橋梁護欄對鋼管臨時支架的支撐保護作用探究

曾 準 （中鐵鐵建十六局集團第三工程有限公司，浙江 湖州 313000）

0 前言

隨著交通事業的蓬勃發展，特別是在原有構筑物上的擴建工程，鋼支墩多點平移法施工被廣泛應用于公路橋梁工程中，而鋼管支架在吊裝預制箱梁中應用廣泛。文獻[1]中提出結合鋼管支架的施工方法能夠有效解決跨線箱梁橋梁凈空較低的情況下施工難題，提升施工過程的安全性，有效縮短施工周期，帶來可觀的經濟效益，節約了成本。文獻[2]根據工程實踐以及驗算，認為鋼管立柱橫向穩定性難以滿足要求，需要增強橫向剛度，保證鋼管支架結構的平面外穩定。有限元計算有適用性強、輸出結果直觀明了等優點，因此采用有限元計算軟件對臨時支架進行驗算。

本文結合實際工程，對鋼管支架進行驗算、SAP2000建模、原有結構驗算等，探究既有橋梁結構對鋼管支架在橋梁施工中的有效作用。

1 項目概況

蘇州某高速公路工程在既有橋面上對箱梁進行吊裝時，采用鋼支墩多點平移法施工，在地面以及既有橋面布置平移平臺和臨時鋼管支架，并在其上布置滑道。平移安裝平臺及臨時支架的布置，布置示意圖如圖1所示。

圖1 平移安裝平臺及臨時支架布置示意圖

2 落地支架模型分析

本文對不考慮護欄作用與考慮護欄作用的鋼管支架分別進行分析，分析簡圖如圖2所示。

圖2 模型分析簡圖

2.1 模型參數

采用SAP2000軟件對支架進行有限元分析。落地支架總高度25m，寬度4.5m（圖中X軸方向），厚度3m（圖中Y軸方向），模型如圖 3（a）所示。

圖3 落地支架與橋面支架

頂部鋼梁采用H400×200×8×13的H型鋼，垂直支撐采用L63×6的角鋼，橫向、縱向水平桿用12號槽鋼，立桿用325×6圓鋼管。鋼材牌號均采用Q235。

工程采用碗扣式支架。碗扣節點承載能力強，固結牢固，因此各節點均按剛性節點考慮。

支架受豎向荷載W和考慮吊裝或拖移引起的水平荷載F作用。模擬時，考慮單側承受梁段荷載的同時承受水平力作用。水平力F按豎向荷載W的10%計算，W為單側鋼箱梁總重的50%，鋼箱梁總重取為100t，即單側豎向荷載W為500kN，水平荷載F為50kN。豎向荷載和水平荷載均按均布線荷載施加到頂端H型鋼梁上。采用線性荷載組合，支架自重系數取1.0，豎向荷載分項系數取1.0，水平荷載分項系數取1.5。

2.2 不考慮護欄時支架有限元運算結果

運行結果顯示，各構件應力均小于材料的屈服應力；支架A、B軸兩側框架最大軸力處均為底部桿件，底部節點豎向反力值見表1。表中負值表示受拉，正值表示受壓。

落地支架不考慮護欄時底部豎向反力（kN） 表1

模擬計算得到落地支架頂端最大位移為31.253mm，約為總高度的1/800。

2.3 考慮護欄時支架有限元運算結果

落地支架頂面與橋面的垂直距離為7.2m，故在距離支架頂部約7.2m處高度的節點施加水平約束，簡圖如圖2（b）所示。運行結果顯示，最大應力依舊遠小于材料屈服應力，底部豎向反力值見表2。

落地支架考慮護欄時底部豎向反力（kN） 表2

模擬計算得到落地支架頂端最大位移為6.672mm，約為總高度的1/3750。

2.4 優化對比

由柱狀圖可得，考慮護欄、設置水平支撐后，鋼管支架頂端最大位移降低了約78.65%；A軸底部軸力由受拉變為受壓，并且軸力大小降低約37.19%，B軸底部壓桿軸力降低約70%。

