钢箱梁滑移施工期支撑体系受力特性分析

2021-11-05樊晓锋马进福屈旭宁

建筑施工 2021年7期

樊晓锋冀诚魏敏马进福屈旭宁

中国建筑一局（集团）有限公司西北分公司陕西西安 710075

为避免桥梁事故的发生，不少学者对相关事故的原因进行了分析。刘美铭[1]收集了国内外桥梁事故，从多个角度分析了桥梁事故，并给出了事故预防措施。王枫[2]等对2017—2019年国内外桥梁坍塌事故进行统计及原因分析。综合相关研究结果可以发现，施工过程中造成事故的主要原因是支架体系失稳、脚手架失稳。因此，施工前进行力学分析，保证支架稳定是实现安全施工的重要举措。

1 工程概况

陕西省西安市北辰大道快速化改造项目南起北二环，北至秦汉大道，整体地势南高北低，地面标高在275.87～403.61 m之间，道路全长约9.64 km，其中主线桥长约6.44 km。本文主要研究的是BC113—BC118路段，北辰大道主线落地平行匝道桥总长为175 m，上部结构形式采用钢箱连续梁，梁高1.8 m，共计1联钢箱梁，跨度17.5 m，桥梁西侧有330 V高压塔。

北辰大道主线落地匝道桥在西侧有高压电塔，吊装臂在安全距离之内，导致高压线产生电火花，有安全隐患，西侧不能采用吊装法施工。滑移施工设备工艺简单，施工速度快，费用低，自重轻，承载能力大且占用空间较小，施工时不影响正常通行。因此选择滑移法对西侧箱梁进行施工。钢箱梁采用Q345D材质，临时支架为Q235钢材。

2 数值模拟

一般工程的结构设计忽略了施工过程中多种因素相互影响产生的力学作用[3]，因此很多事故在施工过程中发生。为保证本项目安全完成，掌握滑移过程中临时支架的受力情况，了解施工薄弱环节，需要通过合适的有限元软件对箱梁滑移施工过程进行模拟。

2.1 建模过程

采用Abaqus对滑移过程进行模拟，首先对构件进行建模，箱体采用三维壳单元拉伸，支架采用beam单元建模。

本文滑移过程模拟分为5个工况[4]，工况1是箱梁在开始滑移位置处支架的受力分析，工况2是箱梁在支架最大弯矩处支架的受力分析，工况3是箱梁位于开始滑移位置的对称位置的支架的受力分析，工况4是箱体位于西侧支架腿上方的支架的受力分析，工况5是箱梁滑移过程完成的支架的受力分析。

2.2 数值模拟结果分析

图1为滑移完成时模拟结果应力云图。从云图上看，临时支架的应力都较小，最大应力值为59.24 MPa＜屈服强度235 MPa，支架足够安全，论证了滑移过程是安全的。观察不同工况云图，滑移轨道跨中位置处应力值始终较大。支架的最大应力在滑移轨道上，并且出现在箱梁位置附近，因为在箱梁附近滑移轨道的受力特别复杂，不仅承受箱体的重力，还要承受滑移过程中箱体和轨道的摩擦力，以及水平顶推力的反作用力。因此在设计推力时，既要保证箱体能够滑动，又不能使滑移轨道被破坏。由于滑移轨道的受力比较复杂，故应选择具有足够强度、刚度、稳定性的材料作为滑移轨道。

图1 滑移完成时模拟结果应力云图

3 施工监测

3.1 监测点的布置

监测点的布置方案如图2、图3所示。

图2 临时支架测点位置立面

图3 监测点布置

3.2 监测结果分析

3.2.1 横向构件应力值分析

横向构件的应力变化如图4、图5所示。在图4中，监测点的压应力不断增大，原因是箱梁逐渐滑移到监测点的位置使压应力逐渐增加。从图5中可以看出它们都产生了拉应力，而GB41、GB42产生的是压应力，原因是滑移过程中临时支架不仅承受箱梁的重力，还承受箱梁和滑移轨道之间的摩擦力和水平推力的反作用力。滑移轨道直接承受水平推力，并将部分水平力传递给方管，导致方管产生较大的拉应力。方管将水平力消耗完毕几乎不再向下传递，滑移梁主要承担箱梁的重力，所以产生了压应力。因为滑移轨道是直接的受力构件，所以滑移轨道会分担较多的力，在数值模拟的云图中也能够看出滑移轨道的应力值最大，因此滑移轨道选择材料时需要强度、刚度、稳定性比较好的材料。从图5中可以看出方管稳定性相对差一些，在65 min附近处方管的应力突增，原因是滑移当时出现一些啃轨现象，使得方管应力值发生较大的波动。

