橋梁主塔施工用鋼管樁支架結(jié)構(gòu)有限元分析

尚偉+楊曉婧+毛毳+宋吉寧

摘要： 針對某鋼結(jié)構(gòu)橋梁主塔施工中的鋼管樁支架結(jié)構(gòu)，分別計算鋼管樁支架結(jié)構(gòu)在主塔某組合段鋼梁載荷、風(fēng)載荷及其共同作用下的von Mises應(yīng)力.根據(jù)計算結(jié)果分析風(fēng)載荷對結(jié)構(gòu)的影響，得出風(fēng)載荷影響最大von Mises應(yīng)力出現(xiàn)的位置；計算組合段鋼梁和風(fēng)載荷共同作用下鋼管樁支架結(jié)構(gòu)的屈曲臨界載荷.通過對其強度和穩(wěn)定性進行分析，提出鋼管樁支架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，指導(dǎo)橋梁主塔的安全施工.

關(guān)鍵詞： 鋼管樁； 風(fēng)載荷； 強度； 屈曲臨界載荷； 穩(wěn)定性； 有限元

中圖分類號： TU311.41文獻標(biāo)志碼： B

Abstract： As to a steel pipe pile support structure in the construction of a bridge main tower which is made of steel， the von Mises stress of the steel pipe pile support structure is calculated separately under the effect of a combination steel beam load or the wind load or the combined effect of the two kinds of load. According to the calculation results， the effect of wind load on the structure is analyzed and the location of the maximum von Mises stress under wind load is obtained； the buckling critical load of the steel pipe pile support structure is calculated under the combination steel beam load and wind load. The strength and stability are analyzed to propose the optimization scheme for the steel pipe pile support structure， which provides reference for the safe construction of the bridge main tower.

Key words： steel pipe pile； wind load； strength； buckling critical load； stability； finite element

鋼管樁支架結(jié)構(gòu)是確保橋梁施工的最重要的大型臨時工程結(jié)構(gòu)之一，其主要功能是為橋梁施工提供臨時支撐.[12]以某鋼結(jié)構(gòu)橋梁主塔施工中的鋼管樁支架結(jié)構(gòu)為例，該橋梁主塔高120 m，主塔鋼梁與地面呈72°傾角，主塔采用鋼結(jié)構(gòu).由于主塔鋼梁與地面呈72°傾角，所以鋼管樁支架結(jié)構(gòu)設(shè)計為臺階形式，見圖1.在鋼梁施工時，采用鋼管樁支架結(jié)構(gòu)進行鋼梁的支撐，鋼管樁規(guī)格為 600×10 mm.鋼管樁支架結(jié)構(gòu)總高度為103 m，順橋向長度為41.6 m，橫橋向?qū)挾葹?2.9 m.在高度方向每6 m處設(shè)置橫向聯(lián)結(jié)（頂部高度8 m，底部高度10.235 m）.橫向聯(lián)結(jié)采用 300×10 mm的鋼管.該鋼管樁支架結(jié)構(gòu)必須有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性，自重輕，施工和拆除方便，滿足施工載荷和風(fēng)載荷等載荷要求.為保證橋梁主塔安裝的施工安全，運用ANSYS對其主塔安裝使用的鋼管樁支架結(jié)構(gòu)承載性能進行分析.

4結(jié)束語

為保證橋梁主塔安裝的施工安全，鋼管樁支架結(jié)構(gòu)必須有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性.對于復(fù)雜的鋼管樁支架結(jié)構(gòu)，ANSYS具有一定的優(yōu)越性，可以運用其對節(jié)點進行編號完成建模和施加載荷.在劃分單元時可設(shè)定鋼管樁的尺寸，根據(jù)計算出的鋼管樁支架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移以及屈曲臨界載荷等數(shù)據(jù)對結(jié)構(gòu)的承載性能進行分析.分別計算鋼管樁支架結(jié)構(gòu)在65 t主塔組合段鋼梁載荷作用、風(fēng)載荷作用以及2種載荷共同作用下的von Mises應(yīng)力.對計算結(jié)果進行分析可得出鋼管樁支架結(jié)構(gòu)在主塔底部附近為危險區(qū)域，可對此處的鋼管樁進行加固.風(fēng)載荷影響最大von Mises應(yīng)力的位置，所以對于此鋼管樁支架，結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷是不能忽視的.對鋼管樁支架結(jié)構(gòu)在風(fēng)載荷和主塔組合段鋼梁載荷共同作用下的穩(wěn)定性進行計算分析，認(rèn)為主要由于底部失穩(wěn)導(dǎo)致鋼管樁支架結(jié)構(gòu)失去承載能力，所以底部應(yīng)該設(shè)置更密集的橫向聯(lián)結(jié)，以防止整體結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn).

