基于Midas civil的現(xiàn)澆箱梁組合支架建模技術(shù)及受力分析

摘要 隨著支架現(xiàn)澆技術(shù)的普及，盤扣支架+貝雷梁+鋼管柱組合支架結(jié)構(gòu)已被大規(guī)模應(yīng)用。該文章以鎮(zhèn)果公路A1匝道橋預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁為實(shí)例，基于Midas Civil建立了盤扣支架+貝雷梁+鋼管柱組合支架的有限元模型，通過對(duì)恒載與活載的計(jì)算與加載，并對(duì)組合支架系統(tǒng)的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)算與分析，使該支架系統(tǒng)達(dá)到了承載標(biāo)準(zhǔn)，滿足工程設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞 貝雷梁；盤扣式支架；有限元建模；受力分析

中圖分類號(hào) U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）14-0020-04

0 引言

隨著施工技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，對(duì)公路橋梁施工提出了更高的要求，高速公路現(xiàn)澆箱梁橋目前多采用滿堂支架或貝雷梁的形式，考慮現(xiàn)澆箱梁橋的高度、坡度、曲線線形以及所處地形地貌，單一的支架形式已無法滿足部分現(xiàn)澆箱梁施工。該文以鎮(zhèn)果公路A1匝道橋預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁為例，經(jīng)過對(duì)地形適應(yīng)性、結(jié)構(gòu)受力、安全屬性、施工特性以及經(jīng)濟(jì)效益等多個(gè)方面的研究分析，采用盤扣支架+貝雷梁+鋼管柱組合支架形式進(jìn)行施工[1]。通過Midas Civil分析軟件，對(duì)組合支架支撐體系在各種施工工況下的受力特性進(jìn)行深入研究和檢驗(yàn)。該項(xiàng)目所探討的有限元建模方法及荷載計(jì)算可為類似現(xiàn)澆箱梁提供一定的參考。

1 工程概況

A1匝道橋橋跨組成為：2×25 m現(xiàn)澆箱梁，全長(zhǎng)為53 m。現(xiàn)澆箱梁的構(gòu)造為單箱單室形式，其中25 m跨徑箱梁的梁高為1.5 m，且其兩邊的腹板高度相同。箱梁的頂板與底板平行，且與橋梁橋面的橫向斜坡保持一致。箱梁腹板的厚度在45～85 cm之間。箱梁兩側(cè)懸臂長(zhǎng)度是1.75 m。頂板和底板的跨中截面厚度分別為25 cm和22 cm。橋梁上部結(jié)構(gòu)施工模板支架采用鋼管柱+貝雷梁+盤扣式支架。箱梁的外側(cè)模板為竹膠板，而內(nèi)部模板則通過扣件式鋼管支架和木方支撐來實(shí)現(xiàn)。為方便內(nèi)部模板的拆卸，在箱梁的頂部設(shè)置了施工人孔[2]?，F(xiàn)澆箱梁支架設(shè)計(jì)方案縱斷面如圖1所示，支架橫斷面如圖2所示。

2 荷載計(jì)算

支架承受的負(fù)荷可以分為恒載和活荷載。恒載主要包括支架自身自重、上部模板和支撐的自重以及上部新澆筑的混凝土的自重，而活荷載則主要包括施工過程中人員與機(jī)械負(fù)荷、混凝土的振搗負(fù)荷和風(fēng)力負(fù)荷[2]。

2.1 恒載計(jì)算

（1）支架結(jié)構(gòu)自重（G1），采用Midas Civil軟件自動(dòng)計(jì)算輸入[3]。上部模板及支撐自重（G2），按2.0 kN/m2考慮。

（2）新澆筑鋼筋混凝土自重標(biāo)準(zhǔn)值（G3）按26 kN/m3取值，以匝道橋第2跨為例，現(xiàn)澆段長(zhǎng)24.96 m，由實(shí)心段2.3 m、過渡段11 m和空心段11.66 m構(gòu)成，其中實(shí)心段主要支撐在蓋梁上。

