吳 競, 陳 魯, 柳 民, 李虹余, 呂 陽

（1.同濟大學浙江學院，浙江 嘉興 314051；2.浙江興土橋梁專用裝備制造有限公司，浙江 嘉興 314000；3.浙江興土橋梁臨時鋼結(jié)構(gòu)工程有限公司，浙江 嘉興 314000）

在橋梁施工過程，特別是大型橋墩墩身的施工過程的輔助設施搭設和拆卸過程中，傳統(tǒng)腳手架節(jié)點和桿件繁多，搭設復雜，轉(zhuǎn)場困難，造成了施工工期加長，施工人員安全隱患大等問題[1]。而且，根據(jù)不同的施工過程，腳手架的搭設方式等都要進行相應的設計，在豎向施工荷載下的受力計算尤其要，特別是要考慮偏載下整體結(jié)構(gòu)的受力性能，否則可能會引起失穩(wěn)破壞[2]，所以形成了各式各樣的腳手架搭設技術[3～5]，而腳手架的安全網(wǎng)通常是通過麻繩、棕繩或尼龍繩等編織而成，僅起防止人或物件墜落的作用，在施工過程中不起受力作用。

針對上述問題，某橋梁臨時鋼結(jié)構(gòu)裝配公司開發(fā)研制了新型墩身施工安全防護架，防護架標準節(jié)段主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，該防護架主要通過每個單元的4根立柱承受豎向荷載，各單元之間通過柱端插入式進行連接，縮短了施工工期。外圍的安全防護網(wǎng)為帶孔的鋼片，起到了維護作用，但因安全防護網(wǎng)所占面積大，與整體結(jié)構(gòu)間通過螺栓連接，所以考慮其在整體豎向受力過程中是否有貢獻問題，進行了豎向荷載下整體施壓（簡稱整壓）、防護網(wǎng)一側(cè)偏壓（簡稱后偏壓）和無防護網(wǎng)一側(cè)（簡稱前偏壓）3種工況下的現(xiàn)場試驗和有限元分析，通過有無防護網(wǎng)的梁柱應力和位移數(shù)據(jù)的對比，研究防護網(wǎng)抵抗豎向荷載下的受力和變形性能，為安全防護架的優(yōu)化設計和施工過程提供了依據(jù)。

圖1 標準節(jié)段實圖

1 試驗方案

1.1 試驗內(nèi)容和加載工況

為了得到在豎向受力過程中，防護網(wǎng)參與受力的情況，對安全防護架標準單元進行了整壓、后偏壓和前偏壓3種受力工況的試驗，具體試驗內(nèi)容如下：①標準節(jié)架體豎向整體荷載試驗：選取3個標準架體，采用分級豎向整體堆載的方式加載（圖2a），加載同時，測量關鍵構(gòu)件以及關鍵部位的構(gòu)件應力，結(jié)構(gòu)變形等關鍵參數(shù)，逐級加載，得到3個標準節(jié)架體在加載過程中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件響應變化過程；②標準節(jié)架體豎向偏心（圖2b、圖2c）荷載試驗均選取3個標準架體，加載方式及數(shù)據(jù)提取同整壓工況。

圖2 標準節(jié)加載示意圖

1.2 加載方式

為驗證安全防護架單元體豎向荷載作用下防護網(wǎng)參與受力后，結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的關鍵部位的應力、變形等參數(shù)。采用豎向分級堆載的方式模擬豎向荷載加載，重物采用標準鋼錠，分級加載。1～6級加載質(zhì)量分別為0.3415t/m2、4t/m2、7t/m2、9t/m2、12t/m2、15t/m2，1～2級卸載質(zhì)量分別為8t/m2和0。

每級加載后持荷時間按不小于5min，為保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞，如發(fā)生以下情況則終止加載：構(gòu)件脫落或有脫落跡象；結(jié)構(gòu)產(chǎn)生連續(xù)發(fā)展的側(cè)向位移；結(jié)構(gòu)產(chǎn)生連續(xù)發(fā)展的豎向撓度；主要構(gòu)件表面應力超出屈服強度的1.5倍。

2 有限元分析

2.1 有限元模型

利用Abaqus通用有限元軟件，并根據(jù)安全防護架各構(gòu)件的尺寸和連接形式，建立有限元模型，所有構(gòu)件均采用C3D8R六面體實體單元，材料Q235B，楊氏模量2.1×1011N/m2，泊松比0.3，密度7 800kg/m3，構(gòu)件間聯(lián)結(jié)形式為剛接。

2.2 分析步、荷載和邊界條件的設置

共設置2個分析步。先選擇靜力、通用分析步，時間長度為1，最大增量步數(shù)為100，初始增量步為0.001，最大增量步為1，最小增量步為1×10-5；再選擇靜力、通用分析步，時間長度為7，最大增量步數(shù)為1 000，初始增量步為0.001和最大增量步為7，最小增量步為1×10-5。

防護架與地面簡支設置，即在一側(cè)柱下端設置固定鉸支座，放松繞短向橫梁軸線的轉(zhuǎn)動約束；另一側(cè)柱下端為可移動鉸支座，放松垂直于柱軸向的水平位移和繞短向橫梁軸線的轉(zhuǎn)動約束。

因在放置鋼錠前，在防護架上側(cè)放置了重量為1t的鋼板，所以在分析步1中，設置滿布荷載為3 415N/m2。

3 對比分析

3.1 應力

為了討論防護網(wǎng)參與安全防護架豎向荷載下的受力情況，選取了8個測點的Mises應力進行分析（圖3）。圖中粗實線表示的立柱兩側(cè)均無防護網(wǎng)，3、4測點分別位于該立柱的下端和中間截面；1、2測點所在立柱兩側(cè)均有防護網(wǎng)；5、6、7、8分別為4根橫梁跨中截面。

