悬空托架施工工艺与有限元分析研究

方博夫

(长沙交通投资控股集团有限公司， 湖南 长沙　410014)



悬空托架施工工艺与有限元分析研究

方博夫

(长沙交通投资控股集团有限公司， 湖南 长沙410014)

采用悬空托架法施工可以解决山区复杂地势高墩连续刚构桥现浇段施工支架搭设不便的难题，施工过程高效、安全、简易。探讨了悬空托架在边跨现浇段的施工工艺，并对其进行应力和变形有限元分析，为工程实际提供设计参考，为相似工程提供借鉴。

现浇段; 悬空托架; 施工工艺; 有限元分析

1　概述

这些年桥梁问题频发，其中有关支架的就有很多。人们很少意识到支架的受力问题，或许只是单单从理论上研究它，很难和实际工程相结合，导致一系列问题的出现。所以进行全面的支架研究，寻找对实际问题的解决方案，为合理的支架施工提供方向，这样研究是非常具有意义的[1]。本文就某连续刚构桥现浇段采用的[1]悬空托架进行施工工艺和有限元分析，对类似地形下桥梁施工和设计分析具有一定的参考价值。

2　悬空托架的主要特点

2.1悬空托架的优点

① 悬空的托架归为悬空的结构，这种悬空的施工方法具体操作是先形成支撑的主体，主体是由钢结构拼凑然后电焊成的牛腿，再在上部搭起分配的梁，一共两层，成为施工的平台。无需搭设支架，与其它落地式支架相比，对地势复杂的山区和高墩桥梁施工具有明显的优势

② 悬空托架采用型钢拼装焊接，结构简单，既能保证结构受力合理、安全合理，而且可以使施工的质量更好，项目的进度更快，项目的成本更低，使工作量急速降低，使工作人员的工作强度减小[2]。

2.2悬空托架的形式特征

托架构造采取牛腿托架，这种形式体积不大，构造受力合理，在设计方面比较全面，而材料大多采用钢材，方便施工。

一侧的托架使用三根牛腿的托架一样的距离放置，每一片的托架间有横向连接的元件，多是钢结构焊接形成的。托架主要受力部位使用I32b钢，且是工字电焊形成，一共上下两部分，一部分是桁架，主要负责传导力，另一部分是牛腿，主要负责支撑，这部分和桥墩有两个连接部位，都要布置预埋件，通过电焊联系起来，锚固点是主要受力部位，所以需要对这个地方的构造形式和大小进行控制，实际施工的质量也需要控制。一部分连接的点用两排6根φ20 mm的钢与20 mm板电焊连接，有一个方向的力；另一部分为预先埋置的斜向支撑的，使用20 mm的板，尺寸400 mm×320 mm。现在在牛腿的里面加上一部分I320的横向梁，为了防止上面的桁架导向一边，所以最后需要形成一个整体[3]。

托架的最上面使用双层的分配梁来均匀的分担力，一层采用I200 mm的工字钢，这些梁主要做一个方向力的分担，另外一层使用两个I400 mm的工字钢做另外一个方向的力的分担。现浇的部分里外模板都使用竹胶的板，底板铺设10 cm×10 cm及12 cm×15 cm方木，梁体内外使用钢管扣件支架支撑模板(见图1，图2)。

图1　悬空托架布置侧面图Figure 1　The side view of impending bracket

图2　悬空托架布置正面图Figure 2　The front view of impending bracket

3　悬空托架施工工艺流程[4]

3.1总体施工流程

总体施工工艺流程如图3所示。

图3　总体施工流程图Figure 3　The general construction flow chart

3.2施工重点

边跨的现浇段在实际操作浇筑时，悬空的托架承担大部分的力，而在合拢时，荷载是由两部分分担的，包括挂篮还有托架。并且截面是非对称的，有部分伸出，这部分不断加长，恒载不断加大，引起扭矩也不断加大，同时在截面上会发生扭转的变形，剪切应力不断加大，影响结果的准确性，故在进行实际施工的过程中，对托架进行预先的加压是特别重要的，这也同时影响施工和受力的准确性，还要保证与引桥和合理连接。所做的一切都是为了保证桥梁的安全运营。预先加压是为了：

