基于有限元原理的連續梁橋鋼管樁支架驗算

(山東科技大學交通學院 山東 青島 266590)

基于有限元原理的連續梁橋鋼管樁支架驗算

陳曉煥鄭明保

(山東科技大學交通學院山東青島266590)

有限元原理是將求解域看成是由許多小互連子域組成，對每一單元假定一個合適的近似解，然后推導求解這個域總的滿足條件，得到問題的解。Midas Civil是通用的有限元分析軟件，針對于預應力混凝土橋、懸索橋等橋梁結構的設計、分析及后處理等方面有指導性意義。本文針對豉湖渠0塊支架利用Midas Civil，建立計算模型進行驗算分析以便于為現場提供準確、安全的施工方案。

有限元；連續梁橋；鋼管樁；Midas Civil

一、支架結構設計

豉湖渠特大橋采用懸臂法預應力混凝土連續箱梁，單箱單室結構，全長81.04米。0長度為9m，梁寬12.02m，主跨橋墩承臺截面形式為12.2×8.3m，0施工直接設在承臺上的梁式支架進行現澆施工。

鋼支撐結構豎向支撐采用直徑φ630mm，壁厚8mm螺旋焊管，共8根，分2排、每排4根，鋼管底部與承臺頂面預留的預埋鋼板焊接。鋼管內灌注C50砼并設置錨固鋼筋與0段梁體固結，鋼管兩側設置牛腿采用2根Ⅰ45b工字鋼，在牛腿上橫橋向各布置2根Ⅰ45b工字鋼，工字鋼上縱橋向懸臂段每側沿梁底方向布置14根Ⅰ40a的工字鋼，I40a工字鋼上橫向每側布置7根Ⅰ20a工字鋼。工字鋼上設[14槽鋼，槽鋼內設10*10cm方木，其上縱向布置10*10cm方木，間距20cm，方木上設15mm厚竹膠板作為底模。具體布置己尺寸見0塊支架設計圖。

圖1 支架結構設計圖

二、荷載及材料參數

(一)荷載取值

1.新澆筑混凝土自重為q1=26kN/m3(荷載代號①)；

2.模板自重(按150kg/m2考慮)q2=1.5kN/m2(荷載代號②)；

3.施工荷載人員、材料及施工機具荷載q3=2.5kN/m2(荷載代號③)；

4.振搗混凝土時產生的荷載，垂直面模板取q4=4.0kN/m2，水平面模板取q4=2.0kN/m2(荷載代號④)；

5.澆筑混凝土時產生的沖擊荷載，取均布荷載q5=2.0kN/m2(荷載代號⑤)[1]；

6.新澆筑混凝土對側面模板的壓力，根據《規程》要求計算(荷載代號⑥)。

(二)荷載組合

1.承載能力極限狀態下荷載組合

計算強度時,荷載設計值=1.2×(①+②)+1.4×(③+④+⑤)；計算側模板強度時，荷載設計值=1.4×(④+⑥)。

2.正常使用極限狀態下荷載組合

計算剛度時，荷載標準值=①+②；計算側模板剛度時，荷載標準值=⑥。

(三)材料參數

竹膠板：E=4.5×103MPa；fw=50Mpa；方木：E=9.0×103MPa；fw=13Mpa；Q235鋼:E=2.06×105MPa;fw=215Mpa。

三、支架驗算的有限元分析

(一)竹膠板面板驗算

面板采用15mm厚竹膠板，方木(10*10cm)間距0.2m，按三等跨連續梁進行驗算，取計算單元寬度為1mm，計算跨徑0.1m。采用荷載較大的墩邊斷面，按均布荷載進行計算。

圖2 截面特性值(單位：m)

慣性矩：I=bh3/12=1×153/12=281.25mm4；

截面抵抗矩：W=bh2/6=1×152/6=37.5mm3。

1.受力計算(均布荷載)

