某斜拉橋臨時支架空間結(jié)構(gòu)分析

黃鵬 顏軍勝

1，華南理工大學 土木與交通學院 廣州 510640

2，江西省永新縣交通局，江西吉安 343400

某斜拉橋臨時支架空間結(jié)構(gòu)分析

黃鵬1顏軍勝2

1，華南理工大學 土木與交通學院 廣州 510640

2，江西省永新縣交通局，江西吉安 343400

鋼管支架是土木工程施工過程中經(jīng)常運用的一種支撐結(jié)構(gòu)。在保證支架結(jié)構(gòu)強度、剛度和穩(wěn)定性要求的基礎(chǔ)上也需要考慮它的經(jīng)濟性。本文以某斜拉橋為背景，用ANSYS通用有限元軟件建立了四種空間有限元支架模型并進行比較分析，為橋梁施工提供理論依據(jù)。

臨時支架；有限元分析；穩(wěn)定性

Temporary Bracket; finite element analysis; stability

引言

鋼管支架是土木工程施工過程中經(jīng)常運用的一種支撐結(jié)構(gòu)，隨著材料和施工工藝的發(fā)展，臨時支架結(jié)構(gòu)單位長度的重量減輕，用鋼量減少，從而大大提高了經(jīng)濟效益，推進橋梁結(jié)構(gòu)向大跨度和輕型化發(fā)展。同時，由于臨時支架桿件和節(jié)點數(shù)量很多，計算復(fù)雜，在追求經(jīng)濟性的同時，施工技術(shù)人員和監(jiān)理人員往往只憑經(jīng)驗或局部驗算支架結(jié)構(gòu)強度來搭設(shè)，因而在橋梁施工過程中存在著相當大的事故隱患[1]，本文以某斜拉橋為工程背景，利用ANSYS有限元軟件對其在施工過程中的臨時支架結(jié)構(gòu)進行全面的強度、剛度和穩(wěn)定性計算及研究，為橋梁施工提供理論依據(jù)。

1 支架結(jié)構(gòu)介紹及模型建立

1.1 四種支架模型及結(jié)構(gòu)特點

該斜拉橋主跨鋼主梁采用懸臂施工方法，因受環(huán)境情況的制約，0#塊及邊跨鋼箱梁均采用鋼管支架滑移就位。其邊跨跨度為208m且在50m處設(shè)置有輔助墩。本文共建立四種支架布置方式，取最不利荷載工況進行比較分析，四種支架的ANASY模型如圖1所示。

四種支架各自24排鋼管樁管型均為φ800×10，單幅支架每一排鋼管樁由2根組成，橫向的2根鋼管之間通過橫聯(lián)及斜撐連接，管型為φ630×6的鋼管，其中支架一采用圖2左側(cè)方式，后三種支架采用圖2右側(cè)方式。鋼管樁頂部設(shè)置了墊梁，在墊梁頂面設(shè)置貝雷梁，貝雷梁上設(shè)置滑道。

圖1 四種支架ANSYS模型

圖2 支架橫向布置

支架一、二的第14、18、21、22排鋼管樁均有一定的傾角，如此設(shè)置是考慮地質(zhì)的原因，此處打樁成本較大。支架三、四則在此處采用豎直鋼管。

支架一在鋼管樁間(橫向和縱向）設(shè)置較多斜撐，支架二、三、四設(shè)置較簡單斜撐。支架三斜撐設(shè)置在中間，支架四則設(shè)置在鋼管樁頂部。

模型均采用beam44單元進行模擬，固結(jié)橋墩頂部以及鋼管樁底部節(jié)點。

1.2 荷載取值與組合

在施工過程中施加在該支架的荷載種類共有自身自重、鋼箱梁自重及風荷載三種，現(xiàn)取三種荷載疊加的荷載組合進行結(jié)構(gòu)分析。其中鋼箱梁自重通過滑座傳遞給支架，因此按實際情況模擬為35個集中荷載豎向施加在滑道上（表1）。

風荷載根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTGD60—2004）進行計算，風速取為17m/ s，施加在鋼箱梁上的風荷載均等效到貝雷梁上弦桿上，貝雷梁上風荷載均攤到上下弦桿上。計算得到鋼箱梁風壓0.455KPa，貝雷梁風壓0.567KPa，其它桿件風壓為0.409KPa。

表1 各滑座反力(噸）

1.3、材料受荷性能

根據(jù)《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》JTJ025-86的規(guī)定，臨時性結(jié)構(gòu)在荷載組合Ⅲ下容許應(yīng)力乘以提高系數(shù)1.4的情況下取A3鋼的軸向壓力[σ]＝196MPa，彎曲應(yīng)力[σw]＝203MPa，剪應(yīng)力[τ]＝118MPa。

2 計算結(jié)果比較

2.1 變形結(jié)果比較

經(jīng)過計算得到四種模型變形結(jié)果如表2所示。

表2 各類支架荷載作用下變形比較

對于豎向變形：支架一、二最大值均發(fā)生在第14排鋼管樁頂端貝雷梁處，支架三、四則發(fā)生在第6排鋼管樁頂端貝雷梁處；對于橫橋向變形，四種支架最大值均發(fā)生在第12、13排鋼管樁頂端貝雷梁處；對于順橋向變形，支架一、二最大值發(fā)生在第14排鋼管樁折角處，支架三、四則發(fā)生在第6排鋼管樁頂端。以支架二為例，變形圖如圖3所示

