基于Midas的橋梁頂推施工下臨時支架計算分析

摘" 要：在橋梁工程中，臨時墩具有減小頂推的標準跨徑，從而減小梁頂推過程交替變化的正、負彎矩的作用。目前，在橋梁的頂推施工領域對臨時墩的設計思路和計算方法的研究較少。該文根據某工程實例，基于有限元軟件Midas對臨時支架進行受力計算，并根據計算結果得出以下結論，該臨時支架頂部最大位移為12.27 mm，△u/h=1/1 222lt;1/550，支撐柱最大應力比為0.39，支撐短柱最大應力比為0.17，墊梁二最大應力比為0.33，墊梁三最大應力比為0.30；地基基礎中最大的計算配筋率為0.095 3%，各個方向均按構造配筋，各項計算指標均滿足規范要求。

關鍵詞：頂推施工；臨時支架；數值分析；工程實例；Midas

中圖分類號：U445 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）11-0081-04

Abstract： In bridge engineering， temporary piers can reduce the standard span of jacking， so as to reduce the alternating positive and negative moment in the process of beam jacking. At present， there is little research on the design ideas and calculation methods of temporary piers in the field of bridge jacking construction. In this paper， according to an engineering example， the force of the temporary support is calculated based on the finite element software Midas. According to the calculation results， the following conclusions are drawn： The maximum displacement at the top of the temporary support is 12.27 mm， △u/h=1/1222 lt; 1/550， the maximum stress ratio of the supporting column is 0.39， the maximum stress ratio of the short column is 0.17， the maximum stress ratio of the cushion beam two is 0.33， and the maximum stress ratio of the cushion beam three is 0.30. The maximum calculated reinforcement ratio in the foundation is 0.095 3%， all directions are reinforced according to the structure， and all calculation indexes meet the requirements of the code.

Keywords： jacking construction; temporary support; numerical analysis; engineering example; Midas

在橋梁的頂推施工過程中，臨時墩起到重要的承載作用，能夠有效保證橋梁在施工過程中的穩定性，確保施工的安全進行。隨著城市的發展，城市車輛的荷載，尤其是其中運輸車輛的荷載越來越大，城市對道路和橋梁的承載力要求也更高，在橋梁施工上表現為橋梁自重越來越大，施工工藝越來越復雜，施工荷載也越來越大，這就對臨時墩的設計提出了更高的要求，包括臨時墩的成型工藝、所受荷載計算、承載力驗算幾大方面。

白樺等[1]分析了連續鋼梁橋頂推施工方案的設計要點和頂推施工時的關鍵控制措施，但是其對臨時墩的設計研究較少，且沒有使用有限元軟件對臨時墩進行承載力和沉降計算。張鵬[2]研究了一種針對大跨度鋼混組合橋梁跨中無臨時墩步履式頂推施工方案，使用有限元軟件詳細分析了臨時支架的受力情況，但是其文章研究的重心依然在橋梁設計上，未對臨時墩的設計形成理論方法。何明輝等[3]通過一工程實例，從施工的層面詳細闡述了臨時墩在橋梁施工中的作用和施工工藝，但是其研究內容主要為施工方面，未涉及相應的計算問題。劉玲晶等[4]從方案設計上提及了臨時墩的設計要求，同時計算了臨時墩的墩頂支反力等重要內容。周浩等[5]通過建立數學模型，以構造評價函數得到的結果提出了確定最優臨時墩位置的一種方法。目前已經發表的文章也研究了不同工況下，考慮環境因素條件下的臨時墩設計方法[6-8]。

目前，在橋梁的頂推施工領域，更受關注的是橋梁本身和導梁的設計，對臨時墩的設計思路和計算方法的研究較少，大部分研究往往只涉及臨時墩設計的部分內容，而沒有形成完整的理論體系。本文通過某工程實例，通過有限元軟件Midas對臨時支架進行計算，計算內容包括了桿件內力、整體指標、獨立基礎和預埋件4個部分。本文通過該工程實例和有限元軟件的計算結果，提出了一套完整的臨時墩設計和計算的方法。

