桥梁施工满堂支架有限元分析

赵 越

(江苏城乡建设职业学院，江苏 常州 213016)

桥梁施工满堂支架有限元分析

赵 越

(江苏城乡建设职业学院，江苏 常州 213016)

通过建立石浦高架桥某跨现浇箱梁满堂支架的有限元模型，计算分析支架系统的轴力、拉压应力及位移,以验证支架系统的安全性及数值计算的可靠性，结果表明:支架最大应力值与位移值均未超过钢管的强度值，支架系统的刚度和稳定性满足施工要求。

桥梁工程，满堂支架，有限元法，位移分析

满堂支架系统是目前现浇桥梁施工中广泛采用的工艺，其中碗口式钢管支架因其构造简单、安装方便、便于运输等特点，在各桥梁施工现场被广泛采用，尤其在局部低洼、软弱地段，特别适用于连续梁桥的施工。一直以来，对于满堂支架的设计与计算，通常是根据计算工具手册或套用先前工程项目成功案例来实施，不能很好的紧密贴合工程的实际情况，往往由于安全系数过大而造成不必要的浪费。而在国外，通常是在规范允许的框架下，大胆采用解析法和有限元建模计算的方法，通过计算机软件建立实体模型，模拟分析计算满堂支架的受力变化，并以此为设计提供依据。Midas/Civil是一款主要适用于桥梁结构有限元分析的软件，进入我国已经多年，并已和国内的各项结构设计规范进行了融合，简便、直观、可操作化是其优势和特点，本文以石浦高架桥现浇连续箱满堂支架系统为案例，建立有限元模型，分析支架系统的应力、应变与位移变化，验证支架的安全性，试图为安全施工提供技术依据。

1 工程概况

石浦高架桥位于昆山市东城大道快速化改造二期工程南段，桥梁中心桩号为K3+860，起点桩号K3+200，终点桩号K4+520。全桥共2个桥台，43个桥墩，分14联，其中1联～6联及9联～14联为3×30 m一联，7联～8联为4×30 m一联。

上部结构采用预应力混凝土连续箱梁，采用满堂支架现浇施工。箱梁梁高为2 m，连续箱梁均为等截面箱梁，箱梁底板、顶板形成双向2%横坡。箱梁为单箱四室截面。箱梁底宽17.0 m，顶宽为26.0 m，箱梁顶板厚度为25 cm；箱梁腹板厚度取用40 cm，加厚段腹板厚度为70 cm；箱梁底板厚度变化范围20 cm～40 cm；翼缘板厚度20 cm，根部厚度60 cm。箱梁采用双向预应力混凝土结构。

2 支架方案

全桥采用碗扣式支架拼装，纵横步距为90 cm，纵向在顶底板加厚段加密为60 cm步距，横向在腹板位置加密为60 cm步距。支架下设调平底托，上设调平顶托。顶托上横桥向放置10号H型钢，然后顺桥向布置10 cm×10 cm方木，方木间距30 cm。支架横向剪刀撑以每3档～5档设置一道，沿桥宽的方向总宽设置，支架纵向剪刀撑设置在支架两侧及箱梁腹板的位置，每联通长设置，总共设置7道。桥墩处支架在立柱外侧与其余部位相同，内侧于系梁上搭设两排支架，两排支架与系梁中心线距离为30 cm，横向间距与其他部位相同，并与相邻的支架连接为整体，见图1，图2。

3 荷载标准

混凝土自重取25 kN/m3，模板自重取2 kN/m2，施工人员及设备荷载取2.5 kN/m2，浇筑和振捣混凝土产生的荷载取3.0 kN/m2，其他荷载取3.0 kN/m2。

根据《路桥施工手册》查得钢管立杆容许应力[σ]=140 N/mm2，则单根立杆容许承载力为：ψA[σ]=0.682×424×140=40.5 kN，在横杆间距100 cm时，立杆容许荷载为31.7 kN，横杆间距125 cm时，立杆容许荷载为29.2 kN，则当横杆间距为120 cm时，用内插法计算立杆容许荷载为：31.7-(31.7-29.2)×(100-120)/(100-125)=29.7 kN，综合得单根立杆容许荷载为29.7 kN。

对三处分别进行验算，其中一处为横梁底部，一处为跨中腹板处，一处为跨中箱室处。

1)横梁底部：此时横向间距为0.6 m，纵向间距为0.6 m，混凝土高度为2 m，则正常施工时单杆承受荷载为(2+25×2+2.5+3+3)×0.6×0.6=21.83 kN，超载预压时单杆承受荷载为(25×2×120%+3)×0.6×0.6=22.73 kN；

