談應(yīng)用SM solver 軟件進(jìn)行掛籃三角形鋼架結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

王粵丹

(上海浦東北蔡市政建筑有限公司，上海 201204)

上海市聞居路浦東運(yùn)河主橋?yàn)榭缭狡謻|運(yùn)河而設(shè)，采用三跨變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，孔跨布置為62 m+105 m+62 m。主橋1號(hào)～13號(hào)箱梁節(jié)段采用掛籃法循環(huán)進(jìn)行懸臂澆筑施工，懸澆箱梁節(jié)段長(zhǎng)度為3 m～4 m，自重最大的1號(hào)塊重量為1 908 kN。根據(jù)聞居路浦東運(yùn)河橋的特點(diǎn)，懸臂澆筑采用全鋼結(jié)構(gòu)三角形輕型掛籃進(jìn)行施工。掛籃的主承重架為三角形鋼架，鋼架采用熱軋型鋼通過焊縫連接組拼而成，結(jié)構(gòu)受力明確，自重輕，剛度大，滑行移動(dòng)方便。掛籃為主橋箱梁懸臂澆筑施工的主要設(shè)備，而三角形鋼架又是整套掛籃體系中最重要的承載結(jié)構(gòu)。如何驗(yàn)算和設(shè)計(jì)三角形鋼架，并確保掛籃的安全性和適用性是施工單位的工作重點(diǎn)。本工程施工過程中，應(yīng)用SM solver 2.0軟件進(jìn)行掛籃三角鋼架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)算，設(shè)計(jì)計(jì)算過程中形成的技術(shù)數(shù)據(jù)和圖紙成為掛籃制作、安裝以及后續(xù)主橋變截面箱梁懸臂澆筑施工的重要依據(jù)。

圖1 聞居路浦東運(yùn)河橋主跨結(jié)構(gòu)示意圖（單位：cm）

1 聞居路浦東運(yùn)河橋主跨結(jié)構(gòu)形式

聞居路浦東運(yùn)河橋主跨結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

2 三角掛籃作業(yè)工況及組成部件說明

以三角掛籃安裝完成并組織進(jìn)行1號(hào)塊懸澆施工時(shí)的工況為例，說明本工程所使用的鋼結(jié)構(gòu)三角輕型掛籃作業(yè)工況以及掛籃各個(gè)組成部件的安裝情況(見圖2)，并按此工況時(shí)的最大荷載驗(yàn)算掛籃三角鋼架。

圖2 三角掛籃作業(yè)工況及組件安裝示意圖

3 掛籃三角鋼架型鋼選用及力學(xué)模型的建立

掛籃三角鋼架主要桿件型鋼表見表1。

表1 掛籃三角鋼架主要桿件型鋼表

掛籃三角鋼架受力分析表見表2。

表2 掛籃三角鋼架受力分析表

掛籃三角鋼架力學(xué)模型示意圖見圖3。

圖3 掛籃三角鋼架力學(xué)模型示意圖

由于掛籃三角鋼架的桿件之間采用焊縫連接，因此桿件節(jié)點(diǎn)處設(shè)置為剛接。

4 在SM solver 2.0軟件中輸入相關(guān)數(shù)據(jù)

點(diǎn)擊軟件工具條或者命令菜單中的“節(jié)點(diǎn)”“桿件單元”“位移約束”“荷載條件”及“材料性質(zhì)”命令組，在軟件中構(gòu)建與掛籃三角鋼架力學(xué)模型相同的二維桁架并輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)(見圖4)。

圖4 輸入界面

圖5 三角鋼架位移、內(nèi)力計(jì)算結(jié)果瀏覽框

圖6 掛籃三角鋼架彎矩和支座反力分布圖

5 運(yùn)用SM solver 2.0軟件進(jìn)行掛籃三角鋼架結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

1)依次點(diǎn)擊軟件菜單分級(jí)命令“求解”→“位移內(nèi)力”，軟件自動(dòng)生成計(jì)算結(jié)果瀏覽(見圖5)。2)軟件自動(dòng)生成計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)列表(見表3)。3)軟件生成三角鋼架桿件的內(nèi)力和位移分布圖，例如彎矩和支座反力分布情況見圖6。

