現(xiàn)澆箱梁貝雷支架的模擬計(jì)算及分析

汪楠

【摘要】 本工程位于某客運(yùn)專線，為某特大橋32.01m雙線簡支梁橋下貝雷支架。本次對(duì)現(xiàn)澆梁段施工支架進(jìn)行模擬計(jì)算。高鐵簡支梁自重大，縱向及橫向跨度大，故對(duì)此部位支架進(jìn)行承載能力的檢算。采用大型有限元軟件MIDAS進(jìn)行建模計(jì)算。本文驗(yàn)證了現(xiàn)澆施工采用貝雷支架承載的可靠性。對(duì)其他貝雷支架現(xiàn)澆梁施工計(jì)算起到參考意義。

【關(guān)鍵詞】 貝雷支架，MIDAS，承載能力，現(xiàn)澆梁

1.概況

該簡支梁為預(yù)應(yīng)力單箱室結(jié)構(gòu)，全梁長32.01m，頂板寬度12.6m， 腹板厚0.45m～1.05m左， 底板寬度5.5m。粱底距下方自然地面約12m。目前，國內(nèi)外現(xiàn)澆梁貝雷支架很多采用ANSYS軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬，本次分析采用有限元軟件MIDAS進(jìn)行建模計(jì)算。

2.支架設(shè)計(jì)的基本要求

在施工中貝雷架作為承重支架時(shí)所受的荷載主要包括：結(jié)構(gòu)物自重、模板支架自重等恒載和施工活荷載。施工活荷載主要包括施工設(shè)備、人員、機(jī)具等荷載、傾倒混凝土沖擊荷載、振搗混凝土荷載等。在進(jìn)行橋梁現(xiàn)澆支架拼裝之前，必須制定好現(xiàn)澆支架的設(shè)計(jì)方案，橋梁現(xiàn)澆支架設(shè)計(jì)內(nèi)容應(yīng)包括模板體系、支架體系、地基及基礎(chǔ)等方面，在支架設(shè)計(jì)方面應(yīng)滿足以下要求：

（1）支架構(gòu)件間結(jié)合應(yīng)緊密，并要有足夠連接桿系，使支架成為穩(wěn)定整體，在各種不利工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠整體穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)受力和使用性能上要求必須有足夠的強(qiáng)度和剛度，確保支架在空間上為幾何不變體系；

（2）支架承受后將有變形和撓度，在拼裝前應(yīng)進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，支架變形應(yīng)小于其容許值，同時(shí)設(shè)置合理的預(yù)拱度，使結(jié)構(gòu)的外形尺寸和高程符合設(shè)計(jì)要求，其中支架的預(yù)拱度計(jì)算包括梁自重產(chǎn)生的撓度、支架受載后產(chǎn)生的彈性變形及非彈性變形、支架基礎(chǔ)的沉降量等；

（3）支架地基基礎(chǔ)應(yīng)根據(jù)荷載、地基承載力進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算，應(yīng)根據(jù)荷載、孔跨布置選擇擴(kuò)大基礎(chǔ)、鉆孔樁基礎(chǔ)或其他可靠基礎(chǔ)形式。

3.計(jì)算方法及模型建立

利用MIDAS/Civil 2013軟件，建立支架系統(tǒng)的三維有限元模型，計(jì)算時(shí)宜采用以概率論為基礎(chǔ)的按極限狀態(tài)法計(jì)算，構(gòu)件設(shè)計(jì)強(qiáng)度按國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)取值。貝雷支架計(jì)算的基本順序如下：制定基本方案；繪制CAD結(jié)構(gòu)圖；考慮結(jié)構(gòu)、荷載和邊界條件，建立模型并進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性計(jì)算，取最不利構(gòu)件進(jìn)行重點(diǎn)驗(yàn)算；根據(jù)計(jì)算結(jié)構(gòu)進(jìn)行支架體系、地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)并繪圖。

該支架系統(tǒng)由?63鋼管支柱、I45b支承橫梁、貝雷支架、I20b工字鋼橫梁（間距75cm） 、I12.6工字鋼縱梁（間距30cm）及1cm鋼板組成。貝雷支架承重支架由I8水平桿和斜桿組成，I45b支承橫梁位于其下方，其材質(zhì)均為Q345。工字鋼橫梁、工字鋼縱梁及總量上方所鋪鋼板，材質(zhì)為Q235。

主要荷載計(jì)算結(jié)果（單位： ）

單側(cè)翼板 腹板 頂?shù)装?一般段箱梁 梁端箱梁內(nèi)

一般段梁截面 9.82 83.97 17.24

端部梁截面 9.82 99.03 38.34

碗扣式腳手架 1.78 2.16 1.45

其余模板荷載、砼施工傾倒荷載、砼施工振搗、施工機(jī)具人員荷載均按規(guī)范相應(yīng)取值。

荷載組合按概率極限承載力計(jì)算，即Sd（rgG；rqΣQ）=1.2SG+1.4SQ 。式中SQ：基本可變荷載產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng) ， SG：永久荷載中結(jié)構(gòu)重力產(chǎn)生的效應(yīng) ， Sd：荷載效應(yīng)函數(shù)。

在順橋向，貝雷架作為承重支架時(shí)，自身有多種組合形式以滿足各種工況需要，最常見的就是單層非加強(qiáng)型貝雷架，貝雷架之間直接用銷軸連接即可。當(dāng)貝雷架所受彎矩較大或變形較大時(shí)，可在貝雷架的上下弦桿外側(cè)安裝加強(qiáng)弦桿，形成所謂的單層加強(qiáng)型貝雷架；當(dāng)上述組合仍不能滿足要求時(shí)可采用雙層非加強(qiáng)型貝雷架、雙層加強(qiáng)型貝雷架。增加弦桿和雙層布置只是增加了貝雷支架的剛度和抗彎能力，并未改變其抗剪能力。采用上述方式貝雷架可滿足多種跨度布置的需要。如果所跨結(jié)構(gòu)物較寬，可根據(jù)實(shí)際情況采用多跨布置。