2)跨中腹板处：此时横向间距0.6 m，纵向间距0.9 m，混凝土高度为0.4 m范围内为2 m，0.2 m范围内为0.45 m，则正常施工时单杆承受荷载为(2+2.5+3+3)×0.6×0.9+25×(0.4×2+0.2×0.45)×0.9=25.73 kN，超载预压时单杆承受荷载为3×0.6×0.9+25×(0.4×2+0.2×0.45)×120%×0.9=25.63 kN；

3)跨中箱室处：此时纵横间距均为0.9 m，混凝土高度为0.45 m，则正常施工时单杆承受荷载为(2+25×0.45+2.5+3+3)×0.9×0.9=17.63 kN，超载预压时单杆承受荷载为(25×0.45×120%+3)×0.9×0.9=13.33 kN。

4 建立模型

应用大型有限元分析软件Midas，建立连续梁及支架的空间离散模型，对0号块满堂支架进行模拟分析计算。

单位约定：力单位为kN，长度单位为m。

坐标约定：X坐标方向为顺桥向，Y坐标方向为横桥向，Z坐标方向为竖向。

正负号约定：正号表示拉力，负号表示压力。

单元类型：主梁及支架均采用梁单元。

满堂支架的构成一般都为对称结构，为了简化计算，可取最不利受力状态的桥跨支架结构来进行建模分析。在本案当中，箱梁的翼板部分结构自重较轻，对支架结构的受力影响不大，在验算中忽略该部分，以梁下支架为分析主体，模型的横向宽度为10.2 m，纵向桥长为15.66 m，模型中共有节点3 864个，单元8 727个，立杆和水平杆采用梁单元，碗扣件采用节点方法连接，见图3。

5 模型运行结果与结论

运行Midas/Civil有限元软件的模型计算，结果显示，在自重荷载、施工荷载、其他荷载的组合作用下，满堂支架系统中水平杆主要承受拉力，支架系统中出现的最大轴向拉力为8.82 kN，根据《路桥施工手册》关于材料荷载的要求，钢管支架容许荷载为30.0 kN，计算出的最大拉力未超出容许值，不会出现受拉破坏。支架系统的立杆主要承受压应力，立杆中出现的最大轴向压力为29.3 kN，查得单根立杆容许荷载为29.7 kN，压力未超出容许值，在组合荷载作用下，支架系统中出现的最大拉应力为85.47 N/mm2，最大压应力为129.59 N/mm2，而计算出的立杆容许应力为140 N/mm2，由此可以看出，通过有限元支架模型计算出的受力均没有超过规范值。

在组合荷载作用下，支架系统发生的弹性和非弹性变形见图4，由图4可以看出，其横桥向出现的最大位移为2.14 mm，纵桥向最大位移为4.98 mm，竖向最大位移为5.01 mm。

参照GB 50204—2004混凝土结构工程施工质量及验收规范中验算模板和支架刚度的有关规定，对于结构表面外露的模板，模板和支架的最大变形值为模板构件计算跨度的1/400，即3.75 cm。本模型取计算跨径15 m，计算出水平方向最大位移为2.14 mm，因此水平方向变形量满足规范要求。规范要求支架的压缩变形值或弹性挠度为相应结构计算跨度的1/1 000，则规范允许值为15 m/1 000=0.015 m=1.5 cm，支架立杆的压缩变形值约为5.01 mm，所以该支架压缩变形值满足规范设计的要求。

[1] 邱福平，吕忠明，夏来福．关于浅水、软地基现浇箱梁满堂支架地基处理施工工法的研究[J]．交通科技，2010(S2):26-29．

[2] 俞洪良，张土桥，潘新华．支模脚手架安全管理控制系统研究[J]．建筑经济，2007(S2):29-32．

[3] 周永光，何兆益，邹毅松，等．路桥施工手册[M]．北京:人民交通出版社，2001:436-438．

Finite element analysis on bridge construction scaffold

Zhao Yue

(JiangsuVocationalCollegeofUrban-RuralConstruction,Changzhou213016,China)

Through establishing finite element mode of crossing-Shipu bridge scaffold, the paper analyzes axial force, pulling stress and displacement of support system, and testifies the support system safety and numerical calculation reliability. Results show that: the maximum stress value and displacement value of the support system don’t exceed steel pipe strength value. In additional, the support system rigidity and stability meet construction demands as well.

bridge engineering, scaffold, finite element method， displacement analysis

2015-03-09

赵 越(1981- )，男，硕士，讲师

1009-6825(2015)14-0166-02

U445

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