1" 鋼結構安裝工程概況和特點

某工程上部結構為：小里程左幅48 m+60 m+48 m、小里程右幅55 m+60 m+46 m，大里程左幅30 m+30 m+50 m+40 m、大里程右幅30 m+33 m+50 m+35 m連續鋼箱梁。主梁為單箱四室鋼箱梁，橋梁中心線與橋墩中心線的夾角為90°。按照結構布置特點及拼裝、滑移施工工藝的要求，鋼箱梁利用“液壓同步頂推”技術采取“累積滑移”的施工工藝進行安裝。滑移施工前，在預設位置橋臺搭設拼裝滑移支架，在拼裝位置設置6排12組步履頂推器；每組臨時支墩上在需要滑移時設置1組步履式液壓頂推器，總共12臺XY-BL-500型頂推器。

鋼箱梁頂推采用步履式多點頂推法施工，在頂推支架上設置步履式頂推設備和墊梁。鋼箱梁通過步履頂推器頂推至設計位置。鋼箱梁頂推到位后，利用步履頂推器將鋼箱梁整體卸載落位至支座上，完成鋼梁的頂推滑移施工作業。

頂推過程中橋體的承載體系始終由臨時墩承擔。當液壓千斤頂頂起結構時千斤頂承載，千斤頂將力傳遞給臨時墩；當千斤頂縮回時，由臨時墩前端墊梁托住鋼箱梁，通過墊梁將荷載傳遞給臨時墩。在整個施工過程中，臨時墩起著重要的承載作用，合理地設置臨時支墩對確保施工過程的安全性具有重要意義。

2" 臨時支架設計

該工程共需要設置3種不同的臨時支架，其設計思路和計算過程相似，故本文只取其中承受荷載較大，結構形式較為復雜的臨時支架一進行分析。

臨時支架一平面尺寸為3 m×10 m，豎向支撐間距為2.5 m。單組臨時支撐主肢為18根Φ609 mm×16 mm的圓管，材質為Q235。綴條為Φ159 mm×6 mm的圓管，材質為Q235。墊梁一采用580 mm×166 mm×14 mm×20 mm的二拼56b型鋼，材質為Q355。墊梁二采用600 mm×300 mm×25 mm×25 mm的三拼H型鋼，材質為Q355。墊梁三采用280 mm×166 mm×14 mm×20 mm三拼56b工字鋼，材質為Q235。支撐短柱采用800 mm×800 mm×25 mm×25 mm的方管截面，材質為Q355。

頂推過程中臨時支架一受到最大荷載的工況在鋼箱梁頂推過程中第三步：導梁前端將要接觸到臨時墩時，此時頂推段長度為119.4 m、重量為1 671.6 t，導梁重84 t。

3" 臨時支架模型建立和計算

3.1" 模型建立

根據結構布置和所受荷載的不同，模型建立時共分為3個標準層，分別為標準層一、標準層二、標準層三，高度均為2.5 m。臨時支架樓層組裝依次為標準層一→標準層二→標準層一→標準層二→標準層一→標準層三，每層層高為2.5 m，臨時結構總高為2.5 m×6=15 m。臨時支架一示意圖如圖1所示。

建立模型并輸出各個支架的豎向力，采用Midas FEA建立有限元模型，將模型進行網格劃分，根據試算，網格單元尺寸小于100 mm后模型的應力分布情況基本不再隨網格尺寸變化，故設置網格單元為100 mm×100 mm。FEA有限元模型如圖2所示。此時鋼箱梁對支架豎向力為1 986.0，1 796.5，2 631.0，4 267.1，7 373.1 kN。總反力為1 805.1 tgt;1 755.6 t，反力無誤。

