市政桥梁钢箱梁临时支架的设计与验算

杨 慧

(江西中煤建设集团有限公司,南昌 330038)

钢箱梁结构被广泛应用于大跨度、高性能的市政桥梁建设中,其结构简单,承载能力强。临时支架是桥梁施工中的关键部分,主要用于支撑钢箱梁及相关构件[1]。临时支架的合理设计可确保桥梁施工的稳定性及安全性,优化临时支架设计能够提高施工效率,降低施工成本,减少对交通的影响,为城市交通的顺利发展提供有力保障[2]。

某市政高架桥钢箱梁分为左右两幅(LZ19联、LY19联),为双层钢箱梁上跨市政主干道,单箱两室截面,梁高1.72 m,LZ19联长135.29 m,桥面宽度14.75 m,纵坡0.5%。LY19联长104.342 m,桥面宽度13 m,纵坡0.3%,上层钢箱梁横梁伸出箱体之外,支承于桥墩顶上,下层钢箱梁横梁伸出箱体之外,支承于桥墩牛腿上。LZ19联钢箱梁标准断面为单箱两室箱梁,顶板宽14.75 m,箱底宽8.748 m,两侧悬臂长度为3.5 m。LY19联钢箱梁标准断面,顶板与箱底宽度分别为13.0 m、7.0 m,悬臂长度为2.35 m,梁高均为1.72 m。

钢箱梁顶面设单向横坡,面、底板横桥向为平行。钢箱梁临时支架材质采用Q235,弹性模量E=2.0×105MPa,容重r=78.5 kN/m3,容许应力[σ0]=200 MPa。图1为吊装支架立面布置。

1 计有限元验算分析

在进行临时支架验算前,需对支架所受的各种荷载进行特性分析。主要荷载包括自重、桥梁施工荷载、临时支架自身的荷载等[3]。自重是临时支架最常见的荷载,需要准确估算支架各构件的自重,以确定其对支架整体稳定性的影响。桥梁施工荷载是支架设计的主要荷载,需要根据钢箱梁的施工过程及具体工况计算各种施工荷载的作用情况。在荷载特性分析的基础上进行支架构件的受力分析,这是支架验算的核心。支架各构件受力情况的合理分析是确保支架稳定的关键,通过应力、变形、位移等方面的分析可判断支架构是否存在过载或失稳等问题。

根据吊装支架技术要求确定其最不利受力状况为1～6支架,进行建模计算,如图2所示。

图2 最不利受力支撑Fig.2 Most unfavorable bracing

1.1 模型的构建

受力计算分两步进行,吊装LZ19联时,LY19梁段已经有力作用在支架上,重力转化为节点荷载作用在立柱上,各立柱分布承受27 t,LZ19梁段的重力转化为节点荷载作用在立柱上,考虑冲击力的影响,重量乘以1.4的冲击系数,各立柱分布承受21 t。计算梁段吊装在临时支架上时立柱的强度及刚度,采用MidasCivil有限元软件对临时支架结构进行模拟。采用空间梁结构单元模拟各个杆件,材料选用Q235,假定立柱柱脚不发生沉降及转动,对约束节点进行6个自由度的约束,即不允许节点在X、Y、Z方向上发生位移变形及绕X、Y、Z轴旋转。将适当的节点荷载施加在支架的吊装位置,模拟吊装过程中的实际受力情况。采用梁单元均布荷载,将荷载均匀地施加在钢箱梁的横梁上,得到钢箱梁临时支架在实际工况下的受力及变形情况,为支架的设计和验算提供重要依据。吊装支架加载如图3所示。

图3 吊装支架加载Fig.3 Loading of lifting support

1.2 支架强度验算

考虑吊装的冲击系数与施工荷载的不均衡系数,箱梁自重分项系数取1.4,支架自重分项系数取1.1。支架结构总体应力模拟情况如图4所示。由图4计算可得,立柱最大应力为84.9 MPa(压应力),联接系最大应力为78.6 MPa(压应力)。

图4 结构总体应力(1.1恒+1.4吊装荷载,单位:MPa)Fig.4 Overall structural stress (1.1 constant +1.4 lifting load, unit: MPa)

1.3 刚度验算

支架立柱横向挠度模拟情况如图5所示。考虑吊装过程中的竖向荷载组合,得到的立柱横向挠度最大值为2.9 mm,故支架刚度满足要求。

图5 立柱横向挠度(1.1恒+1.4吊装荷载,单位:mm)Fig.5 Lateral deflection of the column (1.1 constant +1.4 lifting load, unit: mm)

1.4 稳定性验算

考虑最不利状况,结构同时受到恒载与活载的作用,采用倍增方式求解结构的稳定系数。计算结果表明,结构稳定系数δ>33.2,即结构的临界荷载远远大于实际作用荷载,结构在最不利情况下具有较高的稳定性,不会发生稳定性失稳现象。一阶失稳模态为立柱的失稳,说明在该情况下支架中的立柱是整个结构的稳定性薄弱环节,如图6所示。

图6 结构一阶失稳模态局部屈曲Fig.6 Local buckling of the first-order instability mode of the structure

1.5 支座反力

在荷载组合作用下,结构的支座反力与弯矩对结构的稳定性及地基的承载能力有重要影响。通过数值模拟与仿真得到各个支座的反力大小、方向及弯矩的分布情况,评估结构不同位置的受力情况、抗弯能力及变形控制性能。为配合基础验算,提取荷载组合作用下的结构支座反力τ、弯矩M,见表1。

表1 支座节点反力及弯矩表Tab.1 Reaction force and bending moment of support joints

2 结论

根据MidasCivil有限元计算可知,在1.1结构自重+1.4吊装荷载作用下,该钢箱梁临时支架结构最大应力为84.9 MPa,强度满足要求。竖向荷载作用下支架竖向挠度2.9,刚度满足施工荷载的需求。恒载与施工荷载一起倍增的情况下,结构安全系数大于33.2,满足施工要求。

在临时支架设计过程中需充分考虑材料性能、结构形式、荷载特性等多方面因素,以确保临时支架的安全稳定。结合具体工程实例,采用MidasCivil有限元对该高架桥钢箱梁临时支架进行模拟计算。结果表明,在1.1结构自重+1.4吊装荷载作用下,临时支架的强度、刚度及安全性能均满足施工要求,为类似桥梁工程实践提供了参考及借鉴。