（3）分別對(duì)實(shí)心段、過渡段和空心段截面進(jìn)行分區(qū)計(jì)算荷載，忽略橫坡的影響，將截面分為A、B、C 三個(gè)區(qū)。以箱梁典型斷面為例，分區(qū)示意如圖3所示。

過渡段和空心段每個(gè)區(qū)的混凝土等效厚度和作用荷載寬度如表1所示：

2.2" 活荷載計(jì)算

（1）施工人員和機(jī)具負(fù)荷（Q1）設(shè)定為2.5 kN/m2；

（2）振搗混凝土過程中對(duì)于水平面模板的負(fù)荷（Q2）設(shè)定為2.0 kN/m2。

2.3" 荷載組合

考慮兩種荷載組合，計(jì)算支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定及桿件強(qiáng)度采用基本組合，計(jì)算支架結(jié)構(gòu)的撓度采用標(biāo)準(zhǔn)組合。

參照《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB50068—2018），恒載系數(shù)取1.3，活荷載系數(shù)取1.5，標(biāo)準(zhǔn)組合系數(shù)取1.0，考慮兩種荷載組合：

基本組合：考慮恒載+活荷載，即1.3×（G1+G2+G3）+1.5×（Q1+Q2）。

標(biāo)準(zhǔn)組合：考慮恒載+活荷載，即1×（G1+G2+G3）+1×（Q1+Q2）。

3" 有限元模型建立

3. 1" 主要構(gòu)件材料選用及設(shè)計(jì)參數(shù)

支架主要構(gòu)件材料選用和強(qiáng)度設(shè)計(jì)值如表2所示：

3.1" 鋼管立柱及柱頂分配梁的建立

首先根據(jù)鋼立柱的材料和截面參數(shù)建立單根鋼立柱的模型，通過復(fù)制建立出其他鋼立柱。柱頂分配梁為雙拼Ⅰ56工字鋼，在Midas Civil中采用“箱型截面”來模擬，具體截面參數(shù)以雙拼Ⅰ56工字鋼為例，其中H=560 mm，B=332 mm，tw=12.5 mm，tf1=21 mm，C=166 mm，tf2=0 mm。建立一根分配梁后，采用復(fù)制建立其他柱頂分配梁。柱頂分配梁與鋼立柱實(shí)際施工采用焊接連接，在Midas Civil中采用剛性連接進(jìn)行模擬。雙拼工字鋼“箱型截面”功能在軟件中的應(yīng)用如圖4所示。

3.2" 貝雷梁及支撐架的建立

首要步驟是基于貝雷梁的原材料及其截面特性來構(gòu)建單節(jié)貝雷梁模型，通過復(fù)制建立出其他貝雷梁模型。貝雷梁現(xiàn)場(chǎng)組裝施工時(shí)采用銷接連接，在Midas Civil建模過程中，采取對(duì)連接處一端釋放梁?jiǎn)卧s束來模擬。建立支撐架時(shí)要避免單元重復(fù)，防止出現(xiàn)應(yīng)力超標(biāo)的情況。該工程采用將支撐架建立在距離貝雷梁豎桿很近的位置上，然后采用彈性連接將支撐架與貝雷梁豎桿進(jìn)行連接，可有效避免受彎，避免計(jì)算出的應(yīng)力與實(shí)際不符。

3.3" 盤扣支架的建立

根據(jù)盤扣支架的材料和截面參數(shù)按立桿—水平桿—豎向斜桿的順序進(jìn)行建立，其中豎向斜桿采用滿布方式。盤扣支架中各桿件采用銷接連接，在Midas Civil中各桿件默認(rèn)是剛性連接，需對(duì)各桿件兩端釋放梁?jiǎn)卧s束來進(jìn)行模擬。

