移动反拱平台的受力与成本分析

2022-11-24 08:03岳豪斌
城市建设理论研究(电子版) 2022年29期
关键词:贝雷梁夹角钢管

王 飞 陈 虔 岳豪斌 刘 宁

1. 中铁四局集团第四工程有限公司 安徽 合肥 230041

2. 贵州大学土木工程学院 贵州 贵阳 550025

移动反拱平台又称收折式移动平台、移动架空平台,由水平桁梁、承重杆系、支撑体系及平台推进转跨行走系统四大部分组成。移动反拱平台主要适用于公路、水利水电、铁路等各种工程建设的高墩、高架、重量较大的长大梁桥简支梁或类似结构现场浇筑,尤其对逐跨施工的连续梁桥最为适用。近年来,对于墩身20m~40m、地形平坦、地质较好的现浇梁桥施工,往往采用钢管贝雷梁组合支架[1][2][3]。当墩身超过40m或支架搭设困难时,专制移动模架机械化程度高、施工效率高,并且无需进行地基处理,但要进行专门设计制造,一次性投入过高,以后难以有类似结构形式的桥梁周转使用[4][5]。在墩台上设置牛腿、横梁,利用贝雷梁拼装而成的水平纵梁和导梁,同时利用卷扬机进行牵引所形成的移动平台不仅可以适合专制移动模架的施工条件,而且可以大大节约施工成本费用[6]。因其普通移动平台使用跨度有限,为加强贝雷片组拼水平纵梁的承载能力和刚度,已有诸多学者在普通移动平台的基础上通过对水平纵梁下部增加承重杆系来满足施工过程中的架空和承载要求,于是出现了收折式移动平台,也称移动反拱平台[7][8][9][10][11]。

从目前文献对移动反拱平台的研究来看,更多研究集中在平台结构设计组成与施工工艺上,对移动反拱平台的结构检算也只是作了简单受力分析,并没有人采用数值模拟的方法对移动反拱平台进行详细的强度、刚度及稳定性进行分析,数值模拟是基于计算机软件快速发展而产生的计算方法,利用该技术可以对施工过程进行准确的模拟[12][13]。移动反拱平台相比于普通移动平台的最大优势在于水平纵梁的下部承重杆系,承重杆系只有倒三角与倒梯形两种形式,其它形式比如倒拱形、矩形等承重杆系是否更具优势是本文所研究的重点之一。面临多跨简支连续梁桥施工方案选择时,绝大多数施工单位会采用钢管贝雷梁组合支架这一传统施工方法,与钢管贝雷梁组合支架相比,移动反拱平台的受力性能和施工成本是否更具优势也是本文所研究的重点之一。

基于以上背景,本文以某实际工程为依托,从受力与成本两方面,对移动反拱平台和钢管支架两种方案进行比选,验证移动反拱平台在连续梁桥施工中的优越性,旨在今后为类似桥梁工程提供借鉴。

1 工程概况

兰海高速重遵扩容项目T2合同段位于贵州省遵义市,标段内设互通式立体交叉1处。其中,F匝道第四联第一孔、第二孔和G匝道第一联第二孔、第三孔上跨主线打宝铺大桥左右两幅,F匝道第三联为本工程最高一联现浇连续梁桥,F6#墩柱高达91m,墩柱形式多样、布置不规则,施工环境及其复杂,常年受峡谷风作用影响,10年一遇最大风速达到23m/s。

2 支架类型比选

针对超高墩、大跨度现浇连续梁桥,可采用钢管支架、移动反拱平台两种施工方案进行施工,下面就两种施工方案进行比选。

2.1 钢管支架

以F匝道第三联第一跨的钢管支架为例进行建模,共7768个节点和13554个单元,其中包括935个桁架单元、11751个梁单元和868个板单元。钢管支架是由钢管立柱(Φ609×16mm)+柱顶主横梁(双拼I45a工字钢)+纵向贝雷梁(321弦杆加强型贝雷片)+横向分配梁(I14工字钢)组成,各片贝雷梁之间采用角钢花架连接,钢管立柱之间的剪力撑采用Φ219×4.7mm钢管,钢管立柱与桥墩之间采用连墙件Φ219×4.7mm的螺旋钢管,平面布置呈三角撑,竖向步距为12m。在此模型中,由于没有混凝土材料,不需要考虑时间依存特性。贝雷梁与钢管立柱的连接、贝雷梁与上部分配梁的连接均为弹性连接;钢管立柱底部与基础的连接方式为刚接,且基础为独立桩基础,并且为端部承压型桩,故可以限制钢管立柱 XYZ 方向上的平动和转动;立柱附着在桥墩上,其连接方式为弹性连接,只限制其XYZ 方向上的平动。建好后的钢管支架模型图如图1所示。

