蓮花橋橋面板臨時支撐鋼架的穩定性分析

摘" 要：在橋梁施工過程中，臨時支撐體系的穩定性直接影響到橋梁結構的安全施工。該文依托浙江省杭州市蓮花橋工程，采用三維有限元分析軟件Midas，開展橋面板臨時支撐鋼架的穩定性研究，分析支撐體系的變形特征和應力分布規律，評價支撐體系的穩定性，對支撐基礎的承載力進行驗算，提出臨時支撐鋼架結構的設計原則。研究成果為工程的安全施工提供參考。

關鍵詞：支撐鋼架；變形特征；應力分布；穩定性；橋梁工程

中圖分類號：U445.57" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）04-0093-04

Abstract： In the process of bridge construction， the stability of temporary support system directly affects the safe construction of bridge structure. Relying on the Lianhua Bridge Project in Hangzhou City， Zhejiang Province， this paper uses the three-dimensional finite element analysis software Midas to study the stability of the steel frame temporarily supported on the bridge deck， analyzes the deformation characteristics and stress distribution law of the support system， evaluates the stability of the support system， checks the bearing capacity of the support foundation， and puts forward the design principle of the temporary support steel frame structure. The research results provide a reference for the safe construction of the project.

Keywords： braced steel frame; deformation characteristics; stress distribution; stability; bridge engineering

隨著我國橋梁事業的飛速發展，橋梁施工過程中的安全性越來越受到重視。臨時支撐鋼架體系由于其拼裝拆卸速度快、材料強度高等優勢，在橋梁施工中得到了廣泛應用。隨著支撐鋼架體跨度和高度的不斷增加，支撐體系的坍塌而造成的人身傷亡和財產損失時有發生，其穩定性問題日顯突出，成為亟需解決的難題。

不少學者在橋梁施工臨時支撐體系的安全性方面做了專門的研究，宋曉[1]以一個典型的橋梁支撐系統沖毀事故為例，分析了汛期施工橋梁支撐系統失效造成的原因，重新驗算分析了橋梁支撐系統的過水能力，提出了新的解決方案和應對措施。李博[2]針對大跨度鋼混組合梁橋施工過程中臨時支撐體系的安全，采用Midas和ANSYS有限元軟件分析了不同工況下支架及小箱梁受力情況，分析了支撐體系的傳力機理。田國昌[3]依托重慶市璧山區藕塘支路橋支撐平臺，采用Midas有限元數值分析軟件，研究了橋梁支撐平臺的力學性能，提出了最佳的配重方案。劉文龍等[4]基于壓桿穩定理論，運用Midas Civil軟件對重慶紅巖村立交橋支撐架進行了有限元分析，評價了支撐體系的整體穩定性。楊文錦等[5]以廣東中開高速逸仙路分離式立交橋蓋梁施工為例，建立了橋梁蓋梁施工鋼管柱加貝雷梁支撐體系的計算模型，對支撐體系的結構受力及穩定性進行驗算。林天堂[6]以德化縣盛鳳橋為例，分析了影響高大模板工程中支撐系統安全與穩定的因素，提出了方案設計、支架搭設和BIM技術在高模支撐體系中的應用，并對構造措施進行了設計分析。

本文依托浙江省杭州市蓮花橋工程，采用三維有限元分析軟件Midas，開展橋面板臨時支撐鋼架的穩定性研究，重點分析了支撐體系的變形特征和應力分布規律，評價了支撐體系的穩定性。

1" 工程概況

蓮花橋項目位于杭州富陽北部皇天畈流域內，是杭州富陽陽陂湖生態修復治理項目的專項工程，橋梁的跨徑布置為15 m+36 m，橋梁總寬5.0 m。橋梁上部結構為鋼桁架橋，由鋼管及箱型鋼梁構成主體桁架，上弦桿為Φ351 mm×16 mm鋼管，下弦桿為450 mm×600 mm箱型鋼梁，腹桿為Φ245 mm×14 mm鋼管，端橫梁為800 mm×6 200 mm×16 mm鋼箱。

