基于三維數(shù)值模擬的鋼管貝雷梁支架方案比選應(yīng)用研究

許貴滿，韓海婭

（黔南民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程與設(shè)計(jì)系，貴州 都勻 558000）

0 引言

拱橋具有受力合力、造型美觀、跨度大等特點(diǎn)，拱橋的施工往往要面臨河流的問題，不能直接在河中搭設(shè)滿堂支架形成支架結(jié)構(gòu)體系，如果未采取合理的支架方案就容易造成支架結(jié)構(gòu)體系承受不了現(xiàn)澆混凝土拱橋的荷載，導(dǎo)致支架結(jié)構(gòu)體系的強(qiáng)度和剛度等問題，造成坍塌事故。因此，選擇合理支架結(jié)構(gòu)方案對(duì)保證拱橋施工順利進(jìn)行具有至關(guān)重要的意義。

近年來，作為裝配式軍用梁的貝雷梁在橋梁結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯。采用ANSYS分析軟件建立三維鋼管貝雷梁支架結(jié)構(gòu)有限元模型，采取四種不同加強(qiáng)措施的貝雷梁支承結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對(duì)比分析，優(yōu)選出適合本工程的施工支承結(jié)構(gòu)體系方案，并依據(jù)數(shù)值結(jié)構(gòu)提出相應(yīng)的其他加強(qiáng)措施，該工程的成功應(yīng)用能為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 工程概況

銅仁市興市橋改擴(kuò)建工程，擬建新橋位于原橋兩側(cè)，分為左右幅，上跨錦江河，橋梁與河道基本正交。該橋采用75 m鋼筋混凝土箱型拱，橋面寬7.18 m，全長(zhǎng)96.09 m，主拱圈橫斷面單箱雙室結(jié)構(gòu)，拱軸系數(shù)為3.5，矢跨比為1/7.5，拱橋箱梁寬6.55 m，箱梁高2 m，施工重點(diǎn)在于澆筑主拱圈的支架方案。

目前，貝雷梁在拱橋主體結(jié)構(gòu)施工的應(yīng)用主要有兩種形式[1]：①貝雷梁形成多跨梁橋構(gòu)成支承平臺(tái)，搭設(shè)滿堂式支架形成拱架；②利用貝雷片直接拼裝成拱架。由于施工現(xiàn)場(chǎng)處于城區(qū)，無法有足夠的場(chǎng)地提供拱架拼裝架設(shè)，故選擇第一種形式。采用鋼沉箱圍堰，架立無縫鋼管Φ624 mm×12 mm作為中間臨時(shí)支墩，在兩個(gè)臨時(shí)中間支墩上放置3根45 b工字鋼作為橫梁，在橫梁上拼裝8組貝雷梁作為支承結(jié)構(gòu)平臺(tái)。每組貝雷梁由2排貝雷片組成并用標(biāo)準(zhǔn)的45支撐架將其聯(lián)結(jié)，再將每組貝雷梁用扣件式鋼管鎖住，形成三跨連續(xù)貝雷梁鋼管支承平臺(tái)，在支承平臺(tái)上鋪設(shè)方木，搭設(shè)滿堂式支承架，支承架上鋪設(shè)竹膠板形成拱圈底模板。拱圈混凝土澆筑施工完全依賴整個(gè)貝雷梁支承結(jié)構(gòu)體系的支承，如圖1和2所示。該支承體系的施工方案是否合理、結(jié)構(gòu)是否安全直接關(guān)系到整個(gè)拱橋施工的安全及進(jìn)度。

圖1 鋼管貝雷梁支承架立面（除標(biāo)高外為mm）

2 貝雷梁加強(qiáng)方案

貝雷片的材料為16Mn，主要由弦桿、豎桿和斜桿組成。弦桿由兩根10號(hào)槽鋼（背靠背）組合而成，豎桿和斜桿由8號(hào)工字鋼制成。貝雷梁隨著跨度的增大，其剛度降低、穩(wěn)定性差、承載能力下降，需要采用與貝雷片上下弦桿材料、斷面和構(gòu)造均相同的加強(qiáng)弦桿對(duì)貝雷梁進(jìn)行加強(qiáng)。為研究加強(qiáng)弦桿使用位置不同對(duì)整個(gè)鋼管貝雷梁支架的影響，分別采用四種不同的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行數(shù)值模擬，如圖3所示。

