臺風(fēng)區(qū)鋼管格構(gòu)支架穩(wěn)定性和優(yōu)化設(shè)計分析

王保良

（中鐵建大橋工程局集團(tuán)第四工程有限公司 黑龍江哈爾濱 150000）

1 引言

鋼管格構(gòu)支架體系在大跨度橋梁施工中有著廣泛的應(yīng)用。然而，當(dāng)支架結(jié)構(gòu)達(dá)到一定高度時，結(jié)構(gòu)體系變得柔性化，其力學(xué)性能也較為復(fù)雜。目前，在橋梁施工支架的施工工藝和技術(shù)、設(shè)計計算和工程應(yīng)用方面已取得一些研究成果[1-4]。而在臺風(fēng)區(qū)，由于風(fēng)荷載作用，柔性鋼管格構(gòu)支架的穩(wěn)定性和安全性也變得非常重要[5]。平潭海峽大練島特大橋新建工程中現(xiàn)澆公路橋梁的鋼管格構(gòu)支架系統(tǒng)，由于處于風(fēng)速14 m/s臺風(fēng)地區(qū)，故主要分析風(fēng)荷載對鋼管格架支架體系的影響，對鋼管格構(gòu)支架的穩(wěn)定性進(jìn)行計算，最后建立有限元模型進(jìn)行主要影響參數(shù)分析，對鋼管格構(gòu)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計分析，最后通過風(fēng)洞試驗進(jìn)行驗證。

2 工程背景

大練島特大橋新建工程，位于平潭海峽中部，距大陸最近點7.85 km。全年風(fēng)力較大、水道泛涌。大練島特大橋公路部分共五聯(lián)，每聯(lián)布置形式為4×40 m+4×40 m+6×40 m+5×40 m+4×32 m的連續(xù)梁橋，共23跨，其中橋墩高度在13～50.5 m之間，主梁采用現(xiàn)澆支架施工?，F(xiàn)澆支架采用“鋼管格構(gòu)支架+貝雷梁”結(jié)構(gòu)體系，D0～D9號鋼管格構(gòu)支架立柱采用φ720×14 mm鋼管，跨中鋼管之間平聯(lián)和斜撐采用φ400×8 mm鋼管聯(lián)結(jié)。D10～D19號鋼管立柱采用φ1200×14 mm鋼管，跨中平聯(lián)采用φ720×14 mm鋼管，斜撐采用φ400×8 mm鋼管。選取最高鋼管格構(gòu)支架D10～D11號段（支架高度為61.702 m）為研究對象，鋼管格構(gòu)支架結(jié)構(gòu)現(xiàn)場布置以及縱橫橋向布置如圖1～圖2所示。

圖1 鋼管格構(gòu)支架現(xiàn)場布置

圖2 鋼管格構(gòu)支架縱橫橋向布置(單位:mm)

3 有限元模型的建立

對整個支架體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散化，桁架節(jié)點、格構(gòu)柱節(jié)點處劃分節(jié)點，結(jié)構(gòu)計算分析特征位置處節(jié)點，與周圍結(jié)構(gòu)或地基連接處設(shè)置節(jié)點，按照實際鋼結(jié)構(gòu)劃分相應(yīng)的單元[6-7]。

采用Midas Civil軟件建立支架整體模型，貝雷梁部分采用桁架單元，支架部分采用梁單元，整體模型劃分為6 993個單元，3 688個節(jié)點，其中貝雷梁部分6 628個單元，橫擔(dān)梁104個單元，立柱108個單元，平聯(lián)85個單元，斜撐68個單元。鋼管格構(gòu)支架整體有限元模型如圖3所示。鋼管格構(gòu)支架工作狀態(tài)最大風(fēng)荷載按8級風(fēng)考慮，風(fēng)速為20.7 m/s；非工作狀態(tài)風(fēng)荷載按十年一遇臺風(fēng)考慮，風(fēng)速為45.4 m/s。

圖3 鋼管格構(gòu)支架整體有限元模型

4 鋼管格構(gòu)支架設(shè)計計算及穩(wěn)定性分析

按照混凝土澆筑不同工況對支架強度、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析計算，每種工況對應(yīng)的荷載組合見表1。

表1 各工況說明

對貝雷梁、橫梁、立柱、支架聯(lián)接系（平聯(lián)與斜撐）進(jìn)行驗算，在各工況下，支架中貝雷梁的主弦桿最大軸力為-390.16 kN，豎桿最大軸力為-192.13 kN，斜桿最大軸力為139.15 kN，立柱的最大應(yīng)力為-126.81 MPa，最大位移為21.46 mm。支架聯(lián)結(jié)系剪力最大值為-150.41 kN，應(yīng)力最大值為-84.14 MPa。貝雷梁上、下弦桿的設(shè)計值為510 kN，立柱設(shè)計值193 kN，斜撐設(shè)計值為156 kN，Q235鋼材的抗壓設(shè)計值195 MPa，故實際荷載均小于設(shè)計承載能力，支架的強度滿足設(shè)計要求。

