现浇箱梁支架钢管桩验算方法的研究

杨洪涛

(贵州建工集团有限公司，贵州贵阳 550001)

0 引言

小弯河大桥，梁上部结构采用支架法整体浇筑施工，为确保施工安全在桥位桥墩顶面至地面标高超过25 m处设置钢管桩临时墩搭设梁式支架施工，其他部位拟采用满堂支架施工。本工程采用钢管桩的型号为外径720 mm，壁厚10 mm，横联采用Ⅰ20工字钢桁架，均为Q235钢。支架工作时主要考虑3种荷载作用:

1)恒荷载:即结构自重;

2)活荷载:由于施工人群、设备及浇筑混凝土产生的荷载;

3)风荷载:风荷载的作用，根据JTG D60—2004公路桥涵设计通用规范4.3.7得到横桥向风荷载标准值。钢管桩取两种荷载组合进行验算，分别为:组合1:1.2×恒荷载+1.4×活恒载;组合2:1.2×恒荷载+1.1×风荷载。

1 模型建立

钢管桩上恒载及活载值均由前述最不利16.5 m跨径贝雷梁计算模型中读取。

表1 主要材料容许应力参数(GB 50017—2003钢结构设计规范)

在本结构验算过程中，针对贝雷梁与型钢材料已多次重复使用，在验算中将表1各容许应力参数考虑0.8的材料安全系数。

钢管柱及工字钢组合纵向联系验算，采用有限元方法，使用Midas建立该梁的有限元模型。利用有限元方法可以计算出位移以及各杆件的内力、应力。

在建模时，钢管柱标准节段之间采用螺栓固结，钢管柱与工字钢组合托梁之间采用螺栓固结，钢管柱与桁架式水平联系杆件以及与纵向工字钢水平联系杆件之间采用螺栓固结，钢管柱与工字钢斜撑杆件之间采用焊接固结，钢管柱与基础之间采用螺栓固结。

有限元图形如图1所示。

2 钢管柱应力验算

1)钢管柱支点反力如图2所示。

图1 结构总体图

图2 钢管柱支点反力图

2)钢管柱轴力见图3。

根据比较知:在组合2作用下，钢管轴应力更不利，最大轴拉应力为27.71 MPa;最大轴压应力为82.00 MPa，小于考虑材料折减系数0.8后的容许应力172 MPa，满足材料强度要求(见图4)。

图3 钢管柱轴力图

图4 钢管柱轴应力图

3)组合应力见图5。

根据比较知:在组合2作用下，钢管受力更不利，最大压应力为 113.56 MPa，最大拉应力为 91.75 MPa。

钢管桩为细长杆件，按下式验算:

式中:φ——折减系数，根据长细比λ查规范，λ=L/r，L为杆件相当长度，对两端铰接结构等于其计算长度，r为回转半径，r=，I为惯性矩，A为钢管截面积;

σ——钢管桩所受应力;

n——工作系数，取 1.1;

［σ］——钢管桩容许应力。

钢管桩容许应力［σ］=172 MPa;

计算最大应力σ=113.56 MPa。

相当长度L=8 m，惯性矩 I=1.405 792×109mm4，截面积A=2.230 531 ×104mm2，回转半径 r=251 mm，长细比 λ =31.87，查得折减系数φ=0.959。则有:

nσ =1.1 × 113.56=124.92 MPa≤φ［σ］=0.959 × 172=164.95 MPa。

故，满足规范要求。

4)竖向位移见图6。

图5 钢管柱组合应力图

图6 钢管柱竖向位移图

根据比较知:在组合2作用下，钢管竖向位移更大，最大位移出现梁端柱顶，位移为1.56 cm。

5)横向位移(见图7)。

根据比较可以得知:在组合1作用下，支架横向位移最大值为6.03 mm。

6)剪应力见图8。

根据比较知:在组合2作用下，钢管剪应力更不利，最大剪应力为41.17 MPa，小于考虑材料折减系数0.8后的容许剪应力100 MPa，满足强度要求。

图7 钢管柱横向位移图

图8 钢管柱剪应力图

管柱、连接杆件均能满足抗剪强度。

7)法兰盘螺栓验算。

法兰盘为20 mm厚的16Mn钢板，外径820 mm，内径720 mm;螺栓孔为26 mm，螺栓直径为25 mm，沿圆周平均布置8个孔;法兰盘与720 mm钢管外壁焊接，每两个孔之间以5 cm三角板加强焊接。

管柱最大剪应力为4.06 MPa，验算螺栓的剪应力、压应力情况:

受剪:f1=Nσ/(nπr2)=(4 060 000 ×0.712×3.14×0.008)/(8 ×3.14 ×0.012 5 ×0.012 5)=18.51 MPa＜100 MPa。

受压:f2=Nσ/(ndt)=(4 060 000×0.712×3.14×0.008)/(8 ×0.02 ×0.025)=18.15 MPa＜172 MPa。

螺栓满足强度要求。

8)整体稳定性。

对45 m高钢管桩在恒载组合2作用下进行整体稳定性验算，取前5阶屈曲模型(见表2)。

表2 各阶屈曲模态特征值表

根据计算得各阶模态临界荷载系数，最小临界荷载系数为8.97，大于 1.3，整体稳定性满足要求(见图 9)。

图9 结构一阶模态图

3 结语

对上述支架通过采用Midas建立有限元模型进行计算过程分析，对所有材料考虑材料折减系数0.8后，所有杆件的抗弯强度、抗剪强度均能满足现行规范要求。支架变形均小于L/400，杆件的局部稳定性和钢管桩的整体稳定性满足要求，钢管桩基底承载力满足要求。计算过程方便、简捷，可为类似工程提供参考。

［1］JTG D62—2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.

［2］JTJ 025—86，公路桥涵钢结构及木结构设计规范［S］.

［3］JTG D63—2007，公路桥涵地基与基础设计规范［S］.

［4］JTJ 041—2000，公路桥涵施工技术规范［S］.

［5］GB/T 714—2000，桥梁用结构钢［S］.

［6］周水兴.路桥施工计算手册［M］.北京:人民交通出版社，2001.