蓮花橋的橋面板臨時支撐架采用四邊形鋼結構，整體平面尺寸為7 m×2 m，由2個2 m×2 m的格構支撐組合而成，節間高度2 m，最大搭設高度6 m，立桿及腹桿采用圓鋼管，立桿規格為P180 mm×12 mm，水平腹桿規格為P140 mm×10 mm，斜腹桿規格為P114 mm×8 mm，材質為Q235B；頂部采用HW250 mm×250 mm×9 mm×14 mm，材質均為Q235B。臨時支撐架的平面和立面布置圖如圖1和圖2所示。

2" 臨時支撐架結構的有限元計算

2.1" 計算模型

采用有限元軟件Midas gen2019進行計算，模型如圖3所示。其中立桿和頂部鋼梁采用梁單元模擬，立柱底端采用鉸接邊界條件。支撐架結構均為Q235B鋼材，計算時采用線彈性材料，彈性模量為210 GPa，允許應力為235 MPa。

2.2" 設計荷載

支撐架設計時，考慮的荷載有：①撐架自重D1，自重系數取1.3；②支承荷載標準值D2，為結構安裝、卸載過程中傳遞到支撐架頂部的最大豎向荷載，本次計算為結構物自重分布對支撐架的影響；③考慮豎向支承荷載偏心產生的附加彎矩作用，取e=Min（100 mm，D/20），其中D為支撐架邊長；④活荷載L，考慮支撐架頂部承擔的荷載，荷載系數取1.5；⑤風荷載W，取十年一遇基本風壓ω0=0.30 kN/m2，風壓高度變化系數μz按B類場地根據支撐架高度取值，風振系數取βz=1.5，體形系數μs=1.9，風荷載折算為線荷載施加在支撐架立桿上。⑥支撐架為臨時結構，結構重要性系數取0.9。

2.3" 支撐架結構的位移成果分析

支撐架結構在設計荷載作用下XY方向（水平方向）綜合變形和豎向變形如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可知，支撐體系的變形具有上部大、下部小，中間大、兩側小的分布特征。支撐架的XY方向最大變形為0.7 mm，主要發生在頂部鋼梁處，豎向的最大變形為0.19 mm，主要發生在頂部鋼梁跨中部位。支撐架結構主要變形以側向變形為主，但側向變形與豎向變形的值均較小，均小于1 mm，說明側向穩定性較好，也不需要對支撐架高度進行變形補償。

2.4" 支撐架結構的應力成果分析

支撐架結構在設計荷載作用下應力云圖如圖6所示。計算結果表明，支撐體系在各桿件連接處具有應力集中的現象，其中立桿的應力集中現象較為明顯，水平桿件和梁的應力較小。支撐架結構的最大拉應力為4.9 MPa，主要發生在上層水平桿件及斜撐部位，最大壓應力為14.5 MPa，主要發生在立桿部位。頂部和底部的梁結構基本處于無應力狀態。支撐體系的最大拉應力和壓應力遠小于Q235B鋼材的允許應力值235 MPa，支撐架桿件應力均滿足結構承載能力的要求。

2.5" 支撐架結構的失穩分析

采用結構設計分析軟件Midas Gen2019進行計算分析，荷載考慮結構自重（考慮節點荷載系數1.3）、豎向荷載及風荷載。取支撐體系的前9階自振頻率進行屈曲分析，恒荷載定義為常量，活荷載定義為變量。支撐架結構的失穩模態如圖7所示，可知支撐架結構的破壞模式為側向彎曲失穩破壞，但臨界荷載系數為130gt;4，滿足規范要求，結構不會發生失穩破壞。

2.6" 支撐架結構的基礎承載力驗算

為確保地基承載力及結構穩定性，在地基處理時，對土層直接承載的位置進行地基土換填處理壓實，并采用混凝土基礎，尺寸為8 m×3 m×0.5 m，級別為C25混凝土。

按照最不利工況，運用Midas Gen 2019進行柱腳支座反力如圖8所示。可知，柱腳支座反力合力G=666.6 kN（含基礎自重）。已知底板尺寸為8 000 mm×3 000 mm×500 mm，雙層雙向配筋Φ10@150，底板與地面接觸面積為24 m2。經計算，對土層直接承載位置的地基土進行換填處理并壓實后，地基應力為55.6 kPalt;80 kPa，滿足地基承載力要求；局部荷載設計值61.1 kN既小于基礎抗沖切承載力692 kN，又小于基礎局部承壓力397 kN，因此地基基礎滿足設計要求。