5 鋼管格構(gòu)支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

5.1 鋼管直徑的影響

假設(shè)支架立柱是等截面直桿，壓力作用線與截面的形心縱軸線重合且材料是完全均勻、彈性的，由歐拉臨界力公式可求得立柱的臨界荷載[8-9]。將鋼管的壁厚δ與直徑d的比值作為控制參數(shù)，通過求解不同直徑不同壁厚立柱的屈曲穩(wěn)定系數(shù)，得出最合理的鋼管直徑以及壁厚，不同δ/d的鋼管格構(gòu)支架屈曲穩(wěn)定系數(shù)對比如圖4所示。

圖4 不同δ/d的鋼管格構(gòu)支架屈曲穩(wěn)定系數(shù)對比

由圖4可以看出，當(dāng)鋼管結(jié)構(gòu)的δ/d一定時，結(jié)構(gòu)的臨界屈曲荷載系數(shù)隨著鋼管直徑的增大而增大，并且直徑越大其增長越大，整體呈指數(shù)上升趨勢；當(dāng)鋼管的直徑為定值時，隨著壁厚的增加，即參數(shù)δ/d變大，支架結(jié)構(gòu)的臨界荷載系數(shù)也相應(yīng)增大，并且直徑越大其變化值越大，說明結(jié)構(gòu)的截面尺寸是影響其穩(wěn)定性的主導(dǎo)因素。

5.2 肢數(shù)的影響

按照橋梁鋼管格構(gòu)支架施工設(shè)計圖紙，采用φ1 200 mm鋼管作為立柱，φ720 mm鋼管作為平聯(lián)、φ400 mm鋼管作為斜撐，主要研究支架結(jié)構(gòu)的肢數(shù)對穩(wěn)定性的影響[10-11]，通過建立單肢、雙肢、四肢、六肢的有限元模型，得到每種結(jié)構(gòu)的臨界荷載系數(shù)，不同肢數(shù)支架結(jié)構(gòu)臨界荷載系數(shù)見表2，不同肢數(shù)支架模型屈曲如圖5所示。

表2 不同肢數(shù)支架結(jié)構(gòu)臨界荷載系數(shù)

圖5 不同肢數(shù)支架模型屈曲圖

由表2和圖5支架模型屈曲圖可知，單肢和雙肢鋼管柱的臨界荷載系數(shù)基本相同，說明雙肢格構(gòu)支架與單肢的相比，穩(wěn)定性提高不大，但是當(dāng)肢數(shù)增加到四肢時，其臨界荷載系數(shù)提高相當(dāng)大，此時的鋼管格構(gòu)支架穩(wěn)定性較好，同時抵抗外荷載能力較高，當(dāng)肢數(shù)增加到六肢時，支架臨界荷載系數(shù)反而增加不大，表明四肢鋼管格構(gòu)支架是最經(jīng)濟(jì)的選擇。

5.3 節(jié)段高度和總高度的影響

當(dāng)支架的高度較高時，一般需要將支架進(jìn)行分節(jié)[12-13]，現(xiàn)對9 m、12 m、15 m、18 m不同的節(jié)段高度，支架總高度為30 m、40 m、50 m、60 m、70 m、80 m的臨界荷載系數(shù)進(jìn)行分析，得到支架結(jié)構(gòu)前三階屈曲狀態(tài)下的臨界荷載系數(shù)（見表3）。

表3 不同節(jié)段長度支架臨界荷載系數(shù)

從表3中可以看出，無論結(jié)構(gòu)的節(jié)段高度如何變化，其第三階荷載臨界系數(shù)均比前兩階大很多，說明該結(jié)構(gòu)較難達(dá)到其三階的失穩(wěn)破壞，破壞形式主要發(fā)生在結(jié)構(gòu)的前兩階。在同一節(jié)段高度下，結(jié)構(gòu)的臨界荷載系數(shù)隨著總高度的增加呈現(xiàn)下降趨勢，說明其穩(wěn)定性越差，但當(dāng)結(jié)構(gòu)的節(jié)段長度不大于18 m時，結(jié)構(gòu)的臨界荷載系數(shù)能保證大于4.0，基本能滿足結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要求。當(dāng)支架的總高度一定時，其節(jié)段長度越小，即結(jié)構(gòu)的剛度會變大，整體穩(wěn)定性也隨之增大，故結(jié)構(gòu)臨界荷載系數(shù)越大。但是當(dāng)支架總高度大于70 m時，結(jié)構(gòu)的一階臨界系數(shù)下降幅度變快。在支架設(shè)計時，可以根據(jù)不同的臨界系數(shù)的要求來選取合理的支架節(jié)段高度和支架總高度。

5.4 縱橫向間距的影響

鋼管格構(gòu)支架縱橫向間距是反映支架支撐面積的重要指標(biāo)，為了研究縱橫向間距對其穩(wěn)定性的影響，采用節(jié)段高度為12 m，總高度為60 m的鋼管格構(gòu)支架，通過變化不同的縱橫向間距（縱橫向間距取相同值）求得支架的臨界荷載系數(shù)（見表4）。

