大型復雜臨時鋼結構的設計要點

王有剛

(遼寧華通公路工程監理有限公司 沈陽市 110166)

在設計橋梁施工中的大型臨時結構時，要綜合考慮安全性、技術經濟可行性。通過吉林省道大安至通遼公路嫩江大橋0#塊支架設計，闡述大型臨時鋼結構設計要點，即應用有限元分析軟件整體建模可得到精確結果；設計中應注重對壓彎構件的計算；設計貫徹強柱弱梁、強節點弱桿件原則。

1 工程介紹

本次研究選取吉林省嫩江大橋作為案例，該橋起點位于大安市大賚鄉老坎子，終點位于大慶市肇源縣民意鄉健民村，全長2268m，主橋為(70+2×120+70)m的預應力混凝土半剛構‐連續箱梁橋；主橋主墩采用雙薄壁式墩，主橋邊墩采用柱式墩。基礎采用鉆孔灌注樁基礎，樁頂均設置承臺與橋墩連接。

本橋共3個主墩，1#墩高13.02m，2#墩高17.21m，3#墩高16.54m，0#塊中心高度7.0m。支架一般采用滿堂支架、鋼管支架、墩身托架，因本工程橋墩較高，0#塊高度較大，根據經濟技術指標對方案粗略比選，本工程選用墩身托架作為0#塊支架。

2 支架結構

(1)墩兩側支架結構

在橋墩上預埋20mm厚鋼板，在鋼板上焊接雙拼I40工字鋼牛腿，在牛腿上安裝三角托架。三角托架上橫向搭設雙拼I25工字鋼橫梁，其上搭設I25工字鋼縱梁，然后鋪設箱梁底模。牛腿和三角托架均設置在箱梁腹板下方。

(2)墩間支架結構

在橋墩上預埋20mm厚鋼板，在預埋鋼板上焊接雙拼I56工字鋼牛腿，在牛腿上搭設橫向I60工字鋼橫梁，其上搭設工字鋼縱梁，然后鋪設箱梁底模。牛腿設置下箱梁腹板下方。

(3)支撐構件

在墩側面預埋20mm厚鋼板，在鋼板上焊接I25工字鋼托架，縱橋向搭設I25工字鋼縱梁，用于支撐側模板。

(4)托架制作

縱向托架用雙拼I25工字鋼焊接而成，墩側面托架用I25工字鋼焊接而成。具體托架半側面見圖1所示。

3 整體建模與分塊建模對計算結果的影響

本橋中0#塊支架既有梁構件，又有板構件，還有受拉、受壓、拉彎構件、壓彎構件。構件在簡單的受力狀態下，可以通過手動計算單元應力和內力。在0#塊施工中，由于梁高是變化的，腹板、頂板、底板厚度也是變化的，這種情況下，梁單元受力情況很難通過簡單的計算進行合理分配；同時，手動計算結構受力時都是從荷載位置向下逐步計算各構件應力和內力，其假設是下層構件不變形，而實際情況下層構件的變形會導致構件的受力重新分配。嫩江大橋0#塊支架見圖2所示。

嫩江大橋應用Midas/civil軟件，通過對結構整體建立模型，可以很好地解決單元受力分配問題；同時也能很好地解決構件變形對構件受力重新分配額的影響。筆者嘗試對結構分塊建模和整體建模，得出的結果是有較大差異，以側模板支撐縱梁為例，整體建模和分塊建模最大組合應力見表1所示。