表3 軟件計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)表

6 根據(jù)SM solver 2.0軟件計(jì)算結(jié)果對(duì)三角鋼架的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性進(jìn)行分析

1)分析掛籃三角鋼架桿件的材料剛度和強(qiáng)度:以底部雙拼Ⅰ56b工字鋼縱梁為例，查閱表3，底縱梁最大彎矩出現(xiàn)在C節(jié)點(diǎn)位置，為負(fù)彎矩，MC=－361 657.0 N·m。雙拼Ⅰ56b工字鋼截面抵抗矩WX=2×2 446.5 cm3，掛籃型鋼(A3鋼)彎曲容許應(yīng)力［σW］=145 MPa，計(jì)算得到底縱梁型鋼彎曲應(yīng)力σW=MC/WX=73.9 MPa＜［σW］，材料強(qiáng)度符合規(guī)范要求。查閱表3，底縱梁最大撓度出現(xiàn)在G節(jié)點(diǎn)位置(掛籃前方末端)，fmax=－0.019 3 m。參照?qǐng)D3，DG段長(zhǎng)度L=5.172 m，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范·附錄A》懸臂梁撓跨比v=fmax/2L=1/536＜［v］=1/400，材料剛度符合規(guī)范要求。2)分析掛籃三角鋼架桿件的抗壓穩(wěn)定性:以承受軸向壓力最大的雙拼［36b槽鋼立柱為例，根據(jù)軟件計(jì)算結(jié)果，立柱承受軸向壓力N3=－1 225 051 N，立柱的組合截面性質(zhì)如下(暫不考慮加強(qiáng)綴板):a.面積 A=13 618.1 mm2;b.周長(zhǎng) S=2 114.4 mm;c.強(qiáng)軸 X軸慣性矩 IX=253 033 822.0 mm4;d.強(qiáng)軸 X軸旋轉(zhuǎn)半徑 RX=136.3 mm。立柱有效高度H=3 464 mm，長(zhǎng)細(xì)比 λ=H/R=25.4，查閱《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范·附錄C》，得到軸心受壓立柱穩(wěn)定系數(shù)φ=0.934。立柱承受最大壓應(yīng)力 σC=N3/(φ·A)=96.3 MPa。掛籃型鋼(A3鋼)抗壓容許應(yīng)力［σC］=140 MPa，σC＜［σC］，立柱穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。3)掛籃三角鋼架其他桿件或者整個(gè)掛籃工作系統(tǒng)的其他鋼結(jié)構(gòu)組件的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性也都可以采用表3中數(shù)據(jù)，運(yùn)用基本的結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)公式進(jìn)行驗(yàn)算。

7 結(jié)語(yǔ)

結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器SM solver 2.0是一個(gè)面向工程技術(shù)人員的計(jì)算機(jī)輔助分析計(jì)算軟件，其求解內(nèi)容包括了二維平面結(jié)構(gòu)(體系)的幾何組成、靜定、超靜定、位移、內(nèi)力、影響線、自由振動(dòng)、彈性穩(wěn)定、極限荷載等經(jīng)典結(jié)構(gòu)力學(xué)所涉及的一系列問題。本工程運(yùn)用該款軟件對(duì)掛籃三角鋼架的材料性能和施工安全性進(jìn)行驗(yàn)算，并依據(jù)驗(yàn)算結(jié)果完善掛籃的設(shè)計(jì)，最終制作出廠的鋼結(jié)構(gòu)三角輕型掛籃在本工程施工過程中使用效果良好，聞居路浦東運(yùn)河主橋成橋質(zhì)量也達(dá)到了業(yè)主的預(yù)期要求。

［1］GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］GB 50205—2001，鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范［S］.

［3］周水興，何兆益.路橋施工計(jì)算手冊(cè)［M］.北京:人民交通出版社，2001.