián)通長設置，總共設置7道。橋墩處支架在立柱外側(cè)與其余部位相同，內(nèi)側(cè)于系梁上搭設兩排支架，兩排支架與系梁中心線距離為30 cm，橫向間距與其他部位相同，并與相鄰的支架連接為整體，見圖1，圖2。

3 荷載標準

混凝土自重取25 kN/m3，模板自重取2 kN/m2，施工人員及設備荷載取2.5 kN/m2，澆筑和振搗混凝土產(chǎn)生的荷載取3.0 kN/m2，其他荷載取3.0 kN/m2。

根據(jù)《路橋施工手冊》查得鋼管立桿容許應力[σ]=140 N/mm2，則單根立桿容許承載力為：ψA[σ]=0.682×424×140=40.5 kN，在橫桿間距100 cm時，立桿容許荷載為31.7 kN，橫桿間距125 cm時，立桿容許荷載為29.2 kN，則當橫桿間距為120 cm時，用內(nèi)插法計算立桿容許荷載為：31.7-(31.7-29.2)×(100-120)/(100-125)=29.7 kN，綜合得單根立桿容許荷載為29.7 kN。

對三處分別進行驗算，其中一處為橫梁底部，一處為跨中腹板處，一處為跨中箱室處。

1)橫梁底部：此時橫向間距為0.6 m，縱向間距為0.6 m，混凝土高度為2 m，則正常施工時單桿承受荷載為(2+25×2+2.5+3+3)×0.6×0.6=21.83 kN，超載預壓時單桿承受荷載為(25×2×120%+3)×0.6×0.6=22.73 kN；

2)跨中腹板處：此時橫向間距0.6 m，縱向間距0.9 m，混凝土高度為0.4 m范圍內(nèi)為2 m，0.2 m范圍內(nèi)為0.45 m，則正常施工時單桿承受荷載為(2+2.5+3+3)×0.6×0.9+25×(0.4×2+0.2×0.45)×0.9=25.73 kN，超載預壓時單桿承受荷載為3×0.6×0.9+25×(0.4×2+0.2×0.45)×120%×0.9=25.63 kN；

3)跨中箱室處：此時縱橫間距均為0.9 m，混凝土高度為0.45 m，則正常施工時單桿承受荷載為(2+25×0.45+2.5+3+3)×0.9×0.9=17.63 kN，超載預壓時單桿承受荷載為(25×0.45×120%+3)×0.9×0.9=13.33 kN。

4 建立模型

應用大型有限元分析軟件Midas，建立連續(xù)梁及支架的空間離散模型，對0號塊滿堂支架進行模擬分析計算。

單位約定：力單位為kN，長度單位為m。

坐標約定：X坐標方向為順橋向，Y坐標方向為橫橋向，Z坐標方向為豎向。

正負號約定：正號表示拉力，負號表示壓力。

單元類型：主梁及支架均采用梁單元。

滿堂支架的構(gòu)成一般都為對稱結(jié)構(gòu)，為了簡化計算，可取最不利受力狀態(tài)的橋跨支架結(jié)構(gòu)來進行建模分析。在本案當中，箱梁的翼板部分結(jié)構(gòu)自重較輕，對支架結(jié)構(gòu)的受力影響不大，在驗算中忽略該部分，以梁下支架為分析主體，模型的橫向?qū)挾葹?0.2 m，縱向橋長為15.66 m，模型中共有節(jié)點3 864個，單元8 727個，立桿和水平桿采用梁單元，碗扣件采用節(jié)點方法連接，見圖3。

5 模型運行結(jié)果與結(jié)論

運行Midas/Civil有限元軟件的模型計算，結(jié)果顯示，在自重荷載、施工荷載、其他荷載的組合作用下，滿堂支架系統(tǒng)中水平桿主要承受拉力，支架系統(tǒng)中出現(xiàn)的最大軸向拉力為8.82 kN，根據(jù)《路橋施工手冊》關(guān)于材料荷載的要求，鋼管支架容許荷載為30.0 kN，計算出的最大拉力未超出容許值，不會出現(xiàn)受拉破壞。支架系統(tǒng)的立桿主要承受壓應力，立桿中出現(xiàn)的最大軸向壓力為29.3 kN，查得單根立桿容許荷載為29.7 kN，壓力未超出容許值，在組合荷載作用下，支架系統(tǒng)中出現(xiàn)的最大拉應力為85.47 N/mm2，最大壓應力為129.59 N/mm2，而計算出的立桿容許應力為140 N/mm2，由此可以看出，通過有限元支架模型計算出的受力均沒有超過規(guī)范值。

在組合荷載作用下，支架系統(tǒng)發(fā)生的彈性和非彈性變形見圖4，由圖4可以看出，其橫橋向出現(xiàn)的最大位移為2.14 mm，縱橋向最大位移為4.98 mm，豎向最大位移為5.01 mm。

參照GB 50204—2004混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量及驗收規(guī)范中驗算模板和支架剛度的有關(guān)規(guī)定，對于結(jié)構(gòu)表面外露的模板，模板和支架的最大變形值為模板構(gòu)件計算跨度的1/400，即3.75 cm。本模型取計算跨徑15 m，計算出水平方向最大位移為2.14 mm，因此水平方向變形量滿足規(guī)范要求。規(guī)范要求支架的壓縮變形值或彈性撓度為相應結(jié)構(gòu)計算跨度的1/1 000，則規(guī)范允許值為15 m/1 000=0.015 m=1.5 cm，支架立桿的壓縮變形值約為5.01 mm，所以該支架壓縮變形值滿足規(guī)范設計的要求。

[1] 邱福平，呂忠明，夏來福．關(guān)于淺水、軟地基現(xiàn)澆箱梁滿堂支架地基處理施工工法的研究[J]．交通科技，2010(S2):26-29．

[2] 俞洪良，張土橋，潘新華．支模腳手架安全管理控制系統(tǒng)研究[J]．建筑經(jīng)濟，2007(S2):29-32．

[3] 周永光，何兆益，鄒毅松，等．路橋施工手冊[M]．北京:人民交通出版社，2001:436-438．

Finite element analysis on bridge construction scaffold

Zhao Yue

(JiangsuVocationalCollegeofUrban-RuralConstruction,Changzhou213016,China)

Through establishing finite element mode of crossing-Shipu bridge scaffold, the paper analyzes axial force, pulling stress and displacement of support system, and testifies the support system safety and numerical calculation reliability. Results show that: the maximum stress value and displacement value of the support system don’t exceed steel pipe strength value. In additional, the support system rigidity and stability meet construction demands as well.

bridge engineering, scaffold, finite element method， displacement analysis

2015-03-09

趙 越(1981- )，男，碩士，講師

1009-6825(2015)14-0166-02

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