表4 不同間距荷載臨界系數(shù)

由表4可知，格構(gòu)柱支架的臨界荷載系數(shù)隨著縱橫向間距的變化呈現(xiàn)拋物線變化趨勢，當(dāng)間距小于6 m時，其變化較快，接近直線遞增；支架間距在6～7 m時其上升幅度較?。划?dāng)格構(gòu)支架間距達(dá)到7 m時，其臨界荷載系數(shù)達(dá)到峰值；當(dāng)間距大于7 m后其值開始平穩(wěn)下降。說明支架縱橫向間距在7 m左右時穩(wěn)定性最好，有利于鋼管格構(gòu)支架的安全性。

6 鋼管格構(gòu)支架風(fēng)洞試驗

由于鋼管格構(gòu)支架尺寸較大，足尺模型風(fēng)洞試驗很難實現(xiàn)，故采用縮尺模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗。試驗?zāi)Ｐ瓦x取四肢格構(gòu)支架為研究對象，模型縮尺比1∶150，材料選用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（ABS）。支架模型風(fēng)洞試驗在哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院風(fēng)洞與浪槽聯(lián)合實驗室中進(jìn)行，大氣邊界層流場模擬為A類地貌風(fēng)場，試驗流場的參考風(fēng)速主要通過TFI眼鏡蛇三維脈動風(fēng)速測量儀來測量和監(jiān)控。數(shù)據(jù)測試采集系統(tǒng)由六分量高頻測力天平、α角攻角變化機(jī)構(gòu)、A/D轉(zhuǎn)換器及數(shù)據(jù)采集處理用計算機(jī)等組成。四肢格構(gòu)支架模型風(fēng)洞試驗及風(fēng)向角示意如圖6所示。

圖6 四肢格構(gòu)支架模型風(fēng)洞試驗及風(fēng)向角示意

通過格構(gòu)支架風(fēng)洞試驗獲得均勻流風(fēng)場下支架的廣義位移值，同時利用Midas Civil軟件計算得到格構(gòu)支架在0°、45°和90°風(fēng)向角下最大位移值，支架位移風(fēng)洞試驗值與有限元計算值對比見表5。

表5 支架位移風(fēng)洞試驗值與有限元計算值對比

由表5可以看出，四肢格構(gòu)支架在均勻流風(fēng)場作用下，風(fēng)洞試驗結(jié)果與有限元仿真分析存在一定誤差，但最大誤差為16.7%，在容許的范圍內(nèi)。試驗結(jié)果表明:風(fēng)洞試驗?zāi)芊从乘闹駱?gòu)支架的實際受力特性，同時可指導(dǎo)四肢格構(gòu)支架實際施工，保障橋梁工程的安全施工。

7 結(jié)論

對臺風(fēng)區(qū)公路特大橋施工現(xiàn)場鋼管格構(gòu)支架體系進(jìn)行有限元的靜力分析，確保支架在最不利荷載工況下其強度能滿足要求。將鋼管格構(gòu)支架格構(gòu)柱部分簡化為雙向壓彎構(gòu)件，并對支架的穩(wěn)定性進(jìn)行計算，結(jié)果表明滿足支架的穩(wěn)定性要求。進(jìn)一步對支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)分析，考慮支架鋼管直徑、肢數(shù)、節(jié)段長度、支架總高度和縱橫向間距等因素對支架結(jié)構(gòu)臨界荷載系數(shù)的影響，得出支架最優(yōu)設(shè)計，經(jīng)風(fēng)洞試驗及現(xiàn)場成功實踐表明:

（1）當(dāng)格構(gòu)柱的壁厚δ與直徑d的比值為定值時，其臨界荷載系數(shù)會隨著d的變大而迅速增長，相同情況下結(jié)構(gòu)的δ/d越大，結(jié)構(gòu)也越穩(wěn)定。

（2）四肢鋼管格構(gòu)支架穩(wěn)定能力較雙肢和單肢的高很多，但是和六肢的承載能力相差不多，四肢鋼管格構(gòu)支架是最經(jīng)濟(jì)合理支架。

（3）當(dāng)鋼管格構(gòu)支架總高度保持不變時，其節(jié)段高度越小，結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，但總高度不要超過70 m。當(dāng)總高度大于70 m時，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性維持在較低的水平。考慮到用料的經(jīng)濟(jì)性，其節(jié)段高度最大應(yīng)不超過其設(shè)置聯(lián)結(jié)系長度的3倍，可有效保證支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（4）當(dāng)支架的縱橫向間距在5～7 m時，其穩(wěn)定性呈現(xiàn)較快的上升趨勢，間距在7 m附近達(dá)到峰值，當(dāng)間距大于7 m時，支架穩(wěn)定性隨間距增大而降低。

（5）風(fēng)洞試驗?zāi)芊从乘闹駱?gòu)支架的實際受力特性并指導(dǎo)工程實踐，保障橋梁建設(shè)的安全性。