南通东快速路钢管柱贝雷梁组合支架系统有限元分析

梁宇莺

（中铁十八局集团第二工程有限公司，河北 唐山 064000）

1 工程概况

南通东快速路高架工程为主城区快速路网“一环”中的东环，南起通沪大道，向北依次跨越世纪大道、洪江东路、青年路、通甲路、人民路、钟秀路，北至江海大道，跨4条河流，全长6718.46m。全线共四对上下行匝道，分别设置在人民路、青年路和世纪大道。高架桥为双向六车道，主线桥梁标准断面宽25.5m，加宽段桥面宽46m，匝道桥桥面宽8m。钻孔灌注桩2190根，桩基直径最大1.5m，最大桩长84m。矩形承台316个。墩身316个，采用花瓶型桥墩、独柱式花瓶墩、直立式桥墩。现浇箱梁86联，最大跨径60m，标准段采用单箱四室大悬臂斜腹板箱梁，标准高度1.8米。新建地面道路全长4049m，主道双向6车道，道路标准横断面宽度为60m，雨水工程全长23906m。污水工程全长7706m。

其中跨人民路、通甲路采用预应力混凝土连续箱梁位于直线上，线路纵坡-7.0‰，中跨跨中斜交角度为22.4°。连续梁全长140m，计算跨度为40+60+40m，结构形式设计为单箱单室、变高度、变截面结构。梁体顶宽12.0m，底宽6.7m。中支点处梁高7.85m，跨中10m及边跨15.75m直线段梁高为4.85m，梁底下缘按二次抛物线变化，边支座中心线至梁端0.75m。顶板厚度除梁端附近外均为40cm，底板厚度40～120cm，按直线线性变化，腹板厚60～80cm、80～100cm，按折线变化，全联在端支点、中跨跨中及中支点处共设5个横隔板，横隔板设过人孔洞。梁面设置顶宽3100mm的加高平台，距梁端1.45m加高台高15mm，其它区域加高平台高65mm。根据施工现场地形特点，在高墩位置采用钢管桩贝雷梁组合支架形式施工。

现浇混凝土桥梁支架的设计以安全可靠、结构简单、经济合理为目的。在桥梁建设中，桥梁净空较高的现浇箱梁一般采用钢管柱贝雷梁组合支架系统进行施工［1］。

由于支架属于临时性结构，设计单位不提供专门的设计图纸，大多是施工单位自行设计。支架的设计和搭设往往凭借施工技术人员的经验或局部验算，因而在桥梁施工过程中存在着相当大的事故隐患［2］。因此，对现浇混凝土临时支架系统进行全面的强度、刚度和稳定性进行分析研究是非常必要的。

2 组合支架系统有限元分析

2.1 Midas/Civil大型通用有限元软件

Midas/Civil软件是一种通用有限元设计分析软件，可以适用在桥梁、地下结构、建筑、机场、港口、大坝等结构分析设计中。

Midas/Civil软件由两大模式组成：前处理模式和后处理模式。

前处理模式包括建模、材料和截面定义、荷载施加、边界条件施加、分析选项设置和计算求解功能。Midas/Civil的前处理只能建立有限元模型，不能建立几何模型，即使是从Auto CAD导入的几何模型，也是被直接转换成杆系有限元模型。模型的修改也必须在前模块进行［3］。

后处理模块包括计算结果输出等功能，比如应力云图、位移、荷载-位移曲线等。

钢管桩贝雷梁组合支架地基处理原则墩柱旁的钢管柱直接支撑于基础第二层承台上，其他位置的钢管柱在原地面清表后下挖2m，宽度6m，长度17m，20t振动压路机碾压6～8遍，使表层地基承载力达到150kPa以上，施作120cm厚碎石土垫层，压路机继续碾压，使地基承载力达到350kPa以上，再施作30cm厚C20混凝土垫层，垫层上基础采用2.0×2.0×0.5m混凝土预制块，采用预埋螺栓与钢管柱连接。

钢管桩贝雷梁组合支架采用Φ630×8mm钢管柱、三拼I45a工字钢组合横梁及贝雷梁进行搭设。钢管柱在横向间采用L63×63×4角钢螺栓连接［4］。

纵梁上采用铺设I20a工字钢作为分配梁，分配梁采用等强连接形式进行接长，在其上搭设WDJ型碗扣式支架以利于标高的调整。本文中钢管桩贝雷梁组合支架选择跨度大、梁底净空最大的第7联进行验算。