計算強度：q1=1.2×(26×3.87/0.8×0.001+1.5×0.001)+1.4×(2.5+2+2)×0.001=16.18×10-2KN/m

計算撓度：q2=26×3.87/0.8×0.001+1.5×0.001=12.73×10-2KN/m

(二)塊支架整體驗算

1.整體模型建立

采用有限元分析軟件Midas civil進行模型建立，用梁單元進行模擬。從I20a工字鋼以下建立整體計算模型，模型包括的構件從上向下依次為橫向工字鋼(I20a)、縱橋向工字鋼(I40a)、橫向工字鋼(2I45b)、牛腿(2I45b)、鋼管立柱(Φ630×8)及柱間[14支撐槽鋼。

經有限元驗算分析，0塊支架整體的應力及變形形狀結果如圖3、4所示:

圖3 正應力分析結果圖

圖4 變形分析結果圖

由上圖可知，0 塊整體支架的最大正應力為105.8MPa

2.鋼管樁結構穩定性計算

風荷載標準值按下式計算:

ωk=0.7μsμzω0=0.7×1.3×1×0.3=0.273

式中：

ωk—風荷載標準值(KN/m2)

μs—風荷載體型系數，桿件截面取1.3[2]。

μz—風壓高度變化系數，B類高度10m，取1.0。

ω0—基本風壓(KN/m2)，取0.3[2]。

可知結構穩定性滿足要求。

由荷載組合0.9×②+0.9×(③+⑦)知F=0.9×368.7+0.9×(2.5+0.273)=334.3KN

式中：N—計算軸向壓力；

Am—構件的毛截面積；

[σ]—Q235彎屈允許應力為145MPa。

其中鋼管柱打剪刀撐后的最大節段長度為220cm，h截面寬度為63cm。λ=L/h0=220/63=3.49，查表得1=0.9。

3.臨時支墩配筋計算

懸臂澆筑時最大不平衡彎矩和箱梁重量由臨時支墩和橋墩共同承擔，無拉力出現，為安全，增設抗彎鋼筋，設計支墩承受的彎矩21945KN.m。縱向鋼管柱之間的距離6.6m。Ft=21945/6.6=3324.7KN,一個鋼管柱承受拉應力F=3324.7/2=1662.3KN，計算時考慮混凝土不受拉，拉力由鋼筋承擔，采用φ25精軋螺紋鋼筋,σ為455MPa，抗拉鋼筋截面積As=1662.3KN/455MPa=3653mm2，1根φ25精軋鋼筋截面面積491mm2，則一個臨時支座最少鋼筋束數量n=3653/491≈8根,實際配筋為20根，滿足要求。

4.鋼筋錨固深度計算

鋼筋抗拉強度設計值為fy=455N/mm2,墩身混凝土用C50,軸心抗拉強度設計值ft=1.83N/mm2，即

現場實際埋深為2m，滿足要求。

四、結論

結構分析，研究結構力學性能,建立結構數值分析模型,利用假定外部環境,對數學模型作理論性實驗分析的總過程，需準確地表現結構特性及外部環境[4]。因此,結構分析必須了解實際結構材料特性,掌握結構剛度,選擇合理的有限計算單元,使計算結構模型、結果同實際相符合。針對豉湖渠0塊支架的設計，運用Midas/civil合理選取單元，準確模擬荷載、邊界條件等因素仿真分析。經分析驗算，本支架設計方案安全穩定，應力與變形均滿足要求，現場施工可采納。

[1]TB 10110-2011.鐵路混凝土梁支架現澆施工技術規程[S].

[2]GB 50009-2012.建筑結構荷載規范[S].

[3]周水興.路橋施工計算手冊[S].北京：人民交通出版社，2001.

[4]王磊,楊培誠,王佳.MIDAS/Civil在鋼管樁支架設計中的應用[J].交通科技，2010，(S1)：4-5.[2017-09-05].

陳曉煥(1994-)，女，漢族，山東省青島市黃島區，山東科技大學交通學院、碩士研究生、交通運輸工程專業。