現澆箱梁支架鋼管樁驗算方法的研究

楊洪濤

(貴州建工集團有限公司，貴州貴陽 550001)

0 引言

小彎河大橋，梁上部結構采用支架法整體澆筑施工，為確保施工安全在橋位橋墩頂面至地面標高超過25 m處設置鋼管樁臨時墩搭設梁式支架施工，其他部位擬采用滿堂支架施工。本工程采用鋼管樁的型號為外徑720 mm，壁厚10 mm，橫聯采用Ⅰ20工字鋼桁架，均為Q235鋼。支架工作時主要考慮3種荷載作用:

1)恒荷載:即結構自重;

2)活荷載:由于施工人群、設備及澆筑混凝土產生的荷載;

3)風荷載:風荷載的作用，根據JTG D60—2004公路橋涵設計通用規范4.3.7得到橫橋向風荷載標準值。鋼管樁取兩種荷載組合進行驗算，分別為:組合1:1.2×恒荷載+1.4×活恒載;組合2:1.2×恒荷載+1.1×風荷載。

1 模型建立

鋼管樁上恒載及活載值均由前述最不利16.5 m跨徑貝雷梁計算模型中讀取。

表1 主要材料容許應力參數(GB 50017—2003鋼結構設計規范)

在本結構驗算過程中，針對貝雷梁與型鋼材料已多次重復使用，在驗算中將表1各容許應力參數考慮0.8的材料安全系數。

鋼管柱及工字鋼組合縱向聯系驗算，采用有限元方法，使用Midas建立該梁的有限元模型。利用有限元方法可以計算出位移以及各桿件的內力、應力。

在建模時，鋼管柱標準節段之間采用螺栓固結，鋼管柱與工字鋼組合托梁之間采用螺栓固結，鋼管柱與桁架式水平聯系桿件以及與縱向工字鋼水平聯系桿件之間采用螺栓固結，鋼管柱與工字鋼斜撐桿件之間采用焊接固結，鋼管柱與基礎之間采用螺栓固結。

有限元圖形如圖1所示。

2 鋼管柱應力驗算

1)鋼管柱支點反力如圖2所示。

圖1 結構總體圖

圖2 鋼管柱支點反力圖

2)鋼管柱軸力見圖3。

根據比較知:在組合2作用下，鋼管軸應力更不利，最大軸拉應力為27.71 MPa;最大軸壓應力為82.00 MPa，小于考慮材料折減系數0.8后的容許應力172 MPa，滿足材料強度要求(見圖4)。

圖3 鋼管柱軸力圖

圖4 鋼管柱軸應力圖

3)組合應力見圖5。

根據比較知:在組合2作用下，鋼管受力更不利，最大壓應力為 113.56 MPa，最大拉應力為 91.75 MPa。

鋼管樁為細長桿件，按下式驗算:

式中:φ——折減系數，根據長細比λ查規范，λ=L/r，L為桿件相當長度，對兩端鉸接結構等于其計算長度，r為回轉半徑，r=，I為慣性矩，A為鋼管截面積;

σ——鋼管樁所受應力;

n——工作系數，取 1.1;

［σ］——鋼管樁容許應力。

鋼管樁容許應力［σ］=172 MPa;

計算最大應力σ=113.56 MPa。

相當長度L=8 m，慣性矩 I=1.405 792×109mm4，截面積A=2.230 531 ×104mm2，回轉半徑 r=251 mm，長細比 λ =31.87，查得折減系數φ=0.959。則有:

nσ =1.1 × 113.56=124.92 MPa≤φ［σ］=0.959 × 172=164.95 MPa。

故，滿足規范要求。

4)豎向位移見圖6。

圖5 鋼管柱組合應力圖

圖6 鋼管柱豎向位移圖

根據比較知:在組合2作用下，鋼管豎向位移更大，最大位移出現梁端柱頂，位移為1.56 cm。

5)橫向位移(見圖7)。

根據比較可以得知:在組合1作用下，支架橫向位移最大值為6.03 mm。

6)剪應力見圖8。

根據比較知:在組合2作用下，鋼管剪應力更不利，最大剪應力為41.17 MPa，小于考慮材料折減系數0.8后的容許剪應力100 MPa，滿足強度要求。

圖7 鋼管柱橫向位移圖

圖8 鋼管柱剪應力圖

管柱、連接桿件均能滿足抗剪強度。

7)法蘭盤螺栓驗算。

法蘭盤為20 mm厚的16Mn鋼板，外徑820 mm，內徑720 mm;螺栓孔為26 mm，螺栓直徑為25 mm，沿圓周平均布置8個孔;法蘭盤與720 mm鋼管外壁焊接，每兩個孔之間以5 cm三角板加強焊接。

管柱最大剪應力為4.06 MPa，驗算螺栓的剪應力、壓應力情況:

受剪:f1=Nσ/(nπr2)=(4 060 000 ×0.712×3.14×0.008)/(8 ×3.14 ×0.012 5 ×0.012 5)=18.51 MPa＜100 MPa。

受壓:f2=Nσ/(ndt)=(4 060 000×0.712×3.14×0.008)/(8 ×0.02 ×0.025)=18.15 MPa＜172 MPa。

螺栓滿足強度要求。

8)整體穩定性。

對45 m高鋼管樁在恒載組合2作用下進行整體穩定性驗算，取前5階屈曲模型(見表2)。

表2 各階屈曲模態特征值表

根據計算得各階模態臨界荷載系數，最小臨界荷載系數為8.97，大于 1.3，整體穩定性滿足要求(見圖 9)。

圖9 結構一階模態圖

3 結語

對上述支架通過采用Midas建立有限元模型進行計算過程分析，對所有材料考慮材料折減系數0.8后，所有桿件的抗彎強度、抗剪強度均能滿足現行規范要求。支架變形均小于L/400，桿件的局部穩定性和鋼管樁的整體穩定性滿足要求，鋼管樁基底承載力滿足要求。計算過程方便、簡捷，可為類似工程提供參考。

［1］JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.

［2］JTJ 025—86，公路橋涵鋼結構及木結構設計規范［S］.

［3］JTG D63—2007，公路橋涵地基與基礎設計規范［S］.

［4］JTJ 041—2000，公路橋涵施工技術規范［S］.

［5］GB/T 714—2000，橋梁用結構鋼［S］.

［6］周水興.路橋施工計算手冊［M］.北京:人民交通出版社，2001.