圖3 四種不同加強(qiáng)結(jié)構(gòu)體系施工方案

3 數(shù)值模擬

依據(jù)施工方案布置的鋼管貝雷梁支承結(jié)構(gòu)體系，利用ANSYS軟件建立其三維空間有限元模型。計(jì)算模型共有89 910個(gè)BEAM單元、2212個(gè)SHELL單元和99 671個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。鋼材采用彈塑性模型，彈性模量E=206 GPa，切線模量ET=20 GPa，泊松比ν=0.275鋼管和工字鋼屈服強(qiáng)度σs=235 MPa，貝雷梁屈服強(qiáng)度σs=345 MPa，密度ρ=7850 kg/m3；木材采用彈性模型，彈性模量E=9 GPa，泊松比ν=0.3，除拱架模板采用SHELL63模擬以外，其余采用BEAM188單元模擬。因貝雷梁是用圓柱鋼銷將陰頭和陽頭連接在一起，實(shí)際是一種半剛性的節(jié)點(diǎn)，根據(jù)文獻(xiàn)[2]，采用Matrix27單元模擬，其節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)貝雷梁桁架剛度和強(qiáng)度影響不明顯，即可以處理為鉸結(jié)，也可處理為剛結(jié)，為考慮施工方案安全計(jì)算，將貝雷片之間的連接簡(jiǎn)化為鉸結(jié)，整個(gè)支承結(jié)構(gòu)體系有限元模型如圖4所示，該計(jì)算模型的邊跨支座為鉸支座約束，中跨鋼管底部為固定支座約束。

圖4 鋼管貝雷梁支承結(jié)構(gòu)體系有限元模型

4 計(jì)算結(jié)果分析及應(yīng)用

為了研究不同加強(qiáng)措施對(duì)鋼管貝雷梁支承結(jié)構(gòu)體系的影響，分別采用三種不同加強(qiáng)措施進(jìn)行數(shù)值模擬，利用未采取加強(qiáng)措施的方案進(jìn)行對(duì)比。最后，通過分析計(jì)算結(jié)果，從變形、應(yīng)力大小以及經(jīng)濟(jì)等因素綜合考慮優(yōu)選出了較為合理的加強(qiáng)措施作為施工的方案。

4.1 變形分析

拱橋的拱圈施工的重點(diǎn)控制對(duì)象之一就是拱軸線的線型。支承拱圈的鋼管貝雷梁支承結(jié)構(gòu)體系變形直接影響拱軸線的線型控制，澆筑拱圈混凝土之前如果未考慮其變形，將會(huì)影響拱橋的線型，從而影響后期的正常使用及其美觀，甚至出現(xiàn)安全問題。

在四種不同加強(qiáng)措施下，支承結(jié)構(gòu)體系的豎向位移如圖5所示。由圖5可知，四種不同加強(qiáng)措施在邊跨跨中處發(fā)生的豎向位移最大，所以在控制拱軸線時(shí)，應(yīng)特別注意邊跨跨中位置的拱圈模板預(yù)抬量。從數(shù)值上能夠看出，加強(qiáng)上下弦桿時(shí)最大豎向位移變化量最小，加強(qiáng)下弦桿其次，加強(qiáng)上弦桿次之，未加強(qiáng)最大。說明增加加強(qiáng)弦桿能提高支承結(jié)構(gòu)體系的整體剛度，按照規(guī)范[3]要求，允許最大變形為L(zhǎng)/400，即60 mm，未加強(qiáng)的支承體系最大變形為65.2 mm，已超過規(guī)范對(duì)剛度的要求，其余三種采用加強(qiáng)弦桿的剛度均滿足規(guī)范要求，說明本工程必須采用加強(qiáng)弦桿進(jìn)行加強(qiáng)。相對(duì)未加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)體系而言，上下加強(qiáng)、下加強(qiáng)和下加強(qiáng)的最大豎向位移分別降低36.8%、19.5%和16.4%，加強(qiáng)上下弦桿明顯優(yōu)于加強(qiáng)下弦桿和上弦桿，但是加強(qiáng)上下弦桿需要增加弦桿構(gòu)件的數(shù)量，且支承結(jié)構(gòu)體系施工更為復(fù)雜，會(huì)增加租賃和人工成本。加強(qiáng)下弦桿最大豎向位移量最大52.5 mm小于加強(qiáng)上弦桿的54.5 mm，且兩者需要的加強(qiáng)弦桿數(shù)量相同的情況下，加強(qiáng)下弦桿的措施對(duì)支承結(jié)構(gòu)體系的剛度更為有利。

圖5 四種支承結(jié)構(gòu)體系施工方案的豎向位移云圖

為控制好拱軸線的線型，使?jié)仓叭炷脸尚秃蠓显O(shè)計(jì)圖紙要求，施工前應(yīng)該根據(jù)支承結(jié)構(gòu)體系自重和澆筑混凝土拱圈荷載的變形之差，計(jì)算得到拱架模板的預(yù)抬量，通過鋼管上支撐的頂托調(diào)整底模板頂標(biāo)高等于設(shè)計(jì)成型拱圈底標(biāo)高加上支承結(jié)構(gòu)體系的預(yù)抬量，澆筑施工完成后得到的成型拱圈的軸線才能符合設(shè)計(jì)要求。以加強(qiáng)下弦桿的施工方案為例，支承拱圈的模板預(yù)抬量如圖6所示，在實(shí)際工程中得到了成功的應(yīng)用，并較好地控制拱軸線線型，確保了工程質(zhì)量。

