分離式立體交叉橋梁支架設(shè)計技術(shù)研究與應(yīng)用

文/索文明、王鵬

1 前言

我國高速公路建設(shè)不斷增加，為實現(xiàn)路線空間分離、解決平面內(nèi)交叉的沖突，分離式立體交叉橋梁被廣泛應(yīng)用于路網(wǎng)交匯處。在橋梁施工中，主體結(jié)構(gòu)受力情況復(fù)雜，設(shè)計者往往關(guān)注橋梁的受力狀態(tài)，進(jìn)而忽略了橋梁施工中的臨時結(jié)構(gòu)。支架作為臨時結(jié)構(gòu)的一種，常常不經(jīng)過設(shè)計驗算就用于施工現(xiàn)場，導(dǎo)致我國發(fā)生多起支架倒塌事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。因此，對支架進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計驗算是十分必要的。

本文以京哈高速改擴(kuò)建項目中的立體交叉橋為例，介紹了臨時支架的設(shè)計及架設(shè)方案，并利用有限元軟件Midas Civil 對臨時支架進(jìn)行強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性對比分析驗算，根據(jù)有限元結(jié)果給出了臨時支架的設(shè)計建議，以期為同類工程提供參考。

2 項目概況

京哈高速擴(kuò)建工程拉林河至哈爾濱A1 標(biāo)段，共有8 座主線下穿分離式立體交叉橋梁。橋梁上部結(jié)構(gòu)均采用三跨連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)形式，下部結(jié)構(gòu)采用柱式橋墩、肋板臺。橋面寬度為8.5～16.5m 不等，最大跨徑60m，單節(jié)最大重量94t。

鋼箱梁采用工廠化分段預(yù)制加工，加工前根據(jù)跨徑、重量和安裝現(xiàn)場條件，并通過起重設(shè)備能力確定鋼箱梁分段情況，同時對分段鋼箱梁進(jìn)行支架受力研究，確定臨時支架類型、方式；現(xiàn)場搭設(shè)臨時支架配合完成鋼箱梁吊裝拼接。鋼箱梁采用分幅安裝如圖1，首先搭設(shè)右幅臨時支架，鋼箱梁逐段焊接；其次搭設(shè)左幅臨時支架，逐段焊接，拼裝鋼箱梁；最后完成剩余鋼箱梁段焊接，拆除臨時支架。

圖1 鋼箱梁安裝示意圖

3 臨時支架設(shè)置

3.1 支架設(shè)計要求

支架在橋梁施工中承受梁體、人員及其他設(shè)施等重大荷載，因此在支架拼裝之前應(yīng)進(jìn)行臨時支架的設(shè)計。支架的設(shè)計必須滿足如下要求：

3.1.1 支架在受力過程中必須確保強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，構(gòu)件之間連接緊密，確保在拼裝后使支架成為幾何不變體系，且為確保安全支架內(nèi)需設(shè)置落梁結(jié)構(gòu)和設(shè)備,落架時應(yīng)對稱、均勻,避免使主梁局部受力超出要求。

3.1.2 支架在承受荷載時將會產(chǎn)生變形，因此在支架拼裝之前要進(jìn)行相應(yīng)的變形驗算，同時設(shè)置預(yù)拱度，從而使支架的高程滿足設(shè)計要求。

3.2 支架設(shè)計方案

臨時支架采用鋼管桁架結(jié)構(gòu)，分節(jié)形式制作，現(xiàn)場組裝。支架形式如下：支架立柱采用φ 325×8mm 鋼管，鋼管柱之間布置水平支撐和斜撐，并選用φ114×5mm 鋼管。為了確保支架整體的穩(wěn)定性，每組支架采用φ180×5mm 鋼管在支架頂部和底部橫向連接。鋼管立柱和連接系完成后，在每排立柱頂端布置I30a 雙拼工字鋼，其上安裝φ325×8mm 帽頂鋼管；支架底座采用3000×1400×400mm 鋼筋混凝土支墩，同時支架底部與支架底座四面對稱焊接，焊接長度不小于100mm[2]。

3.3 支架預(yù)壓

支架在搭設(shè)完畢后，應(yīng)開展預(yù)壓試驗，并通過預(yù)壓來掌握支架的整體性、基礎(chǔ)承載能力、彈性變形和非彈性變形規(guī)律。支架預(yù)壓方案選用堆載土袋進(jìn)行預(yù)壓，同時土袋布置的形式與箱梁保持一致；測點布置按照每跨五個斷面進(jìn)行設(shè)置；預(yù)壓時間為三天，卸壓后復(fù)測測點標(biāo)高，以便得出支架及地基的彈性變形量，預(yù)壓完成后根據(jù)結(jié)果調(diào)整支架標(biāo)高。