3" 臨時支撐架結構設計原則

為確保臨時支撐架結構的安全性，鋼結構安裝過程中臨時支撐的設計按如下原則確定。

傳遞荷載的有效性：在鋼構件形成整體結構能夠承受自身及外在荷載前，臨時支撐能夠有效地將構件自重和相關施工荷載傳遞至下部的安裝作業平臺，因此要求臨時支撐具有足夠的強度。

施工中結構變形的可控制性：為保證結構最終成型時與原設計誤差在可控制的范圍之內，需要合理地設置臨時支撐，使得安裝中結構構件能夠準確就位，并且構件自身變形和構件安裝應力在控制范圍之內。這要求在支撐設計中，合理確定支撐設置的部位，臨時支撐需具備足夠的剛度。

支撐體系的可靠性：為確保支撐體系的可靠性，在設計中除了按照鋼結構設計規范計算臨時支撐剛度、強度、穩定性外，還必須采取必要的措施確保支撐體系的可靠性。

支撐底部承臺的可靠性：臨時支撐底部將荷載傳遞至作為安裝作業平臺頂板，為保證承臺能夠有效受力，應確保不發生受力平臺的破壞，因此，在臨時支撐的底部應當有合理的構造措施使得下部應力擴散到足夠范圍。

支撐設置的經濟性：在滿足前面幾條原則并具有足夠的富余度的基礎上，還需要考慮到支撐設置的經濟性，盡量降低構造措施的鋼筋用量。

4" 結論與建議

依托浙江省杭州市蓮花橋工程，采用三維有限元分析軟件Midas，開展橋面板臨時支撐鋼架的穩定性研究，分析了支撐體系的變形特征和應力分布規律，評價了支撐體系的穩定性。主要研究成果和建議如下。

1）支撐體系的變形具有上部大、下部小、中間大、兩側小的分布特征。支撐架結構主要變形以側向變形為主，但側向變形與豎向變形的值均較小，均小于1 mm，說明側向穩定性較好，也不需要對支撐架高度進行變形補償。

2）支撐體系在各桿件連接處具有應力集中的現象，其中立桿的應力集中現象較為明顯，水平桿件和梁的應力較小。支撐體系的最大拉應力和壓應力遠小于Q235B鋼材的允許應力值，支撐架桿件應力均滿足結構承載能力的要求。

3）支撐架結構的破壞模式為側向彎曲失穩破壞，但臨界荷載系數較大，滿足規范要求，結構不會發生失穩破壞。

4）對地基土進行換填處理并壓實后，可滿足臨時支撐基礎承載力要求。

5）鋼結構安裝過程中臨時支撐的設計應遵循傳遞荷載的有效性、施工中結構變形的可控制性、支撐體系的可靠性、支撐底部承臺的可靠性、支撐設置的經濟性等原則。

參考文獻：

[1] 宋曉.橋梁支撐系統失效事故案例分析[J].廣東建材，2023，39（8）：109-111.

[2] 李博.大跨度鋼混組合梁橋上跨營運高速公路橋梁臨時支撐體系[J].廣東公路交通，2023，49（1）：23-27.

[3] 田國昌.基于midas的橋梁防屈曲耗能支撐吊裝平臺數值模擬研究[J].黑龍江交通科技，2023，46（7）：74-76.

[4] 劉文龍，楊立.橋梁施工臨時支撐結構穩定性分析[J].施工技術，2019，48（增）：1260-1262.

[5] 楊文錦，周彬彬.橋梁蓋梁框架形式支撐體系力學模型和計算方法分析[J].運輸經理世界，2022（10）：106-108.

[6] 林天堂.橋梁高大模板鋼管支撐體系技術研究[J].綠色環保建材，2020（5）：142-143.