跨線橋梁0號(hào)塊懸臂施工支架體系的受力分析

田　欽， 袁瑞杰， 丁　利

(南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院，江西南昌 330031)

1　工程概況

漣水特大橋跨規(guī)劃紅日大道的橋跨布置為(48+80+48) m的連續(xù)梁，結(jié)構(gòu)形式為現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，箱梁為分離的單箱單室截面。0號(hào)塊長8 m，底板寬6.4 m，兩端懸出墩身2.9 m，梁高2.49 m，0號(hào)塊混凝土數(shù)量為245 m3，重量約650 t，鋼筋用量為95.5 kg(圖1～圖3)。

圖1　0號(hào)塊支模架布置正視(單位:cm)

圖2　0號(hào)塊支模架布置側(cè)視(單位:cm)

圖3　0號(hào)塊支模架布置平面(單位:cm)

2　有限元分析模型

2.1　荷載取值

(1)鋼筋混凝土的容重：26 kN/m3；人員、機(jī)具荷載標(biāo)準(zhǔn)值：2.5 kN/m2；底模板、內(nèi)模支架模板：3.5 kN/m2；翼緣模板、側(cè)模：2.5 kN/m2。施工階段最不利荷載工況為混凝土澆筑完畢，但還未凝結(jié)，尚未達(dá)到強(qiáng)度。

(2)模型相關(guān)構(gòu)件材料與截面情況如表1所示。

2.2　建模相關(guān)情況

由于該0號(hào)塊支模架體系的鋼管柱柱頂不平，不便設(shè)置滿堂支架，故不進(jìn)行0號(hào)塊翼緣滿堂支架的建模，直接將翼緣的荷載加至方木上。還由于墩身兩邊支架模型相同，且中間無相關(guān)聯(lián)系，而荷載又對(duì)稱分布，故將一半的支架作為一個(gè)整體，進(jìn)行分析。模型內(nèi)的單元全部采用梁單元。

支模架與墩身、承臺(tái)接觸的支撐部分采用剛結(jié)，6個(gè)自由度全部限制如圖4所示。鋼管柱與柱頂承重梁之間、柱頂承重梁與墊塊之間、墊塊與分配梁之間、分配梁與方木之間均采用彈性連接中的剛性類型。

表1　各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的有限元單元類型

圖4　支模架體系模型

3　荷載計(jì)算過程

將放置于支模架體系上的0號(hào)塊按一定規(guī)則，通過7個(gè)截面分為7塊(圖5)。荷載布置采用梁單元荷載(單元)，在0號(hào)塊架立于方木的長度范圍內(nèi)設(shè)置荷載,每一塊提供的荷載(整體乘以1.25的系數(shù))，荷載布置情況見圖5，每塊區(qū)域所承受荷載如表2所示。

圖5　荷載布置示意

區(qū)域di/mmVi/mm3Gi/kNqi/(N·mm-1)135.348852343.517230.160931442714.5825238.929191633.606238.982473756758.6625329.716885731.185179.02907081572.49125429.736777752.96176.22157696567.1575529.726663538.331173.251996606561.2825629.76550076.413170.301986738555.446742.209113894.814236.961265164779.315

第1條方木上的梁單元荷載=q1+q2=1 473.245 N/mm；

第2條方木上的梁單元荷載=q3=572.491 N/mm；

第三條方木上的梁單元荷載=q4=567.158 N/mm；

第四條方木上的梁單元荷載=q5=561.283 N/mm；

第五條方木上的梁單元荷載=q6=555.446 N/mm；

第六條方木上的梁單元荷載=q7=779.315 N/mm。

4　構(gòu)件受力驗(yàn)算

驗(yàn)算依據(jù)JTJ 025-86《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50429-2007《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》。