圖3 應力測點布置圖

將以上8個測點的數(shù)值分析結(jié)果（理論值）和現(xiàn)場試驗結(jié)果（試驗值）的應力數(shù)據(jù)進行整理，試驗數(shù)據(jù)選取4t/m2、9t/m2、15t/m2的實測數(shù)據(jù)取的3次試驗數(shù)據(jù)的平均值，其中柱身數(shù)據(jù)取同一位置4個應變片數(shù)據(jù)的平均值，橫梁取翼緣板表面的應變片數(shù)據(jù)，然后將每個測點對應荷載下后偏壓與整體施壓應力之比、前偏壓與整體施壓應力之比分別列出，見表1。

對于立柱（1～4號測點），從表1和圖4可以看出，兩側(cè)有防護網(wǎng)立柱的1、2測點的后偏壓應力與整壓應力之比小于3、4測點的前偏壓應力與整壓應力之比，試驗值比理論值更為明顯，說明后偏壓時防護網(wǎng)在承受豎向荷載上起到了有利作用，使立柱的應力減小。

對于橫梁（5～8號測點），從表1和圖4可以看出，5號測點（所在短邊橫梁下側(cè)有防護網(wǎng)）后偏壓與整壓的應力理論值和試驗值之比，和前偏壓與整體的應力理論值和試驗值之比比較接近，7號測點（所在短邊橫梁下側(cè)無防護網(wǎng)）后偏壓與整壓的應力理論值和試驗值之比，小于前偏壓與整壓的應力理論值和試驗值之比，說明防護網(wǎng)起到了一定的有利作用，但不明顯。8號測點（所在長邊橫梁下側(cè)有防護網(wǎng)）后偏壓與整壓的應力理論值和試驗值之比，明顯小于6號測點（所在長邊橫梁下側(cè)無防護網(wǎng)）前偏壓的應力理論值和試驗值之比，說明防護網(wǎng)對長邊橫梁豎向荷載下的受力影響較大。

表1 偏壓與整壓應力之比

圖4 偏壓與整壓應力之比

3.2 位 移

根據(jù)研究內(nèi)容，取安全防護架橫梁和立柱撓度測點如圖5所示。圖中粗實線表示的立柱兩側(cè)均無防護網(wǎng)，f1、f2、f3測點分別頂框架3根橫梁跨中撓度測點位置；1、2測點所在立柱兩側(cè)均有防護網(wǎng)；3、4測點所在立柱橫向有防護網(wǎng)而縱向無防護網(wǎng)。

圖5 空間位移測點布置圖

將以上7個測點的數(shù)值分析結(jié)果（理論值）和現(xiàn)場試驗結(jié)果（試驗值）的位移數(shù)據(jù)進行整理，試驗數(shù)據(jù)選取4t/m2、9t/m2、15t/m2的實測數(shù)據(jù)取的3次試驗數(shù)據(jù)的平均值，其中柱身數(shù)據(jù)取同一位置兩個方向位移數(shù)據(jù)算術平方根的平均值，橫梁取跨中豎向位移數(shù)據(jù)的平均值，然后將每個測點對應荷載下后偏壓與整體施壓位移之比、前偏壓與整體施壓位移之比分別列出，見表2。

對于橫梁（f1～f3號 測點），從表2和圖6可以看出，f3號測點（所在短邊橫梁下側(cè)有防護網(wǎng)）后偏壓與整壓的位移理論值和試驗值之比，與f1測點前偏壓與整體的位移理論值和試驗值之比相差不大。f2號測點（所在短邊橫梁下側(cè)無防護網(wǎng)）后偏壓與整壓的位移理論值和試驗值之比，和前偏壓與整壓的位移理論值和試驗值之比也相差不大，說明防護網(wǎng)在豎向荷載下對限制橫梁位移貢獻不大。

對于立柱（4(①)～7(④)號測點），從表2和圖6可以看出，兩側(cè)有防護網(wǎng)立柱的4(①)、5(②)測點的后偏壓與整壓位移理論值之比接近于6(③)、7(④)測點的前偏壓與整壓位移理論值之比，試驗值前者略低，說明防護網(wǎng)在豎向荷載作用下對限制立柱位移的貢獻也不大。

表2 偏壓與整壓位移之比

圖6 偏壓與整壓位移之比

4 結(jié) 語

通過對新型墩身安全防護架進行現(xiàn)場試驗和理論分析，可以得到如下結(jié)論。

1）防護網(wǎng)在墩身安全防護架豎向荷載作用下，對立柱的應力和長向橫梁的應力有利作用較大，而對短向橫梁的應力和梁柱空間位移的貢獻不大，可以起到維持整體穩(wěn)定性的作用。

2）墩身安全防護架在豎向荷載作用下，梁柱關鍵部位的應力理論值和試驗值比較接近，但位移理論值和試驗值相差懸殊，是由于現(xiàn)場試驗時防護架整體的剛體位移所造成。

3）在墩身安全防護架優(yōu)化設計時，可考慮防護網(wǎng)對豎向荷載作用下立柱受力的貢獻，適當減小防護網(wǎng)一側(cè)立柱的截面尺寸。

采用新型墩身施工防護架體系可以有效地解決傳統(tǒng)施工手段存在的施工復雜，安全性低、施工周期長等問題。通過對新型防護架體系的理論分析計算和荷載試驗，可以有效地證明其承載能力并發(fā)現(xiàn)其存在的問題，經(jīng)過后續(xù)的改進，可以廣泛地應用到現(xiàn)在橋梁施工領域中去，對推進我國橋梁建設行業(yè)起到有益的作用。

[參考文獻]

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