現(xiàn)澆箱梁支架鋼管樁驗算方法的研究

楊洪濤

(貴州建工集團有限公司，貴州貴陽 550001)

0 引言

小彎河大橋，梁上部結(jié)構(gòu)采用支架法整體澆筑施工，為確保施工安全在橋位橋墩頂面至地面標高超過25 m處設(shè)置鋼管樁臨時墩搭設(shè)梁式支架施工，其他部位擬采用滿堂支架施工。本工程采用鋼管樁的型號為外徑720 mm，壁厚10 mm，橫聯(lián)采用Ⅰ20工字鋼桁架，均為Q235鋼。支架工作時主要考慮3種荷載作用:

1)恒荷載:即結(jié)構(gòu)自重;

2)活荷載:由于施工人群、設(shè)備及澆筑混凝土產(chǎn)生的荷載;

3)風荷載:風荷載的作用，根據(jù)JTG D60—2004公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范4.3.7得到橫橋向風荷載標準值。鋼管樁取兩種荷載組合進行驗算，分別為:組合1:1.2×恒荷載+1.4×活恒載;組合2:1.2×恒荷載+1.1×風荷載。

1 模型建立

鋼管樁上恒載及活載值均由前述最不利16.5 m跨徑貝雷梁計算模型中讀取。

表1 主要材料容許應(yīng)力參數(shù)(GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范)

在本結(jié)構(gòu)驗算過程中，針對貝雷梁與型鋼材料已多次重復(fù)使用，在驗算中將表1各容許應(yīng)力參數(shù)考慮0.8的材料安全系數(shù)。

鋼管柱及工字鋼組合縱向聯(lián)系驗算，采用有限元方法，使用Midas建立該梁的有限元模型。利用有限元方法可以計算出位移以及各桿件的內(nèi)力、應(yīng)力。

在建模時，鋼管柱標準節(jié)段之間采用螺栓固結(jié)，鋼管柱與工字鋼組合托梁之間采用螺栓固結(jié)，鋼管柱與桁架式水平聯(lián)系桿件以及與縱向工字鋼水平聯(lián)系桿件之間采用螺栓固結(jié)，鋼管柱與工字鋼斜撐桿件之間采用焊接固結(jié)，鋼管柱與基礎(chǔ)之間采用螺栓固結(jié)。

有限元圖形如圖1所示。

2 鋼管柱應(yīng)力驗算

1)鋼管柱支點反力如圖2所示。

圖1 結(jié)構(gòu)總體圖

圖2 鋼管柱支點反力圖

2)鋼管柱軸力見圖3。

根據(jù)比較知:在組合2作用下，鋼管軸應(yīng)力更不利，最大軸拉應(yīng)力為27.71 MPa;最大軸壓應(yīng)力為82.00 MPa，小于考慮材料折減系數(shù)0.8后的容許應(yīng)力172 MPa，滿足材料強度要求(見圖4)。

圖3 鋼管柱軸力圖

圖4 鋼管柱軸應(yīng)力圖

3)組合應(yīng)力見圖5。

根據(jù)比較知:在組合2作用下，鋼管受力更不利，最大壓應(yīng)力為 113.56 MPa，最大拉應(yīng)力為 91.75 MPa。

鋼管樁為細長桿件，按下式驗算:

式中:φ——折減系數(shù)，根據(jù)長細比λ查規(guī)范，λ=L/r，L為桿件相當長度，對兩端鉸接結(jié)構(gòu)等于其計算長度，r為回轉(zhuǎn)半徑，r=，I為慣性矩，A為鋼管截面積;

σ——鋼管樁所受應(yīng)力;

n——工作系數(shù)，取 1.1;

［σ］——鋼管樁容許應(yīng)力。

鋼管樁容許應(yīng)力［σ］=172 MPa;

計算最大應(yīng)力σ=113.56 MPa。

相當長度L=8 m，慣性矩 I=1.405 792×109mm4，截面積A=2.230 531 ×104mm2，回轉(zhuǎn)半徑 r=251 mm，長細比 λ =31.87，查得折減系數(shù)φ=0.959。則有:

nσ =1.1 × 113.56=124.92 MPa≤φ［σ］=0.959 × 172=164.95 MPa。

故，滿足規(guī)范要求。

4)豎向位移見圖6。

圖5 鋼管柱組合應(yīng)力圖

圖6 鋼管柱豎向位移圖

根據(jù)比較知:在組合2作用下，鋼管豎向位移更大，最大位移出現(xiàn)梁端柱頂，位移為1.56 cm。

5)橫向位移(見圖7)。

根據(jù)比較可以得知:在組合1作用下，支架橫向位移最大值為6.03 mm。

6)剪應(yīng)力見圖8。

根據(jù)比較知:在組合2作用下，鋼管剪應(yīng)力更不利，最大剪應(yīng)力為41.17 MPa，小于考慮材料折減系數(shù)0.8后的容許剪應(yīng)力100 MPa，滿足強度要求。

圖7 鋼管柱橫向位移圖

圖8 鋼管柱剪應(yīng)力圖

管柱、連接桿件均能滿足抗剪強度。

7)法蘭盤螺栓驗算。

法蘭盤為20 mm厚的16Mn鋼板，外徑820 mm，內(nèi)徑720 mm;螺栓孔為26 mm，螺栓直徑為25 mm，沿圓周平均布置8個孔;法蘭盤與720 mm鋼管外壁焊接，每兩個孔之間以5 cm三角板加強焊接。

管柱最大剪應(yīng)力為4.06 MPa，驗算螺栓的剪應(yīng)力、壓應(yīng)力情況:

受剪:f1=Nσ/(nπr2)=(4 060 000 ×0.712×3.14×0.008)/(8 ×3.14 ×0.012 5 ×0.012 5)=18.51 MPa＜100 MPa。

受壓:f2=Nσ/(ndt)=(4 060 000×0.712×3.14×0.008)/(8 ×0.02 ×0.025)=18.15 MPa＜172 MPa。

螺栓滿足強度要求。

8)整體穩(wěn)定性。

對45 m高鋼管樁在恒載組合2作用下進行整體穩(wěn)定性驗算，取前5階屈曲模型(見表2)。

表2 各階屈曲模態(tài)特征值表

根據(jù)計算得各階模態(tài)臨界荷載系數(shù)，最小臨界荷載系數(shù)為8.97，大于 1.3，整體穩(wěn)定性滿足要求(見圖 9)。

圖9 結(jié)構(gòu)一階模態(tài)圖

3 結(jié)語

對上述支架通過采用Midas建立有限元模型進行計算過程分析，對所有材料考慮材料折減系數(shù)0.8后，所有桿件的抗彎強度、抗剪強度均能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。支架變形均小于L/400，桿件的局部穩(wěn)定性和鋼管樁的整體穩(wěn)定性滿足要求，鋼管樁基底承載力滿足要求。計算過程方便、簡捷，可為類似工程提供參考。

［1］JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］JTJ 025—86，公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］JTG D63—2007，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］JTJ 041—2000，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范［S］.

［5］GB/T 714—2000，橋梁用結(jié)構(gòu)鋼［S］.

［6］周水興.路橋施工計算手冊［M］.北京:人民交通出版社，2001.