防护网在墩身防护架竖向受力过程中的作用

吴 竞, 陈 鲁, 柳 民, 李虹余, 吕 阳

（1.同济大学浙江学院，浙江 嘉兴 314051；2.浙江兴土桥梁专用装备制造有限公司，浙江 嘉兴 314000；3.浙江兴土桥梁临时钢结构工程有限公司，浙江 嘉兴 314000）

在桥梁施工过程，特别是大型桥墩墩身的施工过程的辅助设施搭设和拆卸过程中，传统脚手架节点和杆件繁多，搭设复杂，转场困难，造成了施工工期加长，施工人员安全隐患大等问题[1]。而且，根据不同的施工过程，脚手架的搭设方式等都要进行相应的设计，在竖向施工荷载下的受力计算尤其要，特别是要考虑偏载下整体结构的受力性能，否则可能会引起失稳破坏[2]，所以形成了各式各样的脚手架搭设技术[3～5]，而脚手架的安全网通常是通过麻绳、棕绳或尼龙绳等编织而成，仅起防止人或物件坠落的作用，在施工过程中不起受力作用。

针对上述问题，某桥梁临时钢结构装配公司开发研制了新型墩身施工安全防护架，防护架标准节段主要结构如图1所示，该防护架主要通过每个单元的4根立柱承受竖向荷载，各单元之间通过柱端插入式进行连接，缩短了施工工期。外围的安全防护网为带孔的钢片，起到了维护作用，但因安全防护网所占面积大，与整体结构间通过螺栓连接，所以考虑其在整体竖向受力过程中是否有贡献问题，进行了竖向荷载下整体施压（简称整压）、防护网一侧偏压（简称后偏压）和无防护网一侧（简称前偏压）3种工况下的现场试验和有限元分析，通过有无防护网的梁柱应力和位移数据的对比，研究防护网抵抗竖向荷载下的受力和变形性能，为安全防护架的优化设计和施工过程提供了依据。

图1 标准节段实图

1 试验方案

1.1 试验内容和加载工况

为了得到在竖向受力过程中，防护网参与受力的情况，对安全防护架标准单元进行了整压、后偏压和前偏压3种受力工况的试验，具体试验内容如下：①标准节架体竖向整体荷载试验：选取3个标准架体，采用分级竖向整体堆载的方式加载（图2a），加载同时，测量关键构件以及关键部位的构件应力，结构变形等关键参数，逐级加载，得到3个标准节架体在加载过程中的结构构件响应变化过程；②标准节架体竖向偏心（图2b、图2c）荷载试验均选取3个标准架体，加载方式及数据提取同整压工况。

图2 标准节加载示意图

1.2 加载方式

为验证安全防护架单元体竖向荷载作用下防护网参与受力后，结构主要构件的关键部位的应力、变形等参数。采用竖向分级堆载的方式模拟竖向荷载加载，重物采用标准钢锭，分级加载。1～6级加载质量分别为0.3415t/m2、4t/m2、7t/m2、9t/m2、12t/m2、15t/m2，1～2级卸载质量分别为8t/m2和0。

每级加载后持荷时间按不小于5min，为保证结构不发生破坏，如发生以下情况则终止加载：构件脱落或有脱落迹象；结构产生连续发展的侧向位移；结构产生连续发展的竖向挠度；主要构件表面应力超出屈服强度的1.5倍。

2 有限元分析

2.1 有限元模型

利用Abaqus通用有限元软件，并根据安全防护架各构件的尺寸和连接形式，建立有限元模型，所有构件均采用C3D8R六面体实体单元，材料Q235B，杨氏模量2.1×1011N/m2，泊松比0.3，密度7 800kg/m3，构件间联结形式为刚接。

2.2 分析步、荷载和边界条件的设置

共设置2个分析步。先选择静力、通用分析步，时间长度为1，最大增量步数为100，初始增量步为0.001，最大增量步为1，最小增量步为1×10-5；再选择静力、通用分析步，时间长度为7，最大增量步数为1 000，初始增量步为0.001和最大增量步为7，最小增量步为1×10-5。

防护架与地面简支设置，即在一侧柱下端设置固定铰支座，放松绕短向横梁轴线的转动约束；另一侧柱下端为可移动铰支座，放松垂直于柱轴向的水平位移和绕短向横梁轴线的转动约束。

因在放置钢锭前，在防护架上侧放置了重量为1t的钢板，所以在分析步1中，设置满布荷载为3 415N/m2。

3 对比分析

3.1 应力

为了讨论防护网参与安全防护架竖向荷载下的受力情况，选取了8个测点的Mises应力进行分析（图3）。图中粗实线表示的立柱两侧均无防护网，3、4测点分别位于该立柱的下端和中间截面；1、2测点所在立柱两侧均有防护网；5、6、7、8分别为4根横梁跨中截面。

