大型复杂临时钢结构的设计要点

王有刚

(辽宁华通公路工程监理有限公司 沈阳市 110166)

在设计桥梁施工中的大型临时结构时，要综合考虑安全性、技术经济可行性。通过吉林省道大安至通辽公路嫩江大桥0#块支架设计，阐述大型临时钢结构设计要点，即应用有限元分析软件整体建模可得到精确结果；设计中应注重对压弯构件的计算；设计贯彻强柱弱梁、强节点弱杆件原则。

1 工程介绍

本次研究选取吉林省嫩江大桥作为案例，该桥起点位于大安市大赉乡老坎子，终点位于大庆市肇源县民意乡健民村，全长2268m，主桥为(70+2×120+70)m的预应力混凝土半刚构‐连续箱梁桥；主桥主墩采用双薄壁式墩，主桥边墩采用柱式墩。基础采用钻孔灌注桩基础，桩顶均设置承台与桥墩连接。

本桥共3个主墩，1#墩高13.02m，2#墩高17.21m，3#墩高16.54m，0#块中心高度7.0m。支架一般采用满堂支架、钢管支架、墩身托架，因本工程桥墩较高，0#块高度较大，根据经济技术指标对方案粗略比选，本工程选用墩身托架作为0#块支架。

2 支架结构

(1)墩两侧支架结构

在桥墩上预埋20mm厚钢板，在钢板上焊接双拼I40工字钢牛腿，在牛腿上安装三角托架。三角托架上横向搭设双拼I25工字钢横梁，其上搭设I25工字钢纵梁，然后铺设箱梁底模。牛腿和三角托架均设置在箱梁腹板下方。

(2)墩间支架结构

在桥墩上预埋20mm厚钢板，在预埋钢板上焊接双拼I56工字钢牛腿，在牛腿上搭设横向I60工字钢横梁，其上搭设工字钢纵梁，然后铺设箱梁底模。牛腿设置下箱梁腹板下方。

(3)支撑构件

在墩侧面预埋20mm厚钢板，在钢板上焊接I25工字钢托架，纵桥向搭设I25工字钢纵梁，用于支撑侧模板。

(4)托架制作

纵向托架用双拼I25工字钢焊接而成，墩侧面托架用I25工字钢焊接而成。具体托架半侧面见图1所示。

3 整体建模与分块建模对计算结果的影响

本桥中0#块支架既有梁构件，又有板构件，还有受拉、受压、拉弯构件、压弯构件。构件在简单的受力状态下，可以通过手动计算单元应力和内力。在0#块施工中，由于梁高是变化的，腹板、顶板、底板厚度也是变化的，这种情况下，梁单元受力情况很难通过简单的计算进行合理分配；同时，手动计算结构受力时都是从荷载位置向下逐步计算各构件应力和内力，其假设是下层构件不变形，而实际情况下层构件的变形会导致构件的受力重新分配。嫩江大桥0#块支架见图2所示。

嫩江大桥应用Midas/civil软件，通过对结构整体建立模型，可以很好地解决单元受力分配问题；同时也能很好地解决构件变形对构件受力重新分配额的影响。笔者尝试对结构分块建模和整体建模，得出的结果是有较大差异，以侧模板支撑纵梁为例，整体建模和分块建模最大组合应力见表1所示。

图1 托架半侧面图

图2 嫩江大桥0#块支架图

表1 整体建模和分块建模应力结果

通过表1可知，整体建模的最大组合应力为61.7MPa，分块建模的最大组合应力为84MPa，两种的计算结果相差26.5%。

4 压弯构件稳定性验算

受压构件同时有弯矩作用，或偏心受压的构件称之为压弯构件。受压构件在失稳的情况下会造成整个结构崩溃，对受压构件稳定性验算是至关重要的。加强对受压构件的验算，体现了强柱弱梁的设计理念：梁破坏属于构件破坏，是局部性的，柱子破坏将危及整个结构的安全，可能会整体倒塌，后果严重。0#块支架压弯构件包括三角托架竖杆和斜杆，利用软件计算得出杆件轴力和弯矩，根据《钢结构设计标准》GB50017-2017验算构件稳定性，计算过程繁杂，在此不赘述。

弯矩作用下的受压构件验算包括平面内构件稳定性验算和平面外稳定性验算，其理论表达式为：

(1)弯矩作用平面内构件稳定性验算

(1)

式中：N—所计算构件范围内轴心压力设计值；

φx—弯矩作用平面内轴心受压构件稳定系数；

Mx—所计算构件段范围内的最大弯矩设计值；

W1x—在弯矩作用平面内对模量较大受压最大纤维的毛截面模量；

βmx—在弯矩作用平面内稳定时的等效弯矩系数；

A—构件截面面积；

γx—截面塑性发展系数。

(2)弯矩作用平面外构件稳定性验算

(2)

式中：N—所计算构件范围内轴心压力设计值；

φy—弯矩作用平面外的轴心受压构件稳定系数；

A—构件截面面积；

η—截面影响系数，闭口截面取0.7，其它截面取1.0；

Mx—所计算构件段范围内的最大弯矩设计值；

φb—均匀弯曲的受弯构件整体稳定系数；

W1x—弯矩作用平面内最外受压纤维的毛截面抵抗矩。

5 重要节点的设计

结构设计另一个重要理念是强节点弱杆件。节点失效意味着与之相连的梁与柱都失效。

5.1 预埋钢板锚固筋计算

数量、规格、预埋深度。软件计算出预埋钢板节点弯矩、剪力，按照《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010进行计算。

预埋锚固钢筋应满足构造要求：预埋锚筋至锚板边缘的距离2d和20mm；预埋筋的位置应使锚筋位于外层主筋内侧；锚筋应位于构件外层主筋内侧；预埋件的受力锚筋直径不宜小于8mm，且不宜大于20mm；直锚筋数量不宜小于4根，且不易多于4排；锚筋与锚板采用穿孔塞焊。

锚筋的总截面面积按下列两个公式计算，并取其中的较大值：

(3)

(4)

式中：fy—锚筋的抗拉强度设计值；

V—剪力设计值；

N—法相拉力或法相压力设计值；

M—弯矩设计值；

αr—锚筋层数的影响系数，当锚筋按等间距布置时，两层取1.0，三层取0.9，四层取0.85；

αv—锚筋的受剪承载力系数；

αb—锚板的弯曲变形折减系数；

z—沿剪力作用方向最外层锚筋中心线之间的距离。

预埋件计算借助Excel编辑的小软件辅助进行，效果较好，本次就是利用Excel编辑的小软件进行计算，具体预埋件计算结果见图3所示。

图3 预埋件计算结果

5.2 焊缝计算

(5)

式中：σf—垂直于焊缝长度方向的应力；

τf—沿焊缝长度方向的剪应力；

βf—正面角焊缝强度设计值增大系数，对于承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构，βf=1.22，对于直接承受动力荷载的结构，βf=1.0。

6 结语

复杂桥梁施工中大型临时结构对工程造价、安全生产影响深远。经常发生的安全事故大多数与临时结构相关，钢栈桥垮塌、满堂支架倾覆事件经常发生。应用先进的有限元分析软件，可以大大提高计算精度，降低工程成本，保障安全。同时在大型复杂临时钢结构设计中，把握结构设计理念，分清主次，可以避免重大安全事故。