參考文獻：

[1]周建權(quán). 鋼管樁支架法在新建天津海河大橋施工中的應(yīng)用[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計， 2012， （2）： 7880.

[2]劉學(xué)慶. 大跨連續(xù)槽形梁混合支架體系的設(shè)計與施工[J]. 橋梁建設(shè)， 2003， 1（6）： 4850

[3]王新敏. ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M]. 北京： 人民交通出版社， 2007： 341365.

[4]邢靜忠， 王永崗， 陳曉霞. ANSYS分析實例與工程應(yīng)用[M]. 北京： 機械工業(yè)出版社， 2004： 85114.

[5]朱照清， 龔維明， 戴國亮. 大直徑鋼管樁水平承載力現(xiàn)場試驗研究[J]. 建筑科學(xué)， 2010， 26（9）： 3639.

[6]GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[7]舒興平， 鄒浩， 袁智深. 鋼框架風(fēng)荷載作用下側(cè)移限值研究綜述[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報， 2011， 32（12）： 7178.

[8]陳波， 李明， 楊慶山. 基于風(fēng)振特性的多目標(biāo)等效靜風(fēng)載荷分析方法[J]. 工程力學(xué)， 2012， 29（11）： 152157.

[9]馮東， 朱莎， 汪一駿. 建筑圍護結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷的計算與取值[J]. 北京交通大學(xué)學(xué)報， 2013， 37（4）： 119122.

[10]馮若強， 丁靜鵠， 李慶祥， 等. 單層折面空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷特性及等效靜風(fēng)荷載研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報， 2012， 33（1）： 5864.

摘要： 針對某鋼結(jié)構(gòu)橋梁主塔施工中的鋼管樁支架結(jié)構(gòu)，分別計算鋼管樁支架結(jié)構(gòu)在主塔某組合段鋼梁載荷、風(fēng)載荷及其共同作用下的von Mises應(yīng)力.根據(jù)計算結(jié)果分析風(fēng)載荷對結(jié)構(gòu)的影響，得出風(fēng)載荷影響最大von Mises應(yīng)力出現(xiàn)的位置；計算組合段鋼梁和風(fēng)載荷共同作用下鋼管樁支架結(jié)構(gòu)的屈曲臨界載荷.通過對其強度和穩(wěn)定性進行分析，提出鋼管樁支架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，指導(dǎo)橋梁主塔的安全施工.

關(guān)鍵詞： 鋼管樁； 風(fēng)載荷； 強度； 屈曲臨界載荷； 穩(wěn)定性； 有限元

中圖分類號： TU311.41文獻標(biāo)志碼： B

Abstract： As to a steel pipe pile support structure in the construction of a bridge main tower which is made of steel， the von Mises stress of the steel pipe pile support structure is calculated separately under the effect of a combination steel beam load or the wind load or the combined effect of the two kinds of load. According to the calculation results， the effect of wind load on the structure is analyzed and the location of the maximum von Mises stress under wind load is obtained； the buckling critical load of the steel pipe pile support structure is calculated under the combination steel beam load and wind load. The strength and stability are analyzed to propose the optimization scheme for the steel pipe pile support structure， which provides reference for the safe construction of the bridge main tower.

Key words： steel pipe pile； wind load； strength； buckling critical load； stability； finite element

鋼管樁支架結(jié)構(gòu)是確保橋梁施工的最重要的大型臨時工程結(jié)構(gòu)之一，其主要功能是為橋梁施工提供臨時支撐.[12]以某鋼結(jié)構(gòu)橋梁主塔施工中的鋼管樁支架結(jié)構(gòu)為例，該橋梁主塔高120 m，主塔鋼梁與地面呈72°傾角，主塔采用鋼結(jié)構(gòu).由于主塔鋼梁與地面呈72°傾角，所以鋼管樁支架結(jié)構(gòu)設(shè)計為臺階形式，見圖1.在鋼梁施工時，采用鋼管樁支架結(jié)構(gòu)進行鋼梁的支撐，鋼管樁規(guī)格為 600×10 mm.鋼管樁支架結(jié)構(gòu)總高度為103 m，順橋向長度為41.6 m，橫橋向?qū)挾葹?2.9 m.在高度方向每6 m處設(shè)置橫向聯(lián)結(jié)（頂部高度8 m，底部高度10.235 m）.橫向聯(lián)結(jié)采用 300×10 mm的鋼管.該鋼管樁支架結(jié)構(gòu)必須有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性，自重輕，施工和拆除方便，滿足施工載荷和風(fēng)載荷等載荷要求.為保證橋梁主塔安裝的施工安全，運用ANSYS對其主塔安裝使用的鋼管樁支架結(jié)構(gòu)承載性能進行分析.