图3 应力测点布置图

将以上8个测点的数值分析结果（理论值）和现场试验结果（试验值）的应力数据进行整理，试验数据选取4t/m2、9t/m2、15t/m2的实测数据取的3次试验数据的平均值，其中柱身数据取同一位置4个应变片数据的平均值，横梁取翼缘板表面的应变片数据，然后将每个测点对应荷载下后偏压与整体施压应力之比、前偏压与整体施压应力之比分别列出，见表1。

对于立柱（1～4号测点），从表1和图4可以看出，两侧有防护网立柱的1、2测点的后偏压应力与整压应力之比小于3、4测点的前偏压应力与整压应力之比，试验值比理论值更为明显，说明后偏压时防护网在承受竖向荷载上起到了有利作用，使立柱的应力减小。

对于横梁（5～8号测点），从表1和图4可以看出，5号测点（所在短边横梁下侧有防护网）后偏压与整压的应力理论值和试验值之比，和前偏压与整体的应力理论值和试验值之比比较接近，7号测点（所在短边横梁下侧无防护网）后偏压与整压的应力理论值和试验值之比，小于前偏压与整压的应力理论值和试验值之比，说明防护网起到了一定的有利作用，但不明显。8号测点（所在长边横梁下侧有防护网）后偏压与整压的应力理论值和试验值之比，明显小于6号测点（所在长边横梁下侧无防护网）前偏压的应力理论值和试验值之比，说明防护网对长边横梁竖向荷载下的受力影响较大。

表1 偏压与整压应力之比

图4 偏压与整压应力之比

3.2 位 移

根据研究内容，取安全防护架横梁和立柱挠度测点如图5所示。图中粗实线表示的立柱两侧均无防护网，f1、f2、f3测点分别顶框架3根横梁跨中挠度测点位置；1、2测点所在立柱两侧均有防护网；3、4测点所在立柱横向有防护网而纵向无防护网。

图5 空间位移测点布置图

将以上7个测点的数值分析结果（理论值）和现场试验结果（试验值）的位移数据进行整理，试验数据选取4t/m2、9t/m2、15t/m2的实测数据取的3次试验数据的平均值，其中柱身数据取同一位置两个方向位移数据算术平方根的平均值，横梁取跨中竖向位移数据的平均值，然后将每个测点对应荷载下后偏压与整体施压位移之比、前偏压与整体施压位移之比分别列出，见表2。

对于横梁（f1～f3号 测点），从表2和图6可以看出，f3号测点（所在短边横梁下侧有防护网）后偏压与整压的位移理论值和试验值之比，与f1测点前偏压与整体的位移理论值和试验值之比相差不大。f2号测点（所在短边横梁下侧无防护网）后偏压与整压的位移理论值和试验值之比，和前偏压与整压的位移理论值和试验值之比也相差不大，说明防护网在竖向荷载下对限制横梁位移贡献不大。

对于立柱（4(①)～7(④)号测点），从表2和图6可以看出，两侧有防护网立柱的4(①)、5(②)测点的后偏压与整压位移理论值之比接近于6(③)、7(④)测点的前偏压与整压位移理论值之比，试验值前者略低，说明防护网在竖向荷载作用下对限制立柱位移的贡献也不大。

表2 偏压与整压位移之比

图6 偏压与整压位移之比

4 结 语

通过对新型墩身安全防护架进行现场试验和理论分析，可以得到如下结论。

1）防护网在墩身安全防护架竖向荷载作用下，对立柱的应力和长向横梁的应力有利作用较大，而对短向横梁的应力和梁柱空间位移的贡献不大，可以起到维持整体稳定性的作用。

2）墩身安全防护架在竖向荷载作用下，梁柱关键部位的应力理论值和试验值比较接近，但位移理论值和试验值相差悬殊，是由于现场试验时防护架整体的刚体位移所造成。

3）在墩身安全防护架优化设计时，可考虑防护网对竖向荷载作用下立柱受力的贡献，适当减小防护网一侧立柱的截面尺寸。

采用新型墩身施工防护架体系可以有效地解决传统施工手段存在的施工复杂，安全性低、施工周期长等问题。通过对新型防护架体系的理论分析计算和荷载试验，可以有效地证明其承载能力并发现其存在的问题，经过后续的改进，可以广泛地应用到现在桥梁施工领域中去，对推进我国桥梁建设行业起到有益的作用。

[参考文献]

[1]廖书欣，张文学，谢全懿.桥梁临时结构典型施工事故分析[J].国防交通工程与技术，2015，13(6)：48-51.

[2]衣振华，王有志.桥梁施工中碗扣式脚手架支撑的计算[J].施工技术，2006，35(7)：56-58.

[3]张良杰.《建筑业10项新技术》(2010版)之模板及脚手架技术[J].施工技术，2011，40(5)：23-25.