4.1　鋼立柱計(jì)算

如圖6所示：鋼立柱最大軸向壓應(yīng)力為98.27 MPa<[σ]=140 MPa，最大彎矩應(yīng)力為96.47 MPa<[σw]=145 MPa,最大剪應(yīng)力為28.33 MPa<[τ]=85 MPa，均滿足要求。在鋼立柱的與柱頂承重梁或與承臺(tái)剛性約束處出現(xiàn)應(yīng)力較大的情況，而鋼立柱整體其他部位受力較均勻，兩端與中間部位均滿足受力要求。

圖6　鋼立柱應(yīng)力云圖

4.2　柱頂承重梁計(jì)算

如圖7所示：柱頂承重梁最大軸向壓應(yīng)力為49.53 MPa<[σ]=140 MPa，最大彎矩應(yīng)力為69.02 MPa<[σw]=145 MPa,最大剪應(yīng)力為10.58 MPa<[τ]=85 MPa，均滿足要求。柱頂承重梁在中間部位的跨度較大，承受最大彎矩，兩端承重梁在鋼管柱的支撐分隔下使跨徑更小，整個(gè)梁體的組合應(yīng)力呈對(duì)稱狀，梁體的各部分段均滿足要求。

圖7　柱頂承重梁應(yīng)力云圖

4.3　分配梁計(jì)算

如圖8所示：分配梁最大軸向壓應(yīng)力為57.78 MPa<[σ]=140 MPa，最大彎矩應(yīng)力為144.36 MPa<[σw]=145 MPa,最大剪應(yīng)力為63.93 MPa<[τ]=85 MPa，均滿足要求。分配梁為12根I25工字鋼，由于間距各不相同，且假設(shè)方木的荷載為等效均布荷載，因?yàn)橹虚g的工字鋼的間距最大，其承受的力也最大，順橋向，中間工字鋼處于最不利工況，中間工字鋼的承受力為承受跨徑左右各一半的力，而由應(yīng)力云圖計(jì)算結(jié)果得出的最大彎矩值、剪力值均處在中間工字鋼段。

圖8　分配梁應(yīng)力云圖

4.4　方木計(jì)算

如圖9所示：方木最大軸力向壓應(yīng)力50.04 MPa<[σ]=65 MPa，最大彎矩應(yīng)力為115.55 MPa<[σw]=130 MPa，最大剪應(yīng)力為12.98 MPa<[τ]=13.5 MPa，均滿足要求。由于方木在橫橋向的間距相等，所以把方木所承擔(dān)上部的荷載等效為6個(gè)相等的集中荷載，而方木在順橋向的間距，中間段最大，所以方木受力同樣呈現(xiàn)出中間大兩端較小的對(duì)稱趨勢，最危險(xiǎn)點(diǎn)依舊出現(xiàn)在中間段。由圖9的應(yīng)力云圖所示，中間段的彎矩值并沒有超出允許值，而最大彎矩值出現(xiàn)在兩端分配梁間距較小處的某根方木與分配梁的節(jié)點(diǎn)處，是因剛性約束所導(dǎo)致的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖9　方木應(yīng)力云圖

5　結(jié)束語

通過Midas/civil建模對(duì)支架體系的受力進(jìn)行驗(yàn)算，主要結(jié)論如下:

(1)鋼立柱整體受力較均勻，柱頂承重梁的組合應(yīng)力呈對(duì)稱狀，中間部位較大兩端較小，分配梁的應(yīng)力最大值均處于跨度最大的中間工字鋼段。

(2)方木的跨中應(yīng)力并不是理論最大值，支模架體系中的各部位彈性連接剛度對(duì)支模架體系受力有一定的影響，會(huì)導(dǎo)致連接支點(diǎn)處的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(3)0號(hào)塊支模架體系的施工中支模架的最大應(yīng)力通常不是出現(xiàn)在跨中，而是出現(xiàn)在支點(diǎn)處。當(dāng)支模架體系跨中應(yīng)力有較多富余、支點(diǎn)應(yīng)力超出應(yīng)力允許值時(shí)，可不增加支模架各部件數(shù)目，只需對(duì)支點(diǎn)處進(jìn)行局部加強(qiáng)。