作為承重支架使用時(shí)，貝雷架在橫橋向一般采用定制的連接片將橫向的兩片貝雷架連接成整體，以確保其橫向穩(wěn)定性，但這種方法具有較大的弊端：貝雷架采用兩片一組、片與片間距90 cm 的布置模式.對(duì)于高度較大、寬度較大的箱梁腹板區(qū)域，貝雷架往往因所受荷載過大而滿足不了受力要求；而對(duì)于寬度較大、厚度較薄的箱室部分和翼板部分，貝雷架往往所受荷載較小、不能充分發(fā)揮其承載能力而造成材料浪費(fèi)。因此，確定貝雷架的橫向間距和布置排數(shù)應(yīng)根據(jù)各部分的荷載大小，通過與容許剪力和容許彎矩的對(duì)比計(jì)算確定。

根據(jù)上述荷載估算及布置方式，貝雷支架初步排布如下：單側(cè)翼板：雙排單層三組；單側(cè)腹板：三排單層一組；頂?shù)装澹弘p排單層二組。

貝雷架、I45b支承橫梁、鋼管支柱及縱橫梁模擬為梁單元，箱梁下鋪設(shè)鋼板模擬為板單元，共劃分6474個(gè)節(jié)點(diǎn)，1040個(gè)單元。

貝雷架采用6+9+7.5+6m，全長共28.5m。6+9m貝雷梁與7.5+6m貝雷梁在3號(hào)鋼柱墩處為斷開式搭接布設(shè)。支架各構(gòu)件均采用梁單元模擬，鋼板采用板單元模擬，支架鋼管支墩根部固結(jié)，其余構(gòu)件連接采用彈性連接。根據(jù)結(jié)構(gòu)情況，經(jīng)對(duì)比7.5+6m模型應(yīng)力小于6+9m模型應(yīng)力，故采用6+9m模型進(jìn)行分析。

模型如圖1：

圖1 現(xiàn)澆支架有限元模型

4.數(shù)據(jù)提取及計(jì)算分析

MIDAS計(jì)算結(jié)果及結(jié)構(gòu)分析：

4.1鋼管支墩最大應(yīng)力為72.7Mpa<[σ]=310Mpa，滿足要求。

4.2 I45b墩頂橫梁最大應(yīng)力為90.1Mpa<[σ]=310Mpa，滿足要求。

4.3 貝雷梁上下弦桿最大應(yīng)力為247.5Mpa<[σ]=310Mpa，滿足要求。

4.4 貝雷梁豎桿應(yīng)力（最不利構(gòu)件位置）如圖2

圖2 豎桿應(yīng)力圖

貝雷梁豎桿最大應(yīng)力為256.4Mpa<[σ]=310Mpa，滿足要求。

4.5 I 20b工字鋼橫梁應(yīng)力最大為93.7Mpa<[σ]=215Mpa，滿足要求。

4.6 I12.6工字鋼縱梁應(yīng)力最大為79.8Mpa<[σ]=215Mpa，滿足要求。

4.7 1cm鋼板應(yīng)力鋼板應(yīng)力最大為25.4Mpa<[σ]=215Mpa，滿足要求。

4.8支架位移驗(yàn)算

位移最大為9.312mm

4.9鋼柱穩(wěn)定驗(yàn)算

對(duì)于本支架計(jì)算僅驗(yàn)算立柱的受壓穩(wěn)定性（整體），其他均不需要驗(yàn)算。已知立柱采用φ63cm*10mm鋼管；軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)φ=0.872。經(jīng)驗(yàn)算， 穩(wěn)定性符合要求。

4.10鋼柱下樁基設(shè)計(jì)

根據(jù)《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》TB10002.5-2005第6.2.2-2條。本支架基礎(chǔ)采用鉆孔樁，樁長12m，設(shè)計(jì)樁徑1m。樁身截面周長：U=3.3m；樁底支撐力折減系數(shù)：m0=0.6；樁底支撐面積：A=0.785m2；樁底地基土的容許承載力：當(dāng) 時(shí)， kPa。

根據(jù)各土層的極限摩阻力及土層厚度計(jì)算：

樁的容許承載力： =1494.4kN，樁自重=259.8kN，由MIDAS模型提取柱底反力=1076.4kN， kN，滿足要求。

綜上所述，該貝雷支架安全性滿足使用要求。

結(jié)語：

本文根據(jù)對(duì)橋梁臨時(shí)工程計(jì)算與設(shè)計(jì)的研究成果，結(jié)合現(xiàn)澆箱梁貝雷支架設(shè)計(jì)的工程實(shí)例，對(duì)鐵路橋梁現(xiàn)澆支架設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了概述。本文采用極限狀態(tài)法計(jì)算，利用大型有限元通用軟件MIDAS進(jìn)行建模計(jì)算，提取具體結(jié)果值，驗(yàn)證了貝雷支架對(duì)現(xiàn)澆箱梁的承載能力是足夠的，施工是安全可行的。提供了一種現(xiàn)澆梁貝雷桁架施工承載能力檢算的方法，對(duì)其他貝雷桁架現(xiàn)澆梁施工計(jì)算具有參考意義。

貝雷梁支架是現(xiàn)澆箱梁施工中常用的一種支架型式，是較為經(jīng)濟(jì)安全的一種支架形式。近年在鐵路行業(yè)的規(guī)模應(yīng)用證明，采用本技術(shù)可實(shí)現(xiàn)技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用的橋梁建設(shè)目標(biāo)。

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