(山東科技大學(xué)交通學(xué)院 山東 青島 266590)

基于有限元原理的連續(xù)梁橋鋼管樁支架驗(yàn)算

陳曉煥鄭明保

(山東科技大學(xué)交通學(xué)院山東青島266590)

有限元原理是將求解域看成是由許多小互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件，得到問題的解。Midas Civil是通用的有限元分析軟件，針對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土橋、懸索橋等橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、分析及后處理等方面有指導(dǎo)性意義。本文針對(duì)豉湖渠0塊支架利用Midas Civil，建立計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)算分析以便于為現(xiàn)場(chǎng)提供準(zhǔn)確、安全的施工方案。

有限元；連續(xù)梁橋；鋼管樁；Midas Civil

一、支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

豉湖渠特大橋采用懸臂法預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，單箱單室結(jié)構(gòu)，全長(zhǎng)81.04米。0長(zhǎng)度為9m，梁寬12.02m，主跨橋墩承臺(tái)截面形式為12.2×8.3m，0施工直接設(shè)在承臺(tái)上的梁式支架進(jìn)行現(xiàn)澆施工。

鋼支撐結(jié)構(gòu)豎向支撐采用直徑φ630mm，壁厚8mm螺旋焊管，共8根，分2排、每排4根，鋼管底部與承臺(tái)頂面預(yù)留的預(yù)埋鋼板焊接。鋼管內(nèi)灌注C50砼并設(shè)置錨固鋼筋與0段梁體固結(jié)，鋼管兩側(cè)設(shè)置牛腿采用2根Ⅰ45b工字鋼，在牛腿上橫橋向各布置2根Ⅰ45b工字鋼，工字鋼上縱橋向懸臂段每側(cè)沿梁底方向布置14根Ⅰ40a的工字鋼，I40a工字鋼上橫向每側(cè)布置7根Ⅰ20a工字鋼。工字鋼上設(shè)[14槽鋼，槽鋼內(nèi)設(shè)10*10cm方木，其上縱向布置10*10cm方木，間距20cm，方木上設(shè)15mm厚竹膠板作為底模。具體布置己尺寸見0塊支架設(shè)計(jì)圖。

圖1 支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

二、荷載及材料參數(shù)

(一)荷載取值

1.新澆筑混凝土自重為q1=26kN/m3(荷載代號(hào)①)；

2.模板自重(按150kg/m2考慮)q2=1.5kN/m2(荷載代號(hào)②)；

3.施工荷載人員、材料及施工機(jī)具荷載q3=2.5kN/m2(荷載代號(hào)③)；

4.振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載，垂直面模板取q4=4.0kN/m2，水平面模板取q4=2.0kN/m2(荷載代號(hào)④)；

5.澆筑混凝土?xí)r產(chǎn)生的沖擊荷載，取均布荷載q5=2.0kN/m2(荷載代號(hào)⑤)[1]；

6.新澆筑混凝土對(duì)側(cè)面模板的壓力，根據(jù)《規(guī)程》要求計(jì)算(荷載代號(hào)⑥)。

(二)荷載組合

1.承載能力極限狀態(tài)下荷載組合

計(jì)算強(qiáng)度時(shí),荷載設(shè)計(jì)值=1.2×(①+②)+1.4×(③+④+⑤)；計(jì)算側(cè)模板強(qiáng)度時(shí)，荷載設(shè)計(jì)值=1.4×(④+⑥)。

2.正常使用極限狀態(tài)下荷載組合

計(jì)算剛度時(shí)，荷載標(biāo)準(zhǔn)值=①+②；計(jì)算側(cè)模板剛度時(shí)，荷載標(biāo)準(zhǔn)值=⑥。

(三)材料參數(shù)

竹膠板：E=4.5×103MPa；fw=50Mpa；方木：E=9.0×103MPa；fw=13Mpa；Q235鋼:E=2.06×105MPa;fw=215Mpa。

三、支架驗(yàn)算的有限元分析

(一)竹膠板面板驗(yàn)算

面板采用15mm厚竹膠板，方木(10*10cm)間距0.2m，按三等跨連續(xù)梁進(jìn)行驗(yàn)算，取計(jì)算單元寬度為1mm，計(jì)算跨徑0.1m。采用荷載較大的墩邊斷面，按均布荷載進(jìn)行計(jì)算。

圖2 截面特性值(單位：m)

慣性矩：I=bh3/12=1×153/12=281.25mm4；

截面抵抗矩：W=bh2/6=1×152/6=37.5mm3。

1.受力計(jì)算(均布荷載)

計(jì)算強(qiáng)度：q1=1.2×(26×3.87/0.8×0.001+1.5×0.001)+1.4×(2.5+2+2)×0.001=16.18×10-2KN/m