① 检测托架各个部分的稳定性，抗压抗拉强度，还有整体的刚度，推断出这些托架连接是否是正确的；

② 托架自身会有各种变形，为了使结构不要出现非线性的变形，同时需要得到弹性变形值，以防在实际的操作过程中发生特别大的竖向的变位，对桥梁整体的形状也会有形象，同时影响结构的实际使用[5]。

4　设计参数[6]

① 计算参数。

② 荷载取值。

荷载组成：

托架的设计荷载包括托架自重、钢筋混凝土的自重(取26 kN/m3)；模板支架的自重按2.5 kN/m2取值；施工荷载取1.5 kN/m3；砼浇筑时候振动荷载系数取1.2。

③ 设计荷载值。

墩柱偏位由2部分形成，一部分实体结构和外面的部分，墩柱上面的部分荷载大：墩柱外面的部分：

G1=26 kN/m3×18.554 m2×1.29 m=

622.30 kN；

墩柱外测部分：

RA=471.5 kN，RB=460.2 kN；

墩柱偏心距为：

M=622.30 kN×0.66 m+471.5 kN×1.48 m+

460.2 kN×3.5 m=2 719.24 kN×m；

墩柱外侧配载：

G1=2 719.24 kN×m/2.4 m=1133.02 kN。

5　悬空托架有限元分析

5.1悬空托架整体模型的建立[7]

根据以上参数值，选择梁单元建模，截面为型钢截面，将设计荷载值转换为梁单元(连续)均布荷载分别施加在19根纵梁上。模型如图4所示：

图4　悬空托架模型Figure 4　The model of impending bracket

5.2应力分析

① 正应力分析[8]。

托架正应力等值线如图5所示。

图5　正应力等值线图(单位: kN/m2)Figurre 5　The contour map of normal stress (unit:kN/m2)

根据图5得，托架的MAX压应力为103 MPa，MAX拉应力为32.4 MPa，产生在连接的地方的托架钢结构使用Q235，安全的系数K为[w]/σ等于145/103等于1.4大于1.3。

② 剪应力分析。

在单元局部坐标轴x、y两个方向都产生剪应力，取主轴截面。由托架剪应力等值线图(见图6)可知，托架最大剪应力为42.39 MPa 。MAX剪切应力产生牛腿和横向支架的连接部位。托架的钢结构使用Q235，安全系数K=[τ]/τ=85/42.39=2.0>1.3,符合要求。

图6　剪应力等值线图(单位： kN/m2)Figure 6　The contour map of shear stress(unit: kN/m2)

③ 组合应力分析(见图7)。

由图7可知：轴向和弯矩共同作用产生的最大组合拉应力为111.0 MPa，MAX压应力为107.7 MPa。都比Q235钢的允许应力145 MPa小。

图7　托架组合应力等值线图(单位： kN/m2)Figure 7　　　　The bracket’s contour map of combined stress (unit:kN/m2)

5.3变形形状分析

规范中有关的验算，关于支架和模板的刚度，有一些要求：这些结构受荷载作用时，弹性的挠度是相关的结构计算跨性的四百分之一。

由图8得：外面竖向的梁，MAX挠度在0.44 mm和4.8 mm中间，4.8 mm<2*2/700 m等于5.72 mm，是符合相应砼梁底下形状要求。桥梁竖向和横桥向MAX位移是2.9 mm、1.28 mm，满足要求。

图8　托架的下挠图(单位： cm)Figure 8　The bracket’s deflection map (unit: cm)

横向梁伸出部分太长，承担的力比较大，横梁悬臂末端下挠较大，为了更好的控制下挠，方便立模标高的确定，选用I50双拼工字钢作为横梁最大下挠仅为12 mm[9](见图9)。