圖1 托架半側面圖

圖2 嫩江大橋0#塊支架圖

表1 整體建模和分塊建模應力結果

通過表1可知，整體建模的最大組合應力為61.7MPa，分塊建模的最大組合應力為84MPa，兩種的計算結果相差26.5%。

4 壓彎構件穩定性驗算

受壓構件同時有彎矩作用，或偏心受壓的構件稱之為壓彎構件。受壓構件在失穩的情況下會造成整個結構崩潰，對受壓構件穩定性驗算是至關重要的。加強對受壓構件的驗算，體現了強柱弱梁的設計理念：梁破壞屬于構件破壞，是局部性的，柱子破壞將危及整個結構的安全，可能會整體倒塌，后果嚴重。0#塊支架壓彎構件包括三角托架豎桿和斜桿，利用軟件計算得出桿件軸力和彎矩，根據《鋼結構設計標準》GB50017-2017驗算構件穩定性，計算過程繁雜，在此不贅述。

彎矩作用下的受壓構件驗算包括平面內構件穩定性驗算和平面外穩定性驗算，其理論表達式為：

(1)彎矩作用平面內構件穩定性驗算

(1)

式中：N—所計算構件范圍內軸心壓力設計值；

φx—彎矩作用平面內軸心受壓構件穩定系數；

Mx—所計算構件段范圍內的最大彎矩設計值；

W1x—在彎矩作用平面內對模量較大受壓最大纖維的毛截面模量；

βmx—在彎矩作用平面內穩定時的等效彎矩系數；

A—構件截面面積；

γx—截面塑性發展系數。

(2)彎矩作用平面外構件穩定性驗算

(2)

式中：N—所計算構件范圍內軸心壓力設計值；

φy—彎矩作用平面外的軸心受壓構件穩定系數；

A—構件截面面積；

η—截面影響系數，閉口截面取0.7，其它截面取1.0；

Mx—所計算構件段范圍內的最大彎矩設計值；

φb—均勻彎曲的受彎構件整體穩定系數；

W1x—彎矩作用平面內最外受壓纖維的毛截面抵抗矩。

5 重要節點的設計

結構設計另一個重要理念是強節點弱桿件。節點失效意味著與之相連的梁與柱都失效。

5.1 預埋鋼板錨固筋計算

數量、規格、預埋深度。軟件計算出預埋鋼板節點彎矩、剪力，按照《混凝土結構設計規范》GB 50010-2010進行計算。

預埋錨固鋼筋應滿足構造要求：預埋錨筋至錨板邊緣的距離2d和20mm；預埋筋的位置應使錨筋位于外層主筋內側；錨筋應位于構件外層主筋內側；預埋件的受力錨筋直徑不宜小于8mm，且不宜大于20mm；直錨筋數量不宜小于4根，且不易多于4排；錨筋與錨板采用穿孔塞焊。

錨筋的總截面面積按下列兩個公式計算，并取其中的較大值：

(3)

(4)

式中：fy—錨筋的抗拉強度設計值；

V—剪力設計值；

N—法相拉力或法相壓力設計值；

M—彎矩設計值；

αr—錨筋層數的影響系數，當錨筋按等間距布置時，兩層取1.0，三層取0.9，四層取0.85；

αv—錨筋的受剪承載力系數；

αb—錨板的彎曲變形折減系數；

z—沿剪力作用方向最外層錨筋中心線之間的距離。

預埋件計算借助Excel編輯的小軟件輔助進行，效果較好，本次就是利用Excel編輯的小軟件進行計算，具體預埋件計算結果見圖3所示。

圖3 預埋件計算結果

5.2 焊縫計算

(5)

式中：σf—垂直于焊縫長度方向的應力；

τf—沿焊縫長度方向的剪應力；

βf—正面角焊縫強度設計值增大系數，對于承受靜力荷載和間接承受動力荷載的結構，βf=1.22，對于直接承受動力荷載的結構，βf=1.0。

6 結語

復雜橋梁施工中大型臨時結構對工程造價、安全生產影響深遠。經常發生的安全事故大多數與臨時結構相關，鋼棧橋垮塌、滿堂支架傾覆事件經常發生。應用先進的有限元分析軟件，可以大大提高計算精度，降低工程成本，保障安全。同時在大型復雜臨時鋼結構設計中，把握結構設計理念，分清主次，可以避免重大安全事故。