4結(jié)束語

為保證橋梁主塔安裝的施工安全，鋼管樁支架結(jié)構(gòu)必須有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性.對于復(fù)雜的鋼管樁支架結(jié)構(gòu)，ANSYS具有一定的優(yōu)越性，可以運用其對節(jié)點進行編號完成建模和施加載荷.在劃分單元時可設(shè)定鋼管樁的尺寸，根據(jù)計算出的鋼管樁支架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移以及屈曲臨界載荷等數(shù)據(jù)對結(jié)構(gòu)的承載性能進行分析.分別計算鋼管樁支架結(jié)構(gòu)在65 t主塔組合段鋼梁載荷作用、風(fēng)載荷作用以及2種載荷共同作用下的von Mises應(yīng)力.對計算結(jié)果進行分析可得出鋼管樁支架結(jié)構(gòu)在主塔底部附近為危險區(qū)域，可對此處的鋼管樁進行加固.風(fēng)載荷影響最大von Mises應(yīng)力的位置，所以對于此鋼管樁支架，結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷是不能忽視的.對鋼管樁支架結(jié)構(gòu)在風(fēng)載荷和主塔組合段鋼梁載荷共同作用下的穩(wěn)定性進行計算分析，認(rèn)為主要由于底部失穩(wěn)導(dǎo)致鋼管樁支架結(jié)構(gòu)失去承載能力，所以底部應(yīng)該設(shè)置更密集的橫向聯(lián)結(jié)，以防止整體結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn).

參考文獻：

[1]周建權(quán). 鋼管樁支架法在新建天津海河大橋施工中的應(yīng)用[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計， 2012， （2）： 7880.

[2]劉學(xué)慶. 大跨連續(xù)槽形梁混合支架體系的設(shè)計與施工[J]. 橋梁建設(shè)， 2003， 1（6）： 4850

[3]王新敏. ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M]. 北京： 人民交通出版社， 2007： 341365.

[4]邢靜忠， 王永崗， 陳曉霞. ANSYS分析實例與工程應(yīng)用[M]. 北京： 機械工業(yè)出版社， 2004： 85114.

[5]朱照清， 龔維明， 戴國亮. 大直徑鋼管樁水平承載力現(xiàn)場試驗研究[J]. 建筑科學(xué)， 2010， 26（9）： 3639.

[6]GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[7]舒興平， 鄒浩， 袁智深. 鋼框架風(fēng)荷載作用下側(cè)移限值研究綜述[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報， 2011， 32（12）： 7178.

[8]陳波， 李明， 楊慶山. 基于風(fēng)振特性的多目標(biāo)等效靜風(fēng)載荷分析方法[J]. 工程力學(xué)， 2012， 29（11）： 152157.

[9]馮東， 朱莎， 汪一駿. 建筑圍護結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷的計算與取值[J]. 北京交通大學(xué)學(xué)報， 2013， 37（4）： 119122.

[10]馮若強， 丁靜鵠， 李慶祥， 等. 單層折面空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷特性及等效靜風(fēng)荷載研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報， 2012， 33（1）： 5864.

摘要： 針對某鋼結(jié)構(gòu)橋梁主塔施工中的鋼管樁支架結(jié)構(gòu)，分別計算鋼管樁支架結(jié)構(gòu)在主塔某組合段鋼梁載荷、風(fēng)載荷及其共同作用下的von Mises應(yīng)力.根據(jù)計算結(jié)果分析風(fēng)載荷對結(jié)構(gòu)的影響，得出風(fēng)載荷影響最大von Mises應(yīng)力出現(xiàn)的位置；計算組合段鋼梁和風(fēng)載荷共同作用下鋼管樁支架結(jié)構(gòu)的屈曲臨界載荷.通過對其強度和穩(wěn)定性進行分析，提出鋼管樁支架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，指導(dǎo)橋梁主塔的安全施工.

關(guān)鍵詞： 鋼管樁； 風(fēng)載荷； 強度； 屈曲臨界載荷； 穩(wěn)定性； 有限元

中圖分類號： TU311.41文獻標(biāo)志碼： B

Abstract： As to a steel pipe pile support structure in the construction of a bridge main tower which is made of steel， the von Mises stress of the steel pipe pile support structure is calculated separately under the effect of a combination steel beam load or the wind load or the combined effect of the two kinds of load. According to the calculation results， the effect of wind load on the structure is analyzed and the location of the maximum von Mises stress under wind load is obtained； the buckling critical load of the steel pipe pile support structure is calculated under the combination steel beam load and wind load. The strength and stability are analyzed to propose the optimization scheme for the steel pipe pile support structure， which provides reference for the safe construction of the bridge main tower.