計(jì)算撓度：q2=26×3.87/0.8×0.001+1.5×0.001=12.73×10-2KN/m

(二)塊支架整體驗(yàn)算

1.整體模型建立

采用有限元分析軟件Midas civil進(jìn)行模型建立，用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。從I20a工字鋼以下建立整體計(jì)算模型，模型包括的構(gòu)件從上向下依次為橫向工字鋼(I20a)、縱橋向工字鋼(I40a)、橫向工字鋼(2I45b)、牛腿(2I45b)、鋼管立柱(Φ630×8)及柱間[14支撐槽鋼。

經(jīng)有限元驗(yàn)算分析，0塊支架整體的應(yīng)力及變形形狀結(jié)果如圖3、4所示:

圖3 正應(yīng)力分析結(jié)果圖

圖4 變形分析結(jié)果圖

由上圖可知，0 塊整體支架的最大正應(yīng)力為105.8MPa

2.鋼管樁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算:

ωk=0.7μsμzω0=0.7×1.3×1×0.3=0.273

式中：

ωk—風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(KN/m2)

μs—風(fēng)荷載體型系數(shù)，桿件截面取1.3[2]。

μz—風(fēng)壓高度變化系數(shù)，B類高度10m，取1.0。

ω0—基本風(fēng)壓(KN/m2)，取0.3[2]。

可知結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足要求。

由荷載組合0.9×②+0.9×(③+⑦)知F=0.9×368.7+0.9×(2.5+0.273)=334.3KN

式中：N—計(jì)算軸向壓力；

Am—構(gòu)件的毛截面積；

[σ]—Q235彎屈允許應(yīng)力為145MPa。

其中鋼管柱打剪刀撐后的最大節(jié)段長(zhǎng)度為220cm，h截面寬度為63cm。λ=L/h0=220/63=3.49，查表得1=0.9。

3.臨時(shí)支墩配筋計(jì)算

懸臂澆筑時(shí)最大不平衡彎矩和箱梁重量由臨時(shí)支墩和橋墩共同承擔(dān)，無拉力出現(xiàn)，為安全，增設(shè)抗彎鋼筋，設(shè)計(jì)支墩承受的彎矩21945KN.m?？v向鋼管柱之間的距離6.6m。Ft=21945/6.6=3324.7KN,一個(gè)鋼管柱承受拉應(yīng)力F=3324.7/2=1662.3KN，計(jì)算時(shí)考慮混凝土不受拉，拉力由鋼筋承擔(dān)，采用φ25精軋螺紋鋼筋,σ為455MPa，抗拉鋼筋截面積As=1662.3KN/455MPa=3653mm2，1根φ25精軋鋼筋截面面積491mm2，則一個(gè)臨時(shí)支座最少鋼筋束數(shù)量n=3653/491≈8根,實(shí)際配筋為20根，滿足要求。

4.鋼筋錨固深度計(jì)算

鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為fy=455N/mm2,墩身混凝土用C50,軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ft=1.83N/mm2，即

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際埋深為2m，滿足要求。

四、結(jié)論

結(jié)構(gòu)分析，研究結(jié)構(gòu)力學(xué)性能,建立結(jié)構(gòu)數(shù)值分析模型,利用假定外部環(huán)境,對(duì)數(shù)學(xué)模型作理論性實(shí)驗(yàn)分析的總過程，需準(zhǔn)確地表現(xiàn)結(jié)構(gòu)特性及外部環(huán)境[4]。因此,結(jié)構(gòu)分析必須了解實(shí)際結(jié)構(gòu)材料特性,掌握結(jié)構(gòu)剛度,選擇合理的有限計(jì)算單元,使計(jì)算結(jié)構(gòu)模型、結(jié)果同實(shí)際相符合。針對(duì)豉湖渠0塊支架的設(shè)計(jì)，運(yùn)用Midas/civil合理選取單元，準(zhǔn)確模擬荷載、邊界條件等因素仿真分析。經(jīng)分析驗(yàn)算，本支架設(shè)計(jì)方案安全穩(wěn)定，應(yīng)力與變形均滿足要求，現(xiàn)場(chǎng)施工可采納。

[1]TB 10110-2011.鐵路混凝土梁支架現(xiàn)澆施工技術(shù)規(guī)程[S].

[2]GB 50009-2012.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[3]周水興.路橋施工計(jì)算手冊(cè)[S].北京：人民交通出版社，2001.

[4]王磊,楊培誠,王佳.MIDAS/Civil在鋼管樁支架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].交通科技，2010，(S1)：4-5.[2017-09-05].

陳曉煥(1994-)，女，漢族，山東省青島市黃島區(qū)，山東科技大學(xué)交通學(xué)院、碩士研究生、交通運(yùn)輸工程專業(yè)。