2.2 常用参数

支架体系所用的钢管规格及力学性能见表1，支架体系所用的工字钢、角钢规格及力学性能见表2，模板、钢筋、混凝土自重标准值及荷载分项系数如表3所示。

（1）Q235钢管规格及力学性能

（2）工字钢、角钢规格及力学性能

表1 Q235钢管规格及力学性能

表2 工字钢、角钢规格及力学性能

2.3 荷载计算

（1）荷载标准值及荷载分项系数。

按照JTG/T F50-2011《公路桥涵施工技术规范》

①新浇混凝土、钢筋、预应力筋或其他圬工结构物的自重Q1：箱梁自重采用26.0kN/m3；分项系数：γi=1.2；

②箱梁内模、底模、内模支撑及外模支撑荷载，按均布荷载计算，经计算取Q2=1.0kN/m2；分项系数：γi=1.2；

③施工人员及施工设备、施工材料等荷载Q3：采用1.0kN/m2；分项系数：γi=1.4；

④倾倒、振捣混凝土时产生的振动荷载Q4：对底板采用2.0kN/m2；分项系数：γi=1.4；

⑤支架自重Q5；分项系数：γi=1.2；可由Midas有限元软件自动计算得出。

⑥结构的重力加速度取10m/s2，恒载分项系数取1.2，活载分项系数取1.4。

（2）荷载组合。

表3 板、支架设计计算荷载组合

（3）支架布置形式。

南通东快速路高架工程跨人民路、通甲路采用预应力混凝土连续箱梁最大跨径为60m，梁体截面高度2.2m，顶板厚度均为0.25m。梁底荷载分布宽度为9.5m，翼缘板荷载分布宽度为3.5m。钢管桩采用Ф630×8mm的焊接钢管，每孔钢管桩纵向排距9m，共设置4排，每排钢管桩横向布置间距3.5m+3m+3m+3.5m。钢管桩上横向采用3拼I45工字钢作为分配梁，纵向设置贝雷片，贝雷片采用16Mn钢（Q345），屈服极限是345MPa，贝雷梁的上、下弦杆和加强弦杆均为2根10#槽钢（背靠背），竖杆和斜杆为8#工字钢，一榀贝雷梁的两片之间采用支撑架连接，支撑架由63×63×4型号的角钢联接而成，其横断面布置如图1所示。

图1 高架桥第7联箱梁钢管桩贝雷梁支架布置图（横断面）

2.4 计算模型

（1）模型建立。

贝雷梁有限元模型如图2所示。

图2 钢管桩贝雷梁有限元模型

建立有限元模型时，以顺桥向里程增大方向为X轴正向，竖直向上为Z轴正向，Y轴正向按照右手规则确定。支架钢管、方木、斜撑钢管采用梁单元进行模拟，模板采用板单元进行模拟，贝雷梁横向联接的支撑架、及钢管桩的横联采用桁架单元模拟，上部结构箱梁荷载采用压力荷载模拟。

（2）边界条件。

分别取实心梁段与空心箱室梁段进行有限元建模验算，验算时作用于模板上的均布荷载简化为6部分，分别为翼缘板、边腹板边腹板倒角、空心箱室、中腹板倒角、中腹板位置的均布荷载。

钢管顶部3拼I45工字钢钢管桩之间采用仅受压的弹性联接，工字钢和贝雷片之间采用共节点。由于贝雷片每榀之间均为销接，故采用梁端释放约束来模拟，钢管底部支撑平动Dx，Dy，Dz方向全部约束，转动Rx，Ry，Rz方向非约束。