3.4" 荷載與邊界條件的施加

進(jìn)行荷載加載時(shí)，縱向上考慮實(shí)心段、過渡段和空心段的不同，橫向上考慮底板、腹板及翼板的不同，按不同區(qū)域進(jìn)行加載模擬，體現(xiàn)實(shí)際受力狀態(tài)。鋼管立柱底部約束x、y、z三個(gè)方向的位移，方木和竹膠板采用自定義材料模擬。

3.5" 有限元模型

組合支架建模中，除支撐架采用桁架單元建立，竹膠板采用板單元模擬外，其余構(gòu)件都采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬[4]。Midas Civil計(jì)算模型如圖5所示。

4" 結(jié)果評(píng)價(jià)

4.1" 強(qiáng)度、剛度受力分析

通過有限元計(jì)算得到基本組合下，各構(gòu)件的應(yīng)力及剪力數(shù)據(jù)，如表3所示。由表3可知，各部件的應(yīng)力及剪力皆低于預(yù)期，符合強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)要求。

通過有限元計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)組合下，各構(gòu)件的變形數(shù)據(jù)，如表4所示。由表4可知，各部件的變形皆低于預(yù)期，符合剛度要求。

4.2" 鋼管立柱穩(wěn)定計(jì)算

通過有限元模型可知鋼管立柱最大軸力N為35.3 kN（受壓）。

鋼管外徑D=630 mm，內(nèi)徑d=614 mm；

截面面積A=π（D2-d2）/4=15 624.64 mm2；

鋼管回轉(zhuǎn)半徑；

鋼管計(jì)算長(zhǎng)度L0=21 m；

長(zhǎng)細(xì)比λ=L0/γi=95.48＜[λ]=150，滿足剛度要求。

查b類截面軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)表，φ=0.585。

N/φA=1 000×35.3/0.585×15 624.64=3.86＜σ=310 MPa（σ為容許正應(yīng)力），滿足受壓穩(wěn)定要求 。

綜上：鋼管立柱穩(wěn)定性可以滿足要求[5]。

5nbsp; 結(jié)語

該文以現(xiàn)澆箱梁組合支架為案例背景，探討了現(xiàn)澆箱梁各部位荷載計(jì)算方法，詳細(xì)對(duì)現(xiàn)澆箱梁實(shí)心段、過渡段和空心段對(duì)應(yīng)不同的位置進(jìn)行合理劃分和計(jì)算，并基于Midas軟件，介紹了貝雷梁及盤扣支架建模中的一些技巧和方法。經(jīng)過對(duì)模型進(jìn)行加載，對(duì)組合支架進(jìn)行了受力分析，在詳細(xì)的分析和計(jì)算之后，該組合支架的主要受力部分的強(qiáng)度、剛度和變形都達(dá)到了承載標(biāo)準(zhǔn)要求，因此整個(gè)支架結(jié)構(gòu)是安全的。該文所述的現(xiàn)澆箱梁的計(jì)算過程和模型構(gòu)建能夠?yàn)橄嗨乒こ痰挠邢拊Ｒ约笆芰y(cè)試提供借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]趙小童.大跨度鋼筋混凝土橋梁施工滿堂支架結(jié)構(gòu)力學(xué)分析[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2021.

[2]張軒齊.基于Midas civil的箱梁現(xiàn)澆支架安全評(píng)估[J].工程機(jī)械與維修，2022（1）：170-171.

[3]胡幫義，胡麗珍，王猛.Midas Civil在木結(jié)構(gòu)施工平臺(tái)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2019（3）：72-75.

[4]郭文達(dá)，余俊，楊建華，等.采用Midas Gen基于反應(yīng)位移法的地下綜合管廊區(qū)間結(jié)構(gòu)抗震分析[J].特種結(jié)構(gòu)，2017（1）：74-79.

[5]吳秀峰，韓建林，趙可.寬幅斜拉橋主梁現(xiàn)澆大跨度膺架力學(xué)特性分析[J].空間結(jié)構(gòu)，2018（2）：86-91.

收稿日期：2024-02-27

作者簡(jiǎn)介：張一鵬（1994—），男，本科，工程師，研究方向：道路與橋梁施工。