圖3 支架二豎向變形(上圖）及橫橋向變形(下圖）（m）

2.2應(yīng)力結(jié)果比較

經(jīng)過計算得到四種模型墊梁以下應(yīng)力結(jié)果如表3所示。

表3 各類支架荷載作用下應(yīng)力比較

支架一最大拉壓應(yīng)力均發(fā)生在第13排鋼管樁頂端，支架二、三、四最大拉壓應(yīng)力均發(fā)生在第13排底層鋼管橫向平聯(lián)處。支架三最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力圖如圖4所示。

圖4 支架三最大拉應(yīng)力(上圖）及最大壓應(yīng)力(下圖）

2.3 穩(wěn)定性結(jié)果比較

穩(wěn)定問題在橋梁工程中與強度問題有著同等重要的意義。研究穩(wěn)定問題有兩種形式，即第一類穩(wěn)定的分支點失穩(wěn)問題，第二類穩(wěn)定的極值點失穩(wěn)問題。實際工程中的穩(wěn)定問題一般都表現(xiàn)為第二類問題，但是，由于第一類穩(wěn)定問題是特征值問題，求解方便，且算出的穩(wěn)定系數(shù)有較高的可靠性，因此第一類穩(wěn)定問題同樣有著重要的工程意義[2]。第一類穩(wěn)定問題方程如式1所示。

式中K0為參考荷載下幾何剛度矩陣；?為結(jié)構(gòu)線性剛度矩陣；λ為穩(wěn)定性系數(shù)。[3]通過計算得四種模型在荷載作用下的穩(wěn)定性系數(shù)如表4所示。

表4 各類支架荷載作用下前三階穩(wěn)定性系數(shù)

結(jié)果表明各類支架前三階屈曲均發(fā)生在貝雷梁上，屈曲系數(shù)比較接近，且均大于4，滿足規(guī)范結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。支架一前兩階屈曲狀態(tài)如圖5所示。

圖5 支架一屈曲狀態(tài)第一階(上圖）及第二階(下圖）

2.4 綜合比較

以上從變形、應(yīng)力及穩(wěn)定性，也即從剛度、強度和穩(wěn)定三個方面比較了四種支架的受力情況。

綜合比較發(fā)現(xiàn)，支架一、二中部均有傾斜鋼管樁，由于斜撐設(shè)置密集關(guān)系，支架一各方向變形以及最大拉壓應(yīng)力都小于支架二；對比支架二、三、四，設(shè)置豎直鋼管樁對支架豎向及順橋向變形有明顯改善，而最大拉壓應(yīng)力相差較小；四種支架中支架一最大拉壓應(yīng)力均較小，可見增強支架橫向聯(lián)系可達到減小拉壓應(yīng)力大小。

3 結(jié)語

在橋梁建設(shè)中，支架的受力一直受到忽視，選用能同時保證經(jīng)濟性與安全性的支架是橋梁設(shè)計者需要考慮的問題。本文以某斜拉橋邊跨為工程背景，通過ANSYS軟件建立了四種支架模型，四類支架各具特點。經(jīng)過計算比較得出到下結(jié)論：

3.1 支架一在打入鋼管樁時避開了不利地質(zhì)的地段，在鋼管樁間布置密集的斜撐以穩(wěn)固結(jié)構(gòu)。雖然整體支架變形量、應(yīng)力值都很小，穩(wěn)定性也滿足要求，但密集的斜撐顯得過于浪費材料，應(yīng)力值富余量很大也表明該支架結(jié)構(gòu)不夠合理。

3.2 支架二在打入鋼管樁時也避開了不利地質(zhì)的地段，在鋼管樁間布置適量的斜撐。整體支架變形量、應(yīng)力值較支架一有較大增幅，但仍在支架承載能力范圍之內(nèi)。

3.3 支架三、四在不利地質(zhì)的地段打入鋼管樁，增加了施工難度與成本，然后在鋼管樁間布置適量的斜撐。整體支架變形量較支架二有所減小，應(yīng)力值變化不大。

四種支架經(jīng)濟性最好的是支架二，安全度最高的是支架一，支架三、四增加了施工難度，但安全性較支架二有所增加。因此在選擇何種支架時還需要橋梁設(shè)計者在實際工程中進行綜合考慮比較。

[1]劉建民.大型混凝土施工模板結(jié)構(gòu)體系控制技術(shù)研究[D].西安建筑科技大學，2005

[2]唐家祥,王仕統(tǒng)等.結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論.中國鐵道出版社,1989

[3]李存全.結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及穩(wěn)定內(nèi)力.中國鐵道出版社,1992.

[4]張朝暉等. ANSYS工程應(yīng)用范例入門與提高[M].北京:清華大學出版社，2004

[5]劉薇,徐發(fā)祥,張云蓮.某高架橋現(xiàn)澆箱模板支撐體系的設(shè)計驗算.山西建筑, 2008,2.

Space Structure Analysis of Temporary Bracket in a Cable-stayed Bridge

Huang Peng
(South China University of Technology, Institute of civil engineering and transportation, Guangzhou, 510640）Yan Junsheng
（Road Transport Bureau of YongXin county, Ji’an in Jiangxi province 343400）

Steel pipe support is often used in civil engineering construction process. On the base of ensuring the temporary bracket’s strength, stiffness and stability requirement, its economical efficiency also need to consider. Taking a cable-stayed bridge as the background, four space finite element support models using the general finite element software ANSYS are built in this article to compare and analyze their structure characteristics. It can provide the theory basis for the bridge construction.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.08.043

作者信息

黃鵬，出生年月：1987年12月，性別：男，民族：漢族，籍貫：湖北，職務(wù)：在讀研究生，工作單位：現(xiàn)于華南理工大學橋梁與隧道工程專業(yè)攻讀碩士學位，研究方向：大跨度橋梁。