圖6 加強(qiáng)下弦桿拱架變形曲線

從圖6中可以看出，支承系統(tǒng)自重變形曲線的理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)近似，說明計(jì)算與實(shí)際相符，實(shí)測(cè)值稍大于理論值，主要原因是貝雷片利用螺栓連接，銷與空隙間存在設(shè)計(jì)空隙，在理論中尚未考慮這種間隙，貝雷梁受力后兩者之間存在部分非彈性變形。

圖7為鋼管支承架的水平位移云圖，從圖7中可以看出，最大的水平位移是在兩側(cè)的鋼管頂端，由于鋼管頂端懸挑，故在施工中應(yīng)注意其壓桿穩(wěn)定問題，防止出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象導(dǎo)致安全事故?？刹扇≡黾?5°剪刀撐提高整個(gè)支承架的穩(wěn)定性，在鋼管頂端增加兩個(gè)方向的水平橫桿減小鋼管頂端懸挑長(zhǎng)度，從而減小其長(zhǎng)細(xì)比，提高局部穩(wěn)定，加載前應(yīng)注意檢查鋼管扣件的連接牢固，確保形成整體均勻受力。

圖7 鋼管支承架的水平位移

4.2 應(yīng)力分析

隨著拱圈混凝土的澆筑，荷載的逐漸增大，鋼管貝雷梁支承結(jié)構(gòu)體系的承載能力是施工中要考慮的重要內(nèi)容。四種不同加強(qiáng)措施的軸向應(yīng)力云圖如圖8所示。由圖8可知，最大的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均發(fā)生在中跨的支座位置，應(yīng)特別注意在中跨支座部位的加固措施，防止桿件發(fā)生應(yīng)力集中和局部破壞。從圖8中可以看出，未采用加強(qiáng)弦桿進(jìn)行加強(qiáng)的情況下，下弦桿應(yīng)力明顯比上弦桿應(yīng)力大，達(dá)到370 MPa，超過材料的屈服應(yīng)力，如果不采用加強(qiáng)弦桿，承載能力無法達(dá)到要求。加強(qiáng)上弦桿最大壓應(yīng)力并未減小，反而增大，在提高承載能力方面并未起到作用，加強(qiáng)下弦桿最大壓應(yīng)力降低至326 MPa，低于材料的屈服強(qiáng)度345 MPa，相比之下，比未加強(qiáng)的最大壓應(yīng)力降低了11.9%，而對(duì)上下弦桿均加強(qiáng)，拉壓應(yīng)力均降低，且最大應(yīng)力降低效果與下弦桿加強(qiáng)的類似，但是耗費(fèi)材料是下弦桿加強(qiáng)的兩倍，不經(jīng)濟(jì)。綜合考慮，加強(qiáng)弦桿放置在下弦桿進(jìn)行加強(qiáng)，不僅能夠滿足支承結(jié)構(gòu)體系的承載力要求，而且可以節(jié)約材料。

圖8 四種施工方案的軸向應(yīng)力云圖

圖9和10分別為橫梁和無縫鋼管的應(yīng)力云圖。

圖9 鋼管的應(yīng)力云圖

圖10 橫梁的應(yīng)力云圖

從圖9、10可以看出，無縫鋼管最大壓應(yīng)力為152 MPa，長(zhǎng)細(xì)比為20，屬于短粗桿件，故不考慮穩(wěn)定問題，且滿足強(qiáng)度條件。橫梁最大應(yīng)力均出現(xiàn)在鋼管支座位置的上下表面，為防止無縫鋼管和橫梁的局部屈曲，施工過程中應(yīng)該特別注意在其連接位置布置加勁肋以提高兩者的局部承載力。

5 結(jié)語

采用ANSYS有限分析軟件對(duì)四種施工加強(qiáng)措施進(jìn)行仿真模擬，通過比較變形可知，不采用加強(qiáng)弦桿無法滿足剛度要求，變形過大超過規(guī)范允許的范圍，增加加強(qiáng)弦桿能夠提高整個(gè)支承結(jié)構(gòu)體系的剛度，尤其是上下弦桿均增加加強(qiáng)弦桿，能夠提高36.8%。對(duì)于本工程施工需要考慮成本，僅僅加強(qiáng)一側(cè)弦桿即可滿足規(guī)范對(duì)剛度的要求。通過比較分析應(yīng)力可知，未采取加強(qiáng)弦桿，則貝雷梁上下弦桿拉壓應(yīng)力不同，且下弦桿出現(xiàn)了局部屈服現(xiàn)象，加強(qiáng)弦桿的加強(qiáng)位置不同會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力不同變化，加強(qiáng)上弦桿會(huì)增大應(yīng)力，適得其反，加強(qiáng)下弦桿能夠使最大應(yīng)力降低11.9%，從而滿足強(qiáng)度要求。綜上所述，本工程采用加強(qiáng)弦桿加強(qiáng)貝雷梁的下弦桿不僅滿足規(guī)范對(duì)強(qiáng)度、剛度的要求，而且節(jié)約了成本，提高了工程施工效率。