4 臨時支架結(jié)構(gòu)計算

4.1 模型的建立

支架根據(jù)分跨及分節(jié)重量采用Midas Civil進(jìn)行數(shù)值模擬，以鋼管立柱、工字鋼和Z 型連接系為體系組成空間模型。鋼管立柱底端為固結(jié)，鋼管立柱和分配梁采用彈性連接受壓單元。其中，雙拼工字鋼采用箱形截面。在CAD分圖層繪制出鋼管立柱和分配梁，生成dxf 文件導(dǎo)入Midas 中，并且賦予每個單元截面和材料屬性，最后形成臨時支架有限元模型。另外，結(jié)合安裝現(xiàn)場實際情況，支架初始模型初步分為單支架、雙支架和綜合支架。

4.2 計算荷載

作用在支架的荷載分為永久荷載和可變荷載，永久荷載應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)值為代表值，可變荷載采用標(biāo)準(zhǔn)值或組合值為代表值。強(qiáng)度按照承載極限狀態(tài)驗算，永久荷載分項系數(shù)選定1.3，可變荷載分項系數(shù)選定1.5。剛度計算按照正常使用極限狀態(tài)驗算，永久荷載分項系數(shù)為1。永久荷載：箱梁自重按照單節(jié)自重進(jìn)行取值；另外，根據(jù)方案在軟件中進(jìn)行建模，可直接獲取支架自重。可變荷載：施工人員、施工材料和機(jī)具荷載，按均布荷載計算取2.5kN/m2，風(fēng)荷載按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）取值。

4.3 計算結(jié)果分析

4.3.1 強(qiáng)度計算

通過Midas Civil 對支架進(jìn)行計算，由圖2 可知，計算結(jié)果如表1：

圖2 三類支架應(yīng)力計算圖

表1 三類支架應(yīng)力計算表

其中，受力最大雙支架應(yīng)力組合（Q235 材質(zhì)）σmax=171.06MPa＜σ=215MPa，支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足安全要求，應(yīng)力最大值位于分配梁與兩端鋼管立柱搭接位置。

4.3.2 剪力計算

由圖3 可知，計算結(jié)果如表2：

圖3 三類支架剪力計算圖

表2 三類支架剪力計算表

其中，受力最大雙支架的剪力組合（Q235材質(zhì)）σmax=52.62MPa＜σ=125MPa，支架結(jié)構(gòu)抗剪力滿足安全要求，剪力最大值位于分配梁與兩端鋼管立柱搭接位置。

4.3.3 變形計算

臨時支架由下到上變形逐漸增大，變形最大雙支架分配梁變形位移值v=5.28mm，l=6243mm，v/l=5.3/6243=1/1177＜1/600，變形滿足安全要求[3]。

4.3.4 穩(wěn)定性計算

為了計算支架的整體穩(wěn)定性，對計算模型進(jìn)行了屈曲分析。對荷載變量風(fēng)荷載和施工和人群荷載進(jìn)行臨界分析，模態(tài)數(shù)量為1。第一階屈曲模態(tài)為整體失穩(wěn)形式，單支架臨界荷載系數(shù)-286.3，雙支架臨界荷載系數(shù)28.4>4，綜合支架臨界荷載系數(shù)24.0>4。

4.3.5 偏載計算

支架施工過程中存在偏載，故針對偏載情況進(jìn)行屈曲分析。對臨時支架自重設(shè)定不變量梁載荷，偏載梁重設(shè)定為變量載荷進(jìn)行臨界分析，模態(tài)數(shù)量為3。第一階屈曲模態(tài)為整體失穩(wěn)形式，單支架臨界荷載系數(shù)-287.1，雙支架臨界荷載系數(shù)31.9>4，綜合支架臨界荷載系數(shù)33.4>4。

4.3.6 支架基礎(chǔ)面積復(fù)核

根據(jù)Midas Civil 可得單支架支座最大反力為240KN，雙支架支座最大反力為420KN，綜合支架支座最大反力為399KN。支架基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，尺寸為1400×3000×300mm。根據(jù)試驗所得地基承載力fk為300kN/m2，基礎(chǔ)底面積尺寸的確定A=F/fk=447.2×2/300=2.98m2＜實際基礎(chǔ)面積為1.4m×3m=4.2m2。

5 結(jié)語

本文以京哈高速擴(kuò)建工程項目中的立體交叉橋梁為例，對鋼箱梁支架的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下：

鋼箱梁安裝施工中所采用的臨時支架，可以選用鋼管立柱、工字鋼分配梁的形式。在鋼箱梁安裝、合攏等施工過程中臨時支架的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性均滿足要求。

在鋼箱梁安裝施工中，通過計算分析可知，分配梁與鋼管立柱搭接位置所受的應(yīng)力最大，建議加強(qiáng)鋼管立柱與分配梁的連接方式。

由于臨時支架存在偏載情況，通過屈曲分析可得中間鋼管立柱屈曲最為明顯，因此可以多增加側(cè)向鋼管連接、增大鋼管厚度來增強(qiáng)臨時支架的安全儲備，保證鋼箱梁吊裝的安全。