楊 慧

(江西中煤建設(shè)集團有限公司,南昌 330038)

鋼箱梁結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于大跨度、高性能的市政橋梁建設(shè)中,其結(jié)構(gòu)簡單,承載能力強。臨時支架是橋梁施工中的關(guān)鍵部分,主要用于支撐鋼箱梁及相關(guān)構(gòu)件[1]。臨時支架的合理設(shè)計可確保橋梁施工的穩(wěn)定性及安全性,優(yōu)化臨時支架設(shè)計能夠提高施工效率,降低施工成本,減少對交通的影響,為城市交通的順利發(fā)展提供有力保障[2]。

某市政高架橋鋼箱梁分為左右兩幅(LZ19聯(lián)、LY19聯(lián)),為雙層鋼箱梁上跨市政主干道,單箱兩室截面,梁高1.72 m,LZ19聯(lián)長135.29 m,橋面寬度14.75 m,縱坡0.5%。LY19聯(lián)長104.342 m,橋面寬度13 m,縱坡0.3%,上層鋼箱梁橫梁伸出箱體之外,支承于橋墩頂上,下層鋼箱梁橫梁伸出箱體之外,支承于橋墩牛腿上。LZ19聯(lián)鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面為單箱兩室箱梁,頂板寬14.75 m,箱底寬8.748 m,兩側(cè)懸臂長度為3.5 m。LY19聯(lián)鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面,頂板與箱底寬度分別為13.0 m、7.0 m,懸臂長度為2.35 m,梁高均為1.72 m。

鋼箱梁頂面設(shè)單向橫坡,面、底板橫橋向為平行。鋼箱梁臨時支架材質(zhì)采用Q235,彈性模量E=2.0×105MPa,容重r=78.5 kN/m3,容許應(yīng)力[σ0]=200 MPa。圖1為吊裝支架立面布置。

1 計有限元驗算分析

在進行臨時支架驗算前,需對支架所受的各種荷載進行特性分析。主要荷載包括自重、橋梁施工荷載、臨時支架自身的荷載等[3]。自重是臨時支架最常見的荷載,需要準(zhǔn)確估算支架各構(gòu)件的自重,以確定其對支架整體穩(wěn)定性的影響。橋梁施工荷載是支架設(shè)計的主要荷載,需要根據(jù)鋼箱梁的施工過程及具體工況計算各種施工荷載的作用情況。在荷載特性分析的基礎(chǔ)上進行支架構(gòu)件的受力分析,這是支架驗算的核心。支架各構(gòu)件受力情況的合理分析是確保支架穩(wěn)定的關(guān)鍵,通過應(yīng)力、變形、位移等方面的分析可判斷支架構(gòu)是否存在過載或失穩(wěn)等問題。

根據(jù)吊裝支架技術(shù)要求確定其最不利受力狀況為1～6支架,進行建模計算,如圖2所示。

圖2 最不利受力支撐Fig.2 Most unfavorable bracing

1.1 模型的構(gòu)建

受力計算分兩步進行,吊裝LZ19聯(lián)時,LY19梁段已經(jīng)有力作用在支架上,重力轉(zhuǎn)化為節(jié)點荷載作用在立柱上,各立柱分布承受27 t,LZ19梁段的重力轉(zhuǎn)化為節(jié)點荷載作用在立柱上,考慮沖擊力的影響,重量乘以1.4的沖擊系數(shù),各立柱分布承受21 t。計算梁段吊裝在臨時支架上時立柱的強度及剛度,采用MidasCivil有限元軟件對臨時支架結(jié)構(gòu)進行模擬。采用空間梁結(jié)構(gòu)單元模擬各個桿件,材料選用Q235,假定立柱柱腳不發(fā)生沉降及轉(zhuǎn)動,對約束節(jié)點進行6個自由度的約束,即不允許節(jié)點在X、Y、Z方向上發(fā)生位移變形及繞X、Y、Z軸旋轉(zhuǎn)。將適當(dāng)?shù)墓?jié)點荷載施加在支架的吊裝位置,模擬吊裝過程中的實際受力情況。采用梁單元均布荷載,將荷載均勻地施加在鋼箱梁的橫梁上,得到鋼箱梁臨時支架在實際工況下的受力及變形情況,為支架的設(shè)計和驗算提供重要依據(jù)。吊裝支架加載如圖3所示。

