某斜拉桥临时支架空间结构分析

黄鹏 颜军胜

1，华南理工大学 土木与交通学院 广州 510640

2，江西省永新县交通局，江西吉安 343400

某斜拉桥临时支架空间结构分析

黄鹏1颜军胜2

1，华南理工大学 土木与交通学院 广州 510640

2，江西省永新县交通局，江西吉安 343400

钢管支架是土木工程施工过程中经常运用的一种支撑结构。在保证支架结构强度、刚度和稳定性要求的基础上也需要考虑它的经济性。本文以某斜拉桥为背景，用ANSYS通用有限元软件建立了四种空间有限元支架模型并进行比较分析，为桥梁施工提供理论依据。

临时支架；有限元分析；稳定性

Temporary Bracket; finite element analysis; stability

引言

钢管支架是土木工程施工过程中经常运用的一种支撑结构，随着材料和施工工艺的发展，临时支架结构单位长度的重量减轻，用钢量减少，从而大大提高了经济效益，推进桥梁结构向大跨度和轻型化发展。同时，由于临时支架杆件和节点数量很多，计算复杂，在追求经济性的同时，施工技术人员和监理人员往往只凭经验或局部验算支架结构强度来搭设，因而在桥梁施工过程中存在着相当大的事故隐患[1]，本文以某斜拉桥为工程背景，利用ANSYS有限元软件对其在施工过程中的临时支架结构进行全面的强度、刚度和稳定性计算及研究，为桥梁施工提供理论依据。

1 支架结构介绍及模型建立

1.1 四种支架模型及结构特点

该斜拉桥主跨钢主梁采用悬臂施工方法，因受环境情况的制约，0#块及边跨钢箱梁均采用钢管支架滑移就位。其边跨跨度为208m且在50m处设置有辅助墩。本文共建立四种支架布置方式，取最不利荷载工况进行比较分析，四种支架的ANASY模型如图1所示。

四种支架各自24排钢管桩管型均为φ800×10，单幅支架每一排钢管桩由2根组成，横向的2根钢管之间通过横联及斜撑连接，管型为φ630×6的钢管，其中支架一采用图2左侧方式，后三种支架采用图2右侧方式。钢管桩顶部设置了垫梁，在垫梁顶面设置贝雷梁，贝雷梁上设置滑道。

图1 四种支架ANSYS模型

图2 支架横向布置

支架一、二的第14、18、21、22排钢管桩均有一定的倾角，如此设置是考虑地质的原因，此处打桩成本较大。支架三、四则在此处采用竖直钢管。

支架一在钢管桩间(横向和纵向）设置较多斜撑，支架二、三、四设置较简单斜撑。支架三斜撑设置在中间，支架四则设置在钢管桩顶部。

模型均采用beam44单元进行模拟，固结桥墩顶部以及钢管桩底部节点。

1.2 荷载取值与组合

在施工过程中施加在该支架的荷载种类共有自身自重、钢箱梁自重及风荷载三种，现取三种荷载叠加的荷载组合进行结构分析。其中钢箱梁自重通过滑座传递给支架，因此按实际情况模拟为35个集中荷载竖向施加在滑道上（表1）。

风荷载根据《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60—2004）进行计算，风速取为17m/ s，施加在钢箱梁上的风荷载均等效到贝雷梁上弦杆上，贝雷梁上风荷载均摊到上下弦杆上。计算得到钢箱梁风压0.455KPa，贝雷梁风压0.567KPa，其它杆件风压为0.409KPa。

表1 各滑座反力(吨）

1.3、材料受荷性能

根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》JTJ025-86的规定，临时性结构在荷载组合Ⅲ下容许应力乘以提高系数1.4的情况下取A3钢的轴向压力[σ]＝196MPa，弯曲应力[σw]＝203MPa，剪应力[τ]＝118MPa。

2 计算结果比较

2.1 变形结果比较

经过计算得到四种模型变形结果如表2所示。

表2 各类支架荷载作用下变形比较

对于竖向变形：支架一、二最大值均发生在第14排钢管桩顶端贝雷梁处，支架三、四则发生在第6排钢管桩顶端贝雷梁处；对于横桥向变形，四种支架最大值均发生在第12、13排钢管桩顶端贝雷梁处；对于顺桥向变形，支架一、二最大值发生在第14排钢管桩折角处，支架三、四则发生在第6排钢管桩顶端。以支架二为例，变形图如图3所示

