大节段钢箱梁钢管柱支架设计
2020-10-31王刚
王 刚
(中国建筑第七工程局有限公司，河南 郑州 450004)
1 工程概况
钢箱梁具有强度高、重量轻、整体性好、便于工厂化制作等特点，现大跨径桥梁越来越多采用钢箱梁形式。本文结合一市政跨路桥梁钢箱梁支架设计进行了论述。在钢箱梁桥吊装施工过程中，需要临时支架支撑各个分块，然后焊接成整体来完成最后的施工过程。为保证某跨路钢箱梁的施工安全，对钢箱梁临时支架安全性进行分析。现场采用钢立柱、H型钢、角钢等相互连接的方法构建临时支架，用MIDAS Civil进行仿真分析，用极限状态法验算临时支架受力及变形，分析得到临时支架应力和变形情况，指导现场施工。
工程实例为市政桥梁钢箱梁施工项目，本桥上跨一道路。桥梁跨径布置为(50+80+50)m，桥宽为10 m，钢箱梁采用连续变高粱，梁高2.3～3.6m，悬臂长度1.55 m，悬臂根部厚0.45m。横桥向设置2%的单向横坡，最大梁段长度18.792 m，最大梁段重64 853.4 kg。钢箱梁临时支撑体系采用Q235钢材。
2 临时支架设计与验算
2.1 临时支架结构设计
临时支架结构见图1。
图1 临时支架结构图
由横梁(分配梁)及临时支架组成，横梁(分配梁)采用热轧H型钢HM440×300×11×18制作，临时支架采用Φ273×8mm钢管，中间横、斜撑采用角钢L75×75×5连接成整体，本工程支架(含横梁)最高约10.2 m。
根据节段划分图，临时支撑设置在节段与节段对接环口处；梁段与临时支撑间放置调节支墩，其主要用于钢箱梁吊装时调节钢箱梁标高和安装结束后进行钢箱梁整体卸载。支架落在加固地面上，加固地面需将坡度找平，临时支架底部采用4块钢板铺垫，四周采用M16×150膨胀螺栓与混凝土路面固定。临时支架平面布置图见图2。
图2 临时支架平面布置图
2.2 临时支架应力验算
1)应力验算选取参数见表1。
表1 Φ273钢管柱的参数表[1]
按照最大荷载137 t计，为支架最不利荷载情况。吊装梁段的自重荷载通过分配梁传递到立柱上，立柱和分配梁之间属于刚性连接。由于吊装阶段是动态过程，计算荷载乘以1.4的安全系数。每个吊装阶段有10个调节点，因此，节段重量作为集中荷载加载在分配梁上，每个节点重量为：137×1.02×1.4÷10=19.6 t。
支架重量乘以1.4的安全系数，建模时计算软件作为自重荷载加载。
2)建立模型。采用MIDASCivil2006建模，各杆件采用空间梁单元模拟。材料采用Q235，截面与设计图纸相同。根据结构支撑条件，假定立柱的柱脚不发生沉降和转动，因此约束节点6个自由度[2]。
根据支架的支撑条件，主拱荷载作为节点集中力加入，立柱和分配梁作为自重加载。根据相关文件的要求，施工荷载的不均衡系数，梁段自重和支架自重分项系数取1.4[3]。
临时支架立柱的计算模型如图3所示。
图3 施工支架计算模型图
3)支架计算。
通过有限元建模分析，分两种工况进行计算，第一种是两侧横梁受力，第二种是一侧横梁受力进行计算：
(1)工况一：两侧横梁受力。
①强度验算。最大应力为47.3 MPa，小于允许值205 MPa，满足强度要求，输出计算图形见图4。
图4 应力图(单位：MPa)
②刚度验算。施工支架分配梁最大变形为2.8 mm，S=L/500=1950/500=3.9在弹性范围内，施工临时支架刚度满足要求，变形图见图5。
图5 变形图(单位：mm)
③稳定性验算。支座反力图见图6。
图6 支座反力图(单位：t)
最大支反力位26.9 t，钢管柱按一端铰接一端固定计算：
长细比=l/i=9600/9.37=102.5
查钢结构设计规范得Φ=0.445
钢管柱最大抗压强度为：
结构支架满足稳定性要求。
(2)工况二：单侧横梁受力
①强度验算。
最大应力为48.7 MPa，小于允许值205MPa，满足强度要求，输出计算图形见图7。
图7 应力图(单位：MPa)
②刚度验算。施工支架分配梁最大变形为2.9 mm，S=L/500=1950/500=3.9在弹性范围内，施工临时支架刚度满足要求，变形图见图8。
图8 变形图(单位：mm)
③稳定性验算。支座反力图见图9。
图9 支座反力图(单位：t)
最大支反力位26.5 t，钢管柱按一端铰接一端固定计算：
长细比=l/i=9600/9.37=102.5
查钢结构设计规范得Φ=0.445
钢管柱最大抗压强度为：
结构支架满足稳定性要求。
3 结论及建议
3.1 结 论
通过MIDASCivil2006仿真计算表明：临时支撑结构的刚度、强度及稳定性满足施工要求。
3.2 对现场施工建议
1)临时支撑结构的基础应按要求施工，同时注意基础的保护，防止地基泡水。
2)钢箱梁吊装前，建议对临时支撑结构进行预压，合格后进行吊装。钢箱梁预起拱时应考虑临时支撑结构的竖向变形。
3)部分临时支撑在斜坡面上的临时支撑结构基础，建议将原土体挖至水平面或者做成阶梯状，避免基础沿斜坡面方向不稳定。
4)地基承载力不低于基础计算要求值。
5)本计算未考虑材料折旧等因素影响，要求支架安装精度满足现相关规范要求。
6)支架搭设过程中应保证钢管位置偏差满足设计要求，重要节点连接应严格按照图纸要求施工。
7)支架使用过程中应定期检查，发现桩基沉降过大、支架明显变形应立即停止作业并采取对应措施处理。
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