圖3 吊裝支架加載Fig.3 Loading of lifting support

1.2 支架強度驗算

考慮吊裝的沖擊系數(shù)與施工荷載的不均衡系數(shù),箱梁自重分項系數(shù)取1.4,支架自重分項系數(shù)取1.1。支架結(jié)構(gòu)總體應(yīng)力模擬情況如圖4所示。由圖4計算可得,立柱最大應(yīng)力為84.9 MPa(壓應(yīng)力),聯(lián)接系最大應(yīng)力為78.6 MPa(壓應(yīng)力)。

圖4 結(jié)構(gòu)總體應(yīng)力(1.1恒+1.4吊裝荷載,單位:MPa)Fig.4 Overall structural stress (1.1 constant +1.4 lifting load, unit: MPa)

1.3 剛度驗算

支架立柱橫向撓度模擬情況如圖5所示。考慮吊裝過程中的豎向荷載組合,得到的立柱橫向撓度最大值為2.9 mm,故支架剛度滿足要求。

圖5 立柱橫向撓度(1.1恒+1.4吊裝荷載,單位:mm)Fig.5 Lateral deflection of the column (1.1 constant +1.4 lifting load, unit: mm)

1.4 穩(wěn)定性驗算

考慮最不利狀況,結(jié)構(gòu)同時受到恒載與活載的作用,采用倍增方式求解結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)。計算結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)δ>33.2,即結(jié)構(gòu)的臨界荷載遠遠大于實際作用荷載,結(jié)構(gòu)在最不利情況下具有較高的穩(wěn)定性,不會發(fā)生穩(wěn)定性失穩(wěn)現(xiàn)象。一階失穩(wěn)模態(tài)為立柱的失穩(wěn),說明在該情況下支架中的立柱是整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性薄弱環(huán)節(jié),如圖6所示。

圖6 結(jié)構(gòu)一階失穩(wěn)模態(tài)局部屈曲Fig.6 Local buckling of the first-order instability mode of the structure

1.5 支座反力

在荷載組合作用下,結(jié)構(gòu)的支座反力與彎矩對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及地基的承載能力有重要影響。通過數(shù)值模擬與仿真得到各個支座的反力大小、方向及彎矩的分布情況,評估結(jié)構(gòu)不同位置的受力情況、抗彎能力及變形控制性能。為配合基礎(chǔ)驗算,提取荷載組合作用下的結(jié)構(gòu)支座反力τ、彎矩M,見表1。

表1 支座節(jié)點反力及彎矩表Tab.1 Reaction force and bending moment of support joints

2 結(jié)論

根據(jù)MidasCivil有限元計算可知,在1.1結(jié)構(gòu)自重+1.4吊裝荷載作用下,該鋼箱梁臨時支架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為84.9 MPa,強度滿足要求。豎向荷載作用下支架豎向撓度2.9,剛度滿足施工荷載的需求。恒載與施工荷載一起倍增的情況下,結(jié)構(gòu)安全系數(shù)大于33.2,滿足施工要求。

在臨時支架設(shè)計過程中需充分考慮材料性能、結(jié)構(gòu)形式、荷載特性等多方面因素,以確保臨時支架的安全穩(wěn)定。結(jié)合具體工程實例,采用MidasCivil有限元對該高架橋鋼箱梁臨時支架進行模擬計算。結(jié)果表明,在1.1結(jié)構(gòu)自重+1.4吊裝荷載作用下,臨時支架的強度、剛度及安全性能均滿足施工要求,為類似橋梁工程實踐提供了參考及借鑒。