宝成线高边坡崩塌防护工程脚手架有限元分析

苟小兵

1 工程概况

宝成铁路K399段边坡在5·12地震中,出现了岩体松动和崩塌的现象,如果不及时进行边坡治理,很可能会危及到铁路的安全运行。此铁路段边坡倾角几乎为90°,垂直高度大约有120 m,在施工中需要预先搭设高度为100 m左右的钢管脚手架供施工使用。通常情况下,脚手架的搭设不需要进行特殊的设计和研究,根据相应规范和施工经验即可搭设安全可靠的脚手架。《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》规定超过50 m高的脚手架应进行专门的计算,K399段脚手架的设计搭设高度大约100 m,边坡倾角将近 90°,搭设困难比较突出。

此工程岩石为新鲜的石灰岩,岩体坚硬,风化现象不明显。脚手架下面的岩石上有一定厚度的土质覆盖层,施工时应清除干净露出基岩,并浇筑混凝土。

为保证脚手架设计方案的安全及有效指导超高脚手架施工,现采用三维有限元进行模拟分析。

2 脚手架设计方案的选择

此次计算作为选择脚手架总体方案的依据,共设计了4个设计方案,对4个脚手架方案的计算结果进行对比并选出最佳的设计方案(见表1)。

表1 脚手架预先设计的4套方案

脚手架的节点大多数都是刚性连接,只有在钢管接长的时候是半刚性连接。现有的有限元程序都只能模拟纯刚性或者纯铰接。因为实际模拟非常接近刚性连接,所以有限元计算的时候以刚性连接为准。

其有限元模型见图1。

3 脚手架工况设计

根据不同的设计方案和施工进程,共设计了8个工况,它们的详细信息如表2所示。

表2 工况组合表

4 脚手架稳定性及内力分析

每个工况都进行了超载计算,即分别按照1倍的实际荷载、2倍的实际荷载和3倍的实际荷载分析。计算结果如图2～图13所示。

图2～图13中显示了立杆在各个高程的最大压力和安全系数、横杆在各个高程的最大弯矩和抗弯安全系数、连墙件的最大拉(压)力和安全系数。

5 结语

文章通过对高边坡脚手架的三维有限元模拟分析,给出了4种设计方案及8种计算工况,并以工况1为例,对脚手架的整体稳定性及杆件应力进行分析。为今后超高脚手架的设计提供了设计思路及计算模型。

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