ANSYS軟件在現澆梁支架模擬計算中的應用

許自剛

(中鐵十八局第五工程有限公司，天津300450)

武咸城際鐵路位于湖北省南部，北連“九省通衢”武漢，南接鄂南著名的生態城市咸寧。其中由中鐵十八局負責施工的DK0+000-DK15+376及其聯絡線位于武漢市區附近，設計有為數眾多、形式多樣的現澆梁，現澆梁施工為全線施工的重點和難點。本文對上行聯絡線特大橋跨南環鐵路現澆梁復雜支架方案采用ANSYS軟件模擬分析的過程進行了詳細的介紹。

1 支架設計方案

武咸城際鐵路上行聯絡線特大橋19#～21#墩采用2×32 m連續箱梁方式跨越南環鐵路，上行線和下行線與南環鐵路的夾角為25.9°，線路基本與南環鐵路并行，南環鐵路為Ⅰ級干線鐵路，列車行駛速度120 km/h，日客車通行對數為25對，接觸網電壓27.5 kV。施工難度和安全風險極大。通過多次優化比選，最終選取現澆梁支架方案布置如圖1所示。

圖1 跨南環鐵路19#-21#墩現澆梁支架平面布置(單位：cm)

1.1 支架布置

上行聯絡線特大橋跨南環鐵路連續梁采用鋼管貝雷梁支架法整體現澆施工，平行于南環鐵路兩側各設置兩排鋼管立柱，其布置間距詳見圖1。鋼管立柱采用直徑為63 cm，壁厚10 mm的空心鋼管。鋼管立柱之間焊接[14 a槽鋼作為剪刀撐進行連接。除承臺位置處的鋼管立柱底部不設置樁基礎、條形基礎之外，其余部分均設置直徑1.6 m，壁厚30 cm的人工挖孔樁基礎及大小為1.5(寬)×1m(高)鋼筋混凝土條形基礎，施工時應根據施工方案設計圖在承臺、條形基礎相對應鋼管立柱的位置預埋帶錨固螺栓的鋼板，鋼管立柱通過高強螺栓與條形基礎、承臺進行錨固連接。其頂部采用兩根I56 a工字鋼做縱梁，并在縱梁兩側焊接[14 a槽鋼作為八字撐與鋼管立柱頂鋼板錨固連接。橫梁采用上下加強型貝雷片，每兩排一組，間距為22.5 cm、45 cm兩種形式，貝雷梁布置方向與箱梁軸線基本相垂直，并按實際情況根據角度進行調整，但間距不得大于45 cm。貝雷梁頂部滿鋪6 mm厚鋼板進行安全防護，防護材料頂部依次為I16 a工字鋼、碗扣支架、15 cm×15 cm方木、10 cm×10 cm方木、定型鋼模板。支架布置如圖2所示。

圖2 跨南環鐵路19#～21#墩現澆梁支架縱斷面及橫斷面布置

1.2 方案的特點

(1)墩高、梁體積大，墩身最大高度為23.5 m，現澆梁為2孔1聯同步進行澆筑，混凝土量達到425 m3。

(2)小曲線彎梁。連續梁體為彎梁，從門式墩的右側直接過渡到門式墩的左側，曲線半徑為600 m。

(3)為滿足跨越南環鐵路的需要，橫向貝雷梁跨度較大，凈跨為18.5 m。橫向門架受力情況復雜，受力位置不斷變化。

(4)由于跨越鐵路加之與鐵路夾角較小，情況復雜，鋼管和貝雷梁等材料用量較大，墩高相同時，相當于普通墩梁式現澆支架材料用量的4倍。

2 用ANSYS軟件計算結構整體受力

計算采用容許應力法，用ANSYS軟件并結合理論公式手工計算。

2.1 模型建立

從圖1所示的平面布置圖可知，貝雷梁的受力很復雜，為了精確計算各個構件的受力情況，建立三維空間模型，圖3為用ANSYS建立的整體模型圖。

模型中混凝土梁用SOLID45單元模擬，為了模擬其流動性，選用很小的彈性模量；模板用SHELL63單元模擬，厚度6 mm；其他桿件均用BEAM188和BEAM189模擬。結構受到的荷載主要是結構(鋼管立柱、縱梁、貝雷梁、下縱向方木、碗扣支架、橫向分配梁、上縱向方木、內外側模板及其模板支架、底模板)及混凝土自重，其他施工荷載近似按混凝土自重的10 %考慮。

圖3 現澆梁支架模型

2.2 荷載計算

整個結構受到的荷載包括：

(1)混凝土箱梁的濕重，混凝土密度取26 kN/m3?；炷料淞河肧OLID45單元模擬，其濕重程序自動計入。流動混凝土對側模的壓力考慮方法：將模擬混凝土的單元材料參數中的彈性模量降低1 000倍，相當于混凝土沒有剛度，則側壓力自動計入；

(2)施工荷載，包括施工人員及機具重量、傾倒、振搗荷載等，按5 kN/ m2考慮，在建立箱梁模型時，截面有所加大以考慮該部分荷載；

(3)鋼模板重量：單線32.7 m單孔模板兩側模重39.5 t，底模8.5 t，內模為11 t,共重59 t，則按18.1 kN/m，此部分由SHELL63單元和BEAM188單元模擬。其中SHELL63模擬面板，取6 mm厚，BEAM188模擬模板縱橫肋和模板支撐桿件，重量由程序自動計入；

(4)方木容重為7.5 kN/m3，用BEAM188單元模擬，程序自動計入其重量；

(5)碗扣支架、縱橫型鋼、鋼管柱及貝雷梁的重量用BEAM188單元模擬，程序自動計入其重量；

(6)因為列車時速較小，不計列車高速運行引起的氣動力；

(7)按照《京滬高速鐵路設計暫行規定》(鐵建設[2003]13號)中的有關條文規定，對于列車時速小于160 km/h的情況，可以不考慮氣動力的影響。查武漢地區風壓，按10年一遇考慮，橫向風荷載按0.25 kPa的風壓計算。注意在拆裝結構時應當適當布置纜風繩或其他防傾倒措施，以保證安全。

2.3 計算結果

計算結果見圖4和表1。

圖4 現澆梁支架整體位移

經計算，結構的總體豎向位移最大發生在靠近20#墩的貝雷梁跨中，最大為27.8 mm(如圖4所示)，支架整體變形符合規范要求。

表1 現澆梁支架檢算結果

3 ANSYS軟件模擬現澆梁支架檢算的優越性

3.1 優化結構快捷

可以隨時修改結構組中同類型結構的截面參數，通過檢算結果達到優化結構的目的，從而確保結構的安全性和成本的可控性，防止不必要的浪費。

3.2 復雜的問題簡單化

改變傳統的手算速度慢、計算結構單一化情況，對于復雜結構整體性軟件計算顯得尤為突出。

3.3 計算的權威性和全面性

軟件整體建模不遺漏細節部分，針對于計算不合格的部位進行補強或更換，從而確保支架整體和細節的安全性。

4 結束語

目前武咸城際鐵路主體已經施工完成，武咸城際鐵路線路長、現澆梁數量及類型多、施工工藝復雜，本文通過ANSYS軟件對武咸城際鐵路跨南環鐵路復雜現澆梁支架方案進行模擬計算、綜合分析，從而達到支架安全、方案優化、高效快捷，同時為節約成本提供了可靠的保證。

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