图3 支架二竖向变形(上图）及横桥向变形(下图）（m）

2.2应力结果比较

经过计算得到四种模型垫梁以下应力结果如表3所示。

表3 各类支架荷载作用下应力比较

支架一最大拉压应力均发生在第13排钢管桩顶端，支架二、三、四最大拉压应力均发生在第13排底层钢管横向平联处。支架三最大拉应力与最大压应力图如图4所示。

图4 支架三最大拉应力(上图）及最大压应力(下图）

2.3 稳定性结果比较

稳定问题在桥梁工程中与强度问题有着同等重要的意义。研究稳定问题有两种形式，即第一类稳定的分支点失稳问题，第二类稳定的极值点失稳问题。实际工程中的稳定问题一般都表现为第二类问题，但是，由于第一类稳定问题是特征值问题，求解方便，且算出的稳定系数有较高的可靠性，因此第一类稳定问题同样有着重要的工程意义[2]。第一类稳定问题方程如式1所示。

式中K0为参考荷载下几何刚度矩阵；?为结构线性刚度矩阵；λ为稳定性系数。[3]通过计算得四种模型在荷载作用下的稳定性系数如表4所示。

表4 各类支架荷载作用下前三阶稳定性系数

结果表明各类支架前三阶屈曲均发生在贝雷梁上，屈曲系数比较接近，且均大于4，满足规范结构稳定性要求。支架一前两阶屈曲状态如图5所示。

图5 支架一屈曲状态第一阶(上图）及第二阶(下图）

2.4 综合比较

以上从变形、应力及稳定性，也即从刚度、强度和稳定三个方面比较了四种支架的受力情况。

综合比较发现，支架一、二中部均有倾斜钢管桩，由于斜撑设置密集关系，支架一各方向变形以及最大拉压应力都小于支架二；对比支架二、三、四，设置竖直钢管桩对支架竖向及顺桥向变形有明显改善，而最大拉压应力相差较小；四种支架中支架一最大拉压应力均较小，可见增强支架横向联系可达到减小拉压应力大小。

3 结语

在桥梁建设中，支架的受力一直受到忽视，选用能同时保证经济性与安全性的支架是桥梁设计者需要考虑的问题。本文以某斜拉桥边跨为工程背景，通过ANSYS软件建立了四种支架模型，四类支架各具特点。经过计算比较得出到下结论：

3.1 支架一在打入钢管桩时避开了不利地质的地段，在钢管桩间布置密集的斜撑以稳固结构。虽然整体支架变形量、应力值都很小，稳定性也满足要求，但密集的斜撑显得过于浪费材料，应力值富余量很大也表明该支架结构不够合理。

3.2 支架二在打入钢管桩时也避开了不利地质的地段，在钢管桩间布置适量的斜撑。整体支架变形量、应力值较支架一有较大增幅，但仍在支架承载能力范围之内。

3.3 支架三、四在不利地质的地段打入钢管桩，增加了施工难度与成本，然后在钢管桩间布置适量的斜撑。整体支架变形量较支架二有所减小，应力值变化不大。

四种支架经济性最好的是支架二，安全度最高的是支架一，支架三、四增加了施工难度，但安全性较支架二有所增加。因此在选择何种支架时还需要桥梁设计者在实际工程中进行综合考虑比较。

[1]刘建民.大型混凝土施工模板结构体系控制技术研究[D].西安建筑科技大学，2005

[2]唐家祥,王仕统等.结构稳定理论.中国铁道出版社,1989

[3]李存全.结构稳定及稳定内力.中国铁道出版社,1992.

[4]张朝晖等. ANSYS工程应用范例入门与提高[M].北京:清华大学出版社，2004

[5]刘薇,徐发祥,张云莲.某高架桥现浇箱模板支撑体系的设计验算.山西建筑, 2008,2.

Space Structure Analysis of Temporary Bracket in a Cable-stayed Bridge

Huang Peng
(South China University of Technology, Institute of civil engineering and transportation, Guangzhou, 510640）Yan Junsheng
（Road Transport Bureau of YongXin county, Ji’an in Jiangxi province 343400）

Steel pipe support is often used in civil engineering construction process. On the base of ensuring the temporary bracket’s strength, stiffness and stability requirement, its economical efficiency also need to consider. Taking a cable-stayed bridge as the background, four space finite element support models using the general finite element software ANSYS are built in this article to compare and analyze their structure characteristics. It can provide the theory basis for the bridge construction.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.08.043

作者信息

黄鹏，出生年月：1987年12月，性别：男，民族：汉族，籍贯：湖北，职务：在读研究生，工作单位：现于华南理工大学桥梁与隧道工程专业攻读硕士学位，研究方向：大跨度桥梁。