3.2" 桿件內力分析

根據有限元軟件的計算結果，該支撐柱最大應力比為0.39，支撐短柱最大應力比為0.17，墊梁二最大應力比為0.33，墊梁三最大應力比為0.30。除了分析各桿件內力，還需要對結構整體穩定進行驗算，通過對該臨時支撐架進行屈曲分析，在現有的荷載作用下放大129.3倍后，該支撐架才會發生整體失穩，故該結構的整體穩定性指標符合規范要求。根據 JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構技術規程》3.7.3條的規定，對于框架結構，樓層層間最大位移與層高之比的限值為1/550，該臨時支架頂部最大位移為12.27 mm，△u/h=1/1 222lt;1/550，層間位移角滿足要求，支架桿位移情況如圖3所示。

3.3" 立柱強度補充驗算

立柱所用鋼材鋼號為Q235，鋼材拉壓彎強度設計值f=215.00 MPa，根據有限元軟件計算結果可知立柱受力較大，故根據規范要求對立柱受力進行驗算，下面給出立柱的驗算結果。

1）強度驗算。根據GB 50017—2017《鋼結構設計標準》8.1.1條可知圓形截面塑性發展系數取值為γm=1.15，在考慮部分塑性的情況下，計算得σmax=118.31 N/mm2lt;215 N/mm2，符合要求。

2）平面內穩定性驗算。

式中：N為軸力設計值，取N=2 384.27 kN；φ為軸心受壓構件穩定系數，根據GB 50017—2017中7.2.1及附錄D取φ=0.73；A為截面面積，A=29 807.43 mm2；M為彎矩設計值，取M=89.96 kN/m3；β為等效彎矩系數，根據GB50017—2017中8.2.1取β=0.80；W為截面慣性矩，W=4 305 987 mm3；E為鋼材彈性模量，取E=206 GPa。

③徑厚比驗算。D/t=38.06lt;90，符合規范要求。

④平面外穩定驗算。根據GB 50017—2017計算得到的σwx=σwy=135.17 N/mm2lt;215 N/mm2，符合要求。

4" 獨立基礎設計

獨立基礎材料：混凝土強度為C30、鋼筋為HRB400、地基承載力按照160 kPa考慮。

獨立基礎尺寸：長13 m、寬8 m、厚0.8 m。獨立基礎底部配筋與頂部配筋均為雙向配筋，鋼筋直徑18 mm，鋼筋間距200 mm，不考慮基礎覆土厚度。

按上述設計進行基礎受力驗算，結果如下。①正截面受彎計算。最不利荷載情況下基礎受彎矩M=190.6 kN·m，計算配筋率為0.095 3%，故各個方向按最小配筋率0.15%進行配筋。 ②沖切驗算。驗算公式為

F l≤0.7βhp ftam h0，

式中：F l為相應于作用的基本組合時作用在Al上的地基土凈反力設計值，最不利情況下Fl=1 715.1 kPa；βhp為受沖切承載力截面高度影響系數，取βhp=1.0；ft為混凝土軸心抗拉強度設計值，取ft=1.43 MPa；am為沖切破壞錐體一側的計算長度，取am=11 237 mm；h0為沖切驗算截面的有效高度，取h0=800-50=750 mm。經計算驗算公式成立，即沖切驗算符合要求。③受剪驗算。對一階獨基，當基礎底面短邊尺寸大于柱寬加2倍基礎有效高度時，可以不驗算受剪承載力，受剪驗算符合要求。臨時支架基礎平面示意圖如圖4所示。

5" 結論

根據對該工程臨時支架設計過程的分析以及有限元計算的結果，得出以下結論。

在現有的荷載作用下放大129.3倍后，該支撐架才會發生整體失穩，故該結構的整體穩定性指標符合規范要求。該臨時支架頂部最大位移為12.27 mm，△u/h=1/1 222lt;1/550，層間位移角滿足要求。

立柱在考慮部分塑性的情況下，σmax=118.31 N/mm2lt;215 N/mm2，滿足強度要求。平面內穩定性驗算中σwx=129.45 N/mm2lt;215 N/mm2。平面外穩定驗算中根據規范計算得到的σwx=σwy=135.17 N/mm2lt;215 N/mm2，符合要求。

地基基礎中最大的計算配筋率為0.095 3%，各個方向均按構造配筋，配筋率取0.15%，滿足不驗算受剪承載力的要求。

參考文獻：

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