满堂支架法施工0#块箱梁整体计算分析与监测方案优化

2018-07-04林群辉

福建交通科技 2018年3期

■ 林群辉

（1.福建省交通科学技术研究所；2.福建省公路工程试验检测中心站，福州 361000）

0 引言

近年来，随着城市的版图不断向外扩张，城市环线的工地如雨后春笋般拔地而起，城市立交桥是环线的主要构成。由于城市立交桥墩柱高度往往较小，且大型机械设备无法在市区内拼装、参与施工。满堂支架因其构造简单、安装方便、承载力大、不需要大型吊装设备等优势已成为目前桥梁上部结构连续箱梁采用最多、最普遍的施工支架体系。然而施工过程中可能会出现支架体系局部失稳甚至整体垮塌等严重质量安全事故，这些大多是因为没有充分考虑支架体系整体性，而且未采取必要的监控手段进行安全预警。因此，在实际工程中有必要对满堂支架体系整体承载能力进行分析验算[1-3]。本文基于满堂支架施工有限元模型计算，制定现场监控方案，优化现场监控的内容，为类似工程提供借鉴和参考意义。

本文针对某市政环线工程双线特大桥0#块满堂支架结构建立有限元模型，首先计算分析满堂支架体系在自身重量、梁体混凝土自重、施工荷载以及风荷载等荷载组合作用下的应力与位移变化规律，再指导优化满堂支架施工中监控测点的布置以及预警值设定，为安全施工提供技术依据。

1 工程概况

某市政环线双线特大桥全长1037.95m，20#、21#墩主跨跨越河道与河道斜交，斜交角度36°。主桥为三跨连续箱梁，桥跨布置为（68+120+68）m，主跨设计长度120m。0#块梁体为单箱单室、斜腹板、变高度、变截面结构，采用满堂支架现浇施工。

满堂式支架采用碗扣式支架作为现浇连续箱梁的支撑体系。钢管支架主要由立杆、横杆、剪刀撑和斜撑等组成。支架搭设形式本现浇段碗扣杆件采用二种组合形式进行纵横向搭设，分别为：30cm×30cm，60cm×60cm。现浇段腹板（7m宽）垂直下方采用30cm（纵向）×30cm（横向）、底板、翼缘板及工作平台（4.65m宽）采用60cm（纵向）×60cm（横向），纵向长度14.4m。横杆步距为60cm。考虑到支架的整体稳定性，在纵向、横向每3m设通长剪刀撑1道，并于箱梁腹板外侧设斜撑。

2 有限元模型建立

连续梁主墩20#墩高18.5m，21#墩高16.5m，建模时以20#主墩0#块为研究对象。采用大型有限元软件Midas/Civil建立有限元分析模型。根据国内文献中所提到的，对模型进行简化计算分析，将横杆与立杆之间的连接设置为刚接，假定连接节点具有足够的刚度，相交的构件间的转角不变，即默认横杆也能很好的传递弯矩[4]。全桥满堂支架有限元模型如图1～图3所示。

有限元模型荷载及材料参数设定如下：

（1）上部结构梁体自重：梁体容重取 26.5kN/m3，截面尺寸参考设计图纸，模拟实际施工中支架顶托承受的上部荷载。

图1 模型整体效果图

图2 支架布置轴侧图

图3 支架布置正视图

（2）支架：体系钢管规格为Q235A级Φ48×3.5mm碗扣式脚手架，弹性模量E=2.0×105MPa，其技术性能和构造要求符合《建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范》的相关规定。

（3）根据施工现场条件，得到以下施工临时荷载：

①施工人员、机械：Q1=2.0 kN/m2；

②混凝土振捣器：Q2=2.0 kN/m2；

③横向风力：Q3=1.0 kN/m2；

④纵向风力：Q4=0.4 kN/m2；

⑤模板重：Q5=2.0 kN/m2；

⑥方木重：Q6=2.0 kN/m2。

（4）对以上施加于满堂支架的各荷载进行组合，分析荷载组合为：荷载组合（CB1）：竖向荷载+0.5×（横向荷载+竖向荷载）。

其中：

① 竖向荷载（SX）：梁体重量+支架自重+施工临时荷载（Q1、Q2、Q5、Q6）；

② 横向荷载（HX）：横向风荷载；

③ 纵向荷载（ZH）：纵向风荷载。

3 有限元荷载工况分析

根据有限元模型分析结果可以得到，在荷载组合（CB1）作用下，满堂支架模型最大位移为DX=2.142mm、DY=3.756mm、DZ=4.856mm（分析见图 4）；最大轴向应力为 5.15MPa（分析见图 5）；支架最大组合应力为：94.47MPa＜205MPa，安全系数：2.17（分析见图 6）；支座最大反力：29.7kN（分析见图7）。结果表明，满堂支架的强度能够满足施工要求。

图4 支架受力变形图（荷载CB1）

图5 梁单元轴应力图（荷载CB1）

图6 梁单元组合应力图（荷载CB1）

图7 支座反力图

4 支架整体稳定性验算

以荷载组合CB1为基本荷载，研究支架整体稳定性，共取3阶屈曲模态。

模态1：支架一阶临界荷载系数为34.13，由图8可知，一阶屈曲为墩顶处支撑底板支架纵向失稳。

模态2：支架二阶临界荷载系数为36.92，由图9可知，二阶屈曲为纵向墩旁底板支撑支架纵向失稳。

模态3：支架三阶临界荷载系数为36.93，由图10可知，三阶屈曲为纵向墩旁底板支撑支架纵向失稳。

图8 支架屈曲模态图（模态1）

图9 支架屈曲模态图（模态2）

图10 支架屈曲模态图（模态3）

5 满堂支架施工监控优化

为保证碗扣式满堂支架的施工安全性，在0#块施工过程中，需要布置应力应变传感器，进行应力应变的监控测量。监控从支架搭设完毕开始至0#块预应力钢束张拉完全。

依据有限元计算模型的分析结果，有目的地指导监控测点的布置。该方案原计划设置4个监测断面。根据有限元模型分析结果，全桥设置2个监测断面即可，其中每个断面的立杆、横杆和斜向剪刀撑上布置传感器。两个断面顶分别设置变形监测测点，用于监测满堂支架的整体变形情况。优化后的方案大大减少了施工监控的数据量，对施工现场情况能够作出快速、准确的判断，加快了施工进度。同时，根据各施工阶段的应力应变理论值设置现场预警阀值，保障施工过程中的安全。