Key words： steel pipe pile； wind load； strength； buckling critical load； stability； finite element

鋼管樁支架結(jié)構(gòu)是確保橋梁施工的最重要的大型臨時工程結(jié)構(gòu)之一，其主要功能是為橋梁施工提供臨時支撐.[12]以某鋼結(jié)構(gòu)橋梁主塔施工中的鋼管樁支架結(jié)構(gòu)為例，該橋梁主塔高120 m，主塔鋼梁與地面呈72°傾角，主塔采用鋼結(jié)構(gòu).由于主塔鋼梁與地面呈72°傾角，所以鋼管樁支架結(jié)構(gòu)設(shè)計為臺階形式，見圖1.在鋼梁施工時，采用鋼管樁支架結(jié)構(gòu)進行鋼梁的支撐，鋼管樁規(guī)格為 600×10 mm.鋼管樁支架結(jié)構(gòu)總高度為103 m，順橋向長度為41.6 m，橫橋向?qū)挾葹?2.9 m.在高度方向每6 m處設(shè)置橫向聯(lián)結(jié)（頂部高度8 m，底部高度10.235 m）.橫向聯(lián)結(jié)采用 300×10 mm的鋼管.該鋼管樁支架結(jié)構(gòu)必須有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性，自重輕，施工和拆除方便，滿足施工載荷和風(fēng)載荷等載荷要求.為保證橋梁主塔安裝的施工安全，運用ANSYS對其主塔安裝使用的鋼管樁支架結(jié)構(gòu)承載性能進行分析.

4結(jié)束語

為保證橋梁主塔安裝的施工安全，鋼管樁支架結(jié)構(gòu)必須有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性.對于復(fù)雜的鋼管樁支架結(jié)構(gòu)，ANSYS具有一定的優(yōu)越性，可以運用其對節(jié)點進行編號完成建模和施加載荷.在劃分單元時可設(shè)定鋼管樁的尺寸，根據(jù)計算出的鋼管樁支架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移以及屈曲臨界載荷等數(shù)據(jù)對結(jié)構(gòu)的承載性能進行分析.分別計算鋼管樁支架結(jié)構(gòu)在65 t主塔組合段鋼梁載荷作用、風(fēng)載荷作用以及2種載荷共同作用下的von Mises應(yīng)力.對計算結(jié)果進行分析可得出鋼管樁支架結(jié)構(gòu)在主塔底部附近為危險區(qū)域，可對此處的鋼管樁進行加固.風(fēng)載荷影響最大von Mises應(yīng)力的位置，所以對于此鋼管樁支架，結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷是不能忽視的.對鋼管樁支架結(jié)構(gòu)在風(fēng)載荷和主塔組合段鋼梁載荷共同作用下的穩(wěn)定性進行計算分析，認(rèn)為主要由于底部失穩(wěn)導(dǎo)致鋼管樁支架結(jié)構(gòu)失去承載能力，所以底部應(yīng)該設(shè)置更密集的橫向聯(lián)結(jié)，以防止整體結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn).

參考文獻：

[1]周建權(quán). 鋼管樁支架法在新建天津海河大橋施工中的應(yīng)用[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計， 2012， （2）： 7880.

[2]劉學(xué)慶. 大跨連續(xù)槽形梁混合支架體系的設(shè)計與施工[J]. 橋梁建設(shè)， 2003， 1（6）： 4850

[3]王新敏. ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M]. 北京： 人民交通出版社， 2007： 341365.

[4]邢靜忠， 王永崗， 陳曉霞. ANSYS分析實例與工程應(yīng)用[M]. 北京： 機械工業(yè)出版社， 2004： 85114.

[5]朱照清， 龔維明， 戴國亮. 大直徑鋼管樁水平承載力現(xiàn)場試驗研究[J]. 建筑科學(xué)， 2010， 26（9）： 3639.

[6]GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[7]舒興平， 鄒浩， 袁智深. 鋼框架風(fēng)荷載作用下側(cè)移限值研究綜述[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報， 2011， 32（12）： 7178.

[8]陳波， 李明， 楊慶山. 基于風(fēng)振特性的多目標(biāo)等效靜風(fēng)載荷分析方法[J]. 工程力學(xué)， 2012， 29（11）： 152157.

[9]馮東， 朱莎， 汪一駿. 建筑圍護結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷的計算與取值[J]. 北京交通大學(xué)學(xué)報， 2013， 37（4）： 119122.

[10]馮若強， 丁靜鵠， 李慶祥， 等. 單層折面空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷特性及等效靜風(fēng)荷載研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報， 2012， 33（1）： 5864.