荷载传递方式：由平面板单元的压力荷载传递给贝雷梁，再通过一般弹性连接传递给3拼I45工字钢，再通过共用节点由工字钢递给下方的钢管桩，钢管桩底部设置相应约束。

（3）贝雷梁强度检算。

贝雷梁在荷载作用下的应力云图如图3、图4所示，最大应力为185.1MPa，小于容许应力235MPa，贝雷梁强度满足要求。

（4）贝雷梁下拼工字钢强度检算。

贝雷梁下3拼I45工字钢（Q235）的等效应力云图如图5所示，最大等效应力为74.3MPa，小于工字钢允许应力205MPa，工字钢的强度满足要求。

图3 贝雷梁应力云图

图4 贝雷梁等效应力云图

图2-5 3拼I45工字钢等效应力云图

（5）钢管柱强度检算。

3拼I45工字钢下钢管桩的等效应力云图如图6所示，最大等效应力为49.4MPa，小于钢材容许应力205MPa，钢管桩的强度满足要求。

图6 钢管桩等效应力云图

2.5 刚度检算

贝雷梁在荷载作用下的竖向位移如图7所示，最大竖向位移f1=7.38mm。

考虑到贝雷片之间采用销钉连接，故考虑非弹性挠度f2，计算过程如下：

图7 贝雷梁竖向位移

式中 n为单跨最大（9m）贝雷梁所含贝雷片数目，即n=9m/3m=3。

f=f1+f2=7.38mm+4mm=11.38mm＜l/400=9000 mm/400=22.5mm，故贝雷梁刚度满足要求。

3拼I45工字钢梁及钢管桩的竖向位移如图8所示，从图8中可以看出工字钢梁的最大竖向位移为3.42mm，小于跨度（3m）的1/400，故工字钢梁的刚度满足要求。

图8 3拼I45工字钢及钢管桩竖向位移云图

x方向（纵桥向）最大位移发生在第一孔第二片贝雷梁下弦杆与腹杆交汇处，x方向最大位移为1.1mm，如图9。

图9 钢管桩支架整体横向位移云图

y轴方向（横桥向）最大位移发生自贝雷梁下弦杆与腹杆交接的位置，在钢管桩中间墩上方，y轴方向最大位移为1.15mm，如图10。

从计算可以看出在剪刀撑的作用下，钢管柱及贝雷梁的横纵向位移很小，剪刀撑在发挥稳定性方面具有重大作用。

图10 钢管桩支架整体纵向位移云图

2.6 地基验算

明挖扩大基础在强风化岩层埋深较浅，地表水不丰富时使用，要求基底承载力满足350 kPa。明挖扩大基础使用C20砼。由图11可以得到钢管桩的支反力，各钢管桩的支反力见表4、表5所示，基底平面尺寸为2×2m，表中基底最大反力是考虑了偏心距影响的基底压力。

图11 钢管桩竖向反力图

表4 各钢管桩反力计算表

表5 各钢管桩反力计算表

（1）基础承压验算。

根据有限元计算，钢管桩底部最大反力F1为766.70kN。反力通过底部垫板传递至混凝土基础，垫板尺寸为70×70cm，混凝土平均压力为：

故基础承压满足要求。

（2）地基承载力验算。

地基承载力：

Pz=（F1+Gk）/A=（766.70kN+29.3kN）/（2000mm×2000mm）=199kPa＜350kPa故地基承载力应大于199kPa。

（3）钢管桩稳定性计算。

钢管桩采用直径为630mm，壁厚8mm钢管。

钢管桩按照两端铰接计算，长度系数取1.0，计算长度取10000mm。

查表得稳定系数φ=0.866，钢管支架立杆按轴心受压进行计算。

σ=N/φA=766700/（0.866×15632.6）=56.63MPa

小于钢材的容许应力值，钢管满足要求。

为加强钢管支墩的刚度和整体稳定性，在钢管桩支墩中部处采用140mm槽钢设置2道纵横向连接（平联高度2500mm）。

3 结束语

通过Midas有限元软件对钢管柱贝雷梁支架系统的计算，得到以下结论：

（1）强度：贝雷梁最大等效应力为185.1MPa，三拼I45工字钢最大等效应力为74.3MPa，钢管桩最大等效应力为49.4MPa。

（2）刚度：贝雷梁最大竖向位移为7.38mm。

（3）地基承载力：各钢管桩下混凝土平均压应力最大者为1.5647MPa，基底最大压力为199kPa。

可见该支架体系分别满足强度、刚度、稳定性及地基承载力四方面的要求。

当前，国内外专家学者对支架系统的整体结构的力学分析和施工管理上的研究工作虽然做了一些研究，还存在着许多不足，系统还不够完善。本文通过对南通东快速路高架工程跨人民路、通甲路采用预应力混凝土连续箱梁钢管柱贝雷梁组合支架系统利用有限元软件建立数学模型，对支撑架系统中的各个组成部分进行了强度、刚度和稳定性分析，但因个人理论水平和实践经验有限，论文中不可避免的存在不足之处，展望下一步的工作，认为对以下几个方面还应该做进一步的研究和探索：

（1）在有限元分析中，对支架模型节点的模拟的选择。文中把节点处理为半刚性接，利用刚性折减系数进行模拟，还有必要通过有限元计算和实验对比来分析其可行性和准确性。

（2）通过进行支架系统极限承载力的现场试验，利用现场数据来验证理论计算方法的准确性和可靠性，研究分析在桥梁施工过程中导致支撑架系统可能失稳的模式和路径，推动支撑架系统承载力和稳定性的理论发展。

［1］ 梁方. 基于Midas_Civil的现浇箱梁单跨双层贝雷梁钢管柱支架设计及检算［J］. 工程建设与设计，2017（12）：20-23.

［2］ 刘旭伟. 贝雷梁便桥的检算及安全使用方法［J］. 贵州大学学报（自然科学版），2009，26（01）：120-142.

［1］ 陈树辉. 贝雷梁钢桥的检测与性能评估［J］. 福建建材，2017（06）：21-45.