ANSYS软件在现浇梁支架模拟计算中的应用

许自刚

(中铁十八局第五工程有限公司，天津300450)

武咸城际铁路位于湖北省南部，北连“九省通衢”武汉，南接鄂南著名的生态城市咸宁。其中由中铁十八局负责施工的DK0+000-DK15+376及其联络线位于武汉市区附近，设计有为数众多、形式多样的现浇梁，现浇梁施工为全线施工的重点和难点。本文对上行联络线特大桥跨南环铁路现浇梁复杂支架方案采用ANSYS软件模拟分析的过程进行了详细的介绍。

1 支架设计方案

武咸城际铁路上行联络线特大桥19#～21#墩采用2×32 m连续箱梁方式跨越南环铁路，上行线和下行线与南环铁路的夹角为25.9°，线路基本与南环铁路并行，南环铁路为Ⅰ级干线铁路，列车行驶速度120 km/h，日客车通行对数为25对，接触网电压27.5 kV。施工难度和安全风险极大。通过多次优化比选，最终选取现浇梁支架方案布置如图1所示。

图1 跨南环铁路19#-21#墩现浇梁支架平面布置(单位：cm)

1.1 支架布置

上行联络线特大桥跨南环铁路连续梁采用钢管贝雷梁支架法整体现浇施工，平行于南环铁路两侧各设置两排钢管立柱，其布置间距详见图1。钢管立柱采用直径为63 cm，壁厚10 mm的空心钢管。钢管立柱之间焊接[14 a槽钢作为剪刀撑进行连接。除承台位置处的钢管立柱底部不设置桩基础、条形基础之外，其余部分均设置直径1.6 m，壁厚30 cm的人工挖孔桩基础及大小为1.5(宽)×1m(高)钢筋混凝土条形基础，施工时应根据施工方案设计图在承台、条形基础相对应钢管立柱的位置预埋带锚固螺栓的钢板，钢管立柱通过高强螺栓与条形基础、承台进行锚固连接。其顶部采用两根I56 a工字钢做纵梁，并在纵梁两侧焊接[14 a槽钢作为八字撑与钢管立柱顶钢板锚固连接。横梁采用上下加强型贝雷片，每两排一组，间距为22.5 cm、45 cm两种形式，贝雷梁布置方向与箱梁轴线基本相垂直，并按实际情况根据角度进行调整，但间距不得大于45 cm。贝雷梁顶部满铺6 mm厚钢板进行安全防护，防护材料顶部依次为I16 a工字钢、碗扣支架、15 cm×15 cm方木、10 cm×10 cm方木、定型钢模板。支架布置如图2所示。

图2 跨南环铁路19#～21#墩现浇梁支架纵断面及横断面布置

1.2 方案的特点

(1)墩高、梁体积大，墩身最大高度为23.5 m，现浇梁为2孔1联同步进行浇筑，混凝土量达到425 m3。

(2)小曲线弯梁。连续梁体为弯梁，从门式墩的右侧直接过渡到门式墩的左侧，曲线半径为600 m。

(3)为满足跨越南环铁路的需要，横向贝雷梁跨度较大，净跨为18.5 m。横向门架受力情况复杂，受力位置不断变化。

(4)由于跨越铁路加之与铁路夹角较小，情况复杂，钢管和贝雷梁等材料用量较大，墩高相同时，相当于普通墩梁式现浇支架材料用量的4倍。

2 用ANSYS软件计算结构整体受力

计算采用容许应力法，用ANSYS软件并结合理论公式手工计算。

2.1 模型建立

从图1所示的平面布置图可知，贝雷梁的受力很复杂，为了精确计算各个构件的受力情况，建立三维空间模型，图3为用ANSYS建立的整体模型图。

模型中混凝土梁用SOLID45单元模拟，为了模拟其流动性，选用很小的弹性模量；模板用SHELL63单元模拟，厚度6 mm；其他杆件均用BEAM188和BEAM189模拟。结构受到的荷载主要是结构(钢管立柱、纵梁、贝雷梁、下纵向方木、碗扣支架、横向分配梁、上纵向方木、内外侧模板及其模板支架、底模板)及混凝土自重，其他施工荷载近似按混凝土自重的10 %考虑。

图3 现浇梁支架模型

2.2 荷载计算

整个结构受到的荷载包括：

(1)混凝土箱梁的湿重，混凝土密度取26 kN/m3。混凝土箱梁用SOLID45单元模拟，其湿重程序自动计入。流动混凝土对侧模的压力考虑方法：将模拟混凝土的单元材料参数中的弹性模量降低1 000倍，相当于混凝土没有刚度，则侧压力自动计入；

(2)施工荷载，包括施工人员及机具重量、倾倒、振捣荷载等，按5 kN/ m2考虑，在建立箱梁模型时，截面有所加大以考虑该部分荷载；

(3)钢模板重量：单线32.7 m单孔模板两侧模重39.5 t，底模8.5 t，内模为11 t,共重59 t，则按18.1 kN/m，此部分由SHELL63单元和BEAM188单元模拟。其中SHELL63模拟面板，取6 mm厚，BEAM188模拟模板纵横肋和模板支撑杆件，重量由程序自动计入；

(4)方木容重为7.5 kN/m3，用BEAM188单元模拟，程序自动计入其重量；

(5)碗扣支架、纵横型钢、钢管柱及贝雷梁的重量用BEAM188单元模拟，程序自动计入其重量；

(6)因为列车时速较小，不计列车高速运行引起的气动力；

(7)按照《京沪高速铁路设计暂行规定》(铁建设[2003]13号)中的有关条文规定，对于列车时速小于160 km/h的情况，可以不考虑气动力的影响。查武汉地区风压，按10年一遇考虑，横向风荷载按0.25 kPa的风压计算。注意在拆装结构时应当适当布置缆风绳或其他防倾倒措施，以保证安全。

2.3 计算结果

计算结果见图4和表1。

图4 现浇梁支架整体位移

经计算，结构的总体竖向位移最大发生在靠近20#墩的贝雷梁跨中，最大为27.8 mm(如图4所示)，支架整体变形符合规范要求。

表1 现浇梁支架检算结果

3 ANSYS软件模拟现浇梁支架检算的优越性

3.1 优化结构快捷

可以随时修改结构组中同类型结构的截面参数，通过检算结果达到优化结构的目的，从而确保结构的安全性和成本的可控性，防止不必要的浪费。

3.2 复杂的问题简单化

改变传统的手算速度慢、计算结构单一化情况，对于复杂结构整体性软件计算显得尤为突出。

3.3 计算的权威性和全面性

软件整体建模不遗漏细节部分，针对于计算不合格的部位进行补强或更换，从而确保支架整体和细节的安全性。

4 结束语

目前武咸城际铁路主体已经施工完成，武咸城际铁路线路长、现浇梁数量及类型多、施工工艺复杂，本文通过ANSYS软件对武咸城际铁路跨南环铁路复杂现浇梁支架方案进行模拟计算、综合分析，从而达到支架安全、方案优化、高效快捷，同时为节约成本提供了可靠的保证。

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