2.2 移动反拱平台

移动反拱平台由主桁梁平台、承重杆系、固定于桥墩上部用来支撑桁梁平台的支承体系以及平台推进转跨行走系统四部分组成。其中主桁梁为拼装桁架结构,采用普通贝雷片与加强弦杆组合,根据箱梁结构特点与墩柱的布置形式分组设置,主桁梁的组数视梁宽和荷载分布情况而定;承重杆系安装于主桁梁平台下部,按承重杆系外形不同可分为倒三角形、倒梯形、五边形、倒拱形以及矩形5种形式,承重杆系由竖向压杆、水平拉杆和斜拉杆组成,各杆的连接点按可转动的铰接设置;支承体系包括内撑体系、外牛腿和墩间斜腿三部分,成为平台的下部支撑体系;行走系统包括贝雷平滚与牵引装置两部分,主桁梁通过滚轮可实现纵向行走与横向滑移。以F匝道第三联第一跨施工为例,采用桥梁专业有限元分析软件Midas/Civil对移动反拱平台进行三维空间有限元分析,贝雷片、加强弦杆、水平拉杆以及斜拉杆采用16Mn钢,支撑架、横向联系桁片以及竖向压杆采用Q235钢,主桁梁平台与支承体系的连接方式为弹性连接,只限制其XYZ方向上的平动。建好后的移动反拱平台模型图如图2所示。

2.3 比选结果

从结构受力角度出发,为比选出钢管支架与各种支撑形式下的移动反拱平台在强度、刚度以及稳定性方面谁更具有优势,通过选择各种支架类型的主桁梁平台为研究对象,分析同样均布荷载下的正应力、剪应力和竖向挠度。各种支架类型的主桁梁计算结果见表1。

表1 各种支架类型的主桁梁计算结果[14][15][16]

从表1可以看出,同样均布荷载作用下,钢管支架与倒梯形移动反拱平台的主桁梁最大正应力在此6种支架类型中最小,分别为71.9MPa和68.4MPa,表明钢管支架和倒梯形移动反拱平台较其它支架类型在强度上较为稳定,这也是大多数施工单位选用钢管支架进行施工的原因之一;另外,钢管支架与倒梯形移动反拱平台的主桁梁最大竖向挠度在此6种支架类型中最小,分别为4.6mm和5.2mm,其它类型移动反拱平台比钢管支架的主桁梁最大竖向变形要大得多,只有倒梯形移动反拱平台比较接近钢管支架,这也是钢管支架方案作为传统施工方案在高墩大跨连续梁桥中进行施工的主要原因,移动反拱平台在刚度方面达不到钢管支架的稳定性。

3 方案优化

从结构受力角度出发,以主桁梁平台为研究对象,综合比较分析钢管支架与各种支撑形式下的移动反拱平台在强度和刚度方面上的稳定性,初步得选出倒梯形移动反拱平台是本工程现浇施工的最佳方案。为了进一步对倒梯形移动反拱平台设计方案进行优化,现从斜拉杆与主桁梁平台的夹角α的大小来研究倒梯形移动反拱平台的结构受力。夹角α可分为30°、45°、60°,其3种夹角α下的移动反拱平台的有限元模型见图3。

根据以上3种不同夹角α下的倒梯形移动反拱平台,同样通过选择同一研究对象主桁梁平台,分析同样均布荷载下的正应力、剪应力和竖向挠度。不同夹角α下的主桁梁计算结果见表2。

表2 不同夹角α下的主桁梁计算结果[14][15][16]

从表2可以看出,同样均布荷载作用下,当夹角α从30°到45°再到60°依次增大时,主桁梁的最大正应力和最大剪应力也同样不断增大,这表明随着夹角α的增大倒梯形移动反拱平台的强度不断下降;另外,主桁梁的最大竖向挠度也随着夹角α的增大而变大,可见随着夹角α的增大倒梯形移动反拱平台的刚度也同样不断降低。

4 成本分析

对于桥梁施工来说,保证桥梁工程的质量是非常重要的,同时做好桥梁工程的成本控制也是非常重要的。施工成本主要包括钢材用量、人力与机械成本。现以上述3联匝道桥实际工程为依托,对钢管支架和移动反拱平台两种施工方案的施工成本进行对比分析。

在钢材用量方面,钢管支架的钢材用量成本为1100.1741万元,移动反拱平台的钢材用量成本为1157.8197万元,移动反拱平台相比钢管支架钢材用量成本增加57.6456万元,这是因为移动反拱平台的组成部分特制贝雷片价格偏高的原因。在人力与机械方面,钢管支架的人力与机械成本为1266.1988万元,移动反拱平台的人力与机械成本为482.1235万元,移动反拱平台相比钢管支架在人力与机械成本上减少784.0753万元。综上所述,移动反拱平台比钢管支架在钢材用量、人力及机械成本上总节约726.4297万元。

5 结论

以兰海高速公路重庆至遵义段松坎互通立交F、G匝道桥为例,采用有限元分析软件Midas/Civil建立了钢管支架和移动反拱平台的有限元模型,得出的主要结论如下:

(1)从结构受力角度分析,通过对钢管支架和不同形式承重杆系下的移动反拱平台进行类型比选,结果表明钢管支架和倒梯形移动反拱平台在强度和刚度稳定性方面各具优势,初步得选出倒梯形移动反拱平台是本工程现浇施工的最佳方案。

(2)通过进一步对倒梯形移动反拱平台设计方案进行优化,改变斜拉杆与主桁梁之间的夹角α可以影响移动反拱平台的稳定性,当夹角α在30°~60°范围内时,倒梯形移动反拱平台的强度和刚度随着斜拉杆与主桁梁之间的夹角α增大而减小。

(3)从施工成本角度分析,在本实际工程中,采用倒梯形移动反拱平台相比于钢管支架在钢材用量、人力以及机械成本上总节约726.5万元。

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