图9　托架横梁下挠对比图Figure 9　The comparison map of bracket beam’s deflection

5.4整体稳定性分析[10]

结构的整体稳定性分析是长期备受关注的问题，有许多的原因造成形式整体的支撑能力改变，像形状、几何和材料非线性、加载的位置等。实际施工时，必须要第一个想到整体的稳定性是否受力作用的影响。线形的屈曲会对我们的估计产生影响，同时也会得到不利状态的样子，这样我们会根据实际的状态来进行判断。

这里会对整体进行一阶的分析[11]，得到它的失稳时候的状态，同时得到54.18的系数，为临界的荷载系数，代表54.18倍数的力加载在结构上，这时实际状态和理论状态是一致的，图10所示为一个方向的屈曲，是作用力大的时候发生的。一般结构的临界荷载系数大于5即能满足稳定要求，54.180大于5，稳定能力比较好，能够满足承载要求。

图10　屈曲模态1Figure 10　The buckling mode 1

分析得出，托架的受力比较好，满足规范，故结构形式也比较好，能够满足安全性与适用性的要求。

6　结论

本文探讨了悬空托架的优点和构造特点，并总结出其施工工艺流程，并突出了施工重点，采用有限元软件对结构进行应力、变形和稳定性分析，得出其符合设计规范的要求。

本文通过悬空托架在一座山区高墩连续刚构桥的应用和有限元分析，论证了该结构可以取代落地式桥梁支架施工，对于山区河谷等复杂地势下施工具有很大的适应性和可靠性，可为类似工程施工提供借鉴。

[1]李明，陈伟. 桥梁施工临时结构设计[M].北京：中国铁道出版社, 2002.

[2]张磊. 悬空托架在连续刚构桥边跨现浇段施工中的应用[D].西安：长安大学,2012.

[3]彭伟海. 悬空抱箍托架法在现浇墩柱式盖梁施工中的应用[J]. 中国西部科技,2006(5):9-10.

[4]吴世锋. 试论高速公路桥梁施工技术[J]. 北方交通,2013(2):47-49.

[5]朱晓明. 桥梁施工技术现状及发展趋势[J]. 中国新技术新产品,2011(6):143.

[6]交通部第一公路工程总公司. 公路施工手册～桥涵(上册)[M]. 北京：人民交通出版社, 2004.

[7]向坚持,刘相滨,谭义红,等.MIDAS技术研究及其应用[J]. 计算机工程与应用,2002(15):168-170.

[8]JTJ 025-86，公路桥涵钢结构及木结构设计规范[S].

[9]吴永盛,谢云. Midas/Civil软件在临时结构计算的运用[J]. 福建建筑,2012(4):76-77.

[10]侯增水,杨桂玲. 桥梁稳定理论的研究[J]. 黑龙江交通科技,2005(5):52-54.

[11]刘兴业，韩庆华，金辉，等. 工程结构整体屈曲的临界荷载分析[J]. 天津大学学报, 2005(1).

Impending Bracket Construction Craft and the Finite Element Analysis and Investigation

FANG Bofu

(Changsha Communication Investment Holding Group Co., Ltd， Changsha, Hunan 410014, China)

The impending bracket construction method can solve the problem of construction support build-up in cast-in-site segments of continuous rigid frame bridge with high piers in the complex mountainous terrain, and make the construction process efficient, safe and simple. This paper discusses the construction craft of impending brackets in cast-in-site segments at the side spans, and carries on the stress and deformation finite element analysis, to provide reference for practical design, and reference for similar projects.

cast-in-site segments; Impending bracket; construction technology; finite-element analysis

2016 — 07 — 07

方博夫(1980 — )，男，湖南岳阳人，工程师，主要从事工程项目管理。

U 44.45

A

1674 — 0610(2016)04 — 0176 — 04