3 橋面支架模型分析

橋面支架的分析簡圖如圖6所示。

圖4 最大位移對比圖

圖5 底部反力對比圖

圖6 橋面支架的分析簡圖

橋面支架總高度7.2m，寬度4.5m（圖中X軸方向），厚度3m（圖中Y軸方向），模型如圖3（b）。模型參數與落地支架相同。

3.1 不考慮護欄時支架有限元運算結果

運行結果顯示，各構件應力均小于材料的屈服應力；支架A、B軸兩側框架最大軸力處均為底部桿件，底部節點豎向反力值見表3。表中負值表示受拉，正值表示受壓。

橋面支架不考慮護欄時底部豎向反力（kN） 表3

模擬計算得到橋面支架頂端最大位移為2.848mm，約為總高度的1/2530。

3.2 考慮護欄時支架有限元運算結果

由表3可得不考慮護欄時橋面支架底部最大拉力為34.65kN，立桿底部混凝土基礎重量只有約10kN，因此在以上荷載模式下，橋面支架有一定的傾覆危險。考慮護欄的支護作用，用100×12的圓管穿鋼棒穿過中央隔離護欄進行加固。考慮混凝土基礎失效的情況：去掉A軸底部支座，穿鋼棒視為梁單元，護欄位置增加鉸支座，B軸底部由固定支座轉換為鉸支座，分析簡圖如圖7（b）所示。

圖7 不同圓管穿鋼棒尺寸下最大位移對比圖

通過模擬計算得，模型最大位移為61.66mm，約為總高度的1/120。

3.3 優化對比

在一端基礎支座失效情況下，考慮護欄作用的模型，底部軸力、位移均增大。采用不同截面尺寸的穿鋼棒進行加固時，對底部軸力變化無太大影響，但結構位移變化顯著。從圖7中可看出，穿鋼棒剛度越大，對結構的約束效果越好。

橋面支架考慮護欄時底部豎向反力（kN） 表4

圖8 底部反力對比圖

4 原有結構驗算

橋梁護欄參與結構受力，因此需要對護欄進行強度驗算。邊護欄只需要進行抗彎承載力驗算，中間護欄根據受力情況可只進行抗沖切承載力驗算。設支護作用位置與護欄頂部距離為h，總高度為H。

4.1 邊護欄抗彎承載力驗算

圖9 邊護欄計算簡圖

偏保守計算，取邊護欄截面為單筋截面。護欄所受最大彎矩：

M=V×H

=38.38kN×1.1m=42.22kN·m

根據混凝土結構原理中的單筋截面設計公式：

計算得A，min=633.9mm＜A=2010mm，滿足抗彎承載力校核，其中γ取最小值0.74。

4.2 中護欄抗沖切承載力驗算

模擬計算出考慮護欄水平支撐作用的橋面支架，在護欄處豎向反力F大小為52.79kN。護欄采用C40混凝土，抗拉強度標準值f為2.39MPa。

護欄計算簡圖如圖10所示。

圖10 中護欄計算簡圖

參考混凝土結構設計規范中的不配置箍筋或彎起鋼筋的板的抗沖切公式，對抗沖切承載力計算公式進行簡化：

Af+Af＞F

其中 A，A為 45沖切面。解得h＞17.5mm。可見混凝土本身可以承受沖切反力，滿足抗沖切要求。

2Af=579kN＞F=52.79kN

故箍筋受拉強度亦滿足。

5 結論及建議

①本文通過對鋼管支架的三維有限元模擬分析，給出了4種分析模型的模擬結果，并校核了原有結構的強度。為今后高難度臨時支架的驗算提供了思路及計算模型。

②無側向支撐的落地支架，內力、位移均偏大，且由于基礎造價較高，提供的抗拔力有限，故存在傾覆危險。考慮原有護欄作水平支撐后，內力與位移明顯降低，支架底部失效模式受拉轉變為受壓，數值上降低了37.19%，受壓反力大小降低了70%。

③為不影響原有橋面，橋面支架基礎簡單擱置在橋面上，存在傾覆危險。一般來說，可通過增加配重或者加大基礎尺寸來滿足抗傾覆要求，但該做法不經濟，施工復雜，影響工期。本文通過計算認為，在原有橋梁中間護欄處設立支點可以解決傾覆問題，但是該體系位移略大，需要引起重視。同時，穿鋼棒需要有足夠大的剛度。

④在搭設立交橋臨時支架時，原有橋梁護欄有較高的可利用度，且臨時支架作用的反力對護欄本身影響甚微。考慮到混凝土護欄中鋼筋的布置，筆者建議將支點設立在距離護欄頂部150mm處，可保證安全。