图4 滑移轨道、滑移梁、方管测点应力变化1

图5 滑移轨道、滑移梁、方管测点应力变化2

3.2.2 竖向构件应力值分析

竖向构件的应力变化如图6、图7所示。图中H1、H2拉应力逐渐增加，原因是箱梁从偏西侧位置继续向西侧滑移，箱梁自重较大，在向西侧滑移时，导致临时支架重心偏移，由于有重心偏移现象的产生，东侧立杆产生拉应力。H3、H4测试区域的立杆在箱梁逐渐靠近过程中，由原本所受的拉应力转变成压应力。立杆的高度只有5 450 mm，加上中间有横撑和斜缀条对立杆进行加固，相对安全，立杆的转化率较低可适当减少立杆的厚度。注意滑移到位时立杆下测点应力值的变化，判断临时支架是否会因为偏心而导致应力值过大，造成安全事故。

图6 立杆H1、H4测点应力变化

图7 立杆H2、H3测点应力变化

3.2.3 斜向构件应力值分析

斜向构件的应力变化如图8所示，在滑移监测的整个阶段，斜撑的受力趋势不同，有拉应力增加的趋势，也有压应力增加的趋势，YXB1是箱梁在初始位置开始滑移时应力的变化，应力曲线振动，原因是斜撑接地，监测时有车流经过。B1BB、B2BB的压应力不断增加，原因是箱梁逐渐滑移到斜撑上部端点位置。

图8 斜撑L3、L4，斜缀条L5、L6测点应力变化

从图8中看，斜缀条上的应力比较小，斜缀条和横撑的主要作用是加固立杆的稳定性，斜缀条、横撑和立杆可以组合构成稳定的三角形结构。斜缀条的力主要是立杆传递下来的，斜缀条应力小，说明立杆的稳定性较好。

3.2.4 监测结论

监测数据在处理过程中的基本假定：强度设计值215 MPa，假设钢管为弹塑性材料，钢管在滑移过程中始终没有进入塑性阶段，钢管的弹性模量为2.1×105MPa。

上述各图中列出了各施工阶段结构应力变化，应力值没有超出屈服强度值，从结构滑移施工阶段应力变化情况可看出：结构施工阶段应力变化也是随着滑移过程的进行而不断发展的，随着滑移的进行，支架不同部位产生不同的应力变化，但从监测数据可以看出滑移过程是安全的，应力基本维持在一个比较稳定的安全范围，在数值分析中也得到了这样的结果。从Q235B钢材来说，可以判定结构的强度储备较大，从施工安全控制方面来说，强度控制难度较低，滑移过程中结构受力情况较好。滑移轨道和滑移梁的两端虽然受滑移过程的振动影响，但影响较小，不必过分加固。

斜缀条对立杆的稳定性起着一定的作用，在后期立杆H1、H2出现拉应力的情况时，应注意滑移过程后期是否出现倾覆的现象。斜撑的受力是不稳定的，有协调临时支架受力的作用，所以结构中斜撑的设置是必要的。多注意滑移监测数据最大应力值出现的部位，可为以后的滑移过程提供帮助。

4 数值模拟与监测结果对比分析

将Abaqus模型中箱梁滑移到图9各点位置处得到的应力数据与现场滑移过程相同位置处实时监测到的应力数据进行对比分析，数据变化如图10所示。

图9 模拟测点

图10 数值模拟与实测点应力对比曲线

从图10可以看出，滑移到某位置时，各监测点的应力监测值和有限元数值分析的结果大致相同，数值模拟结果和实测结果的应力变化趋势是相同的，图10模拟值与实测数据有一些差异，但差值很小，主要原因是监测点处于轨道的端点处，约束较小，容易受滑移过程的影响，比如滑移产生的振动，模拟是比较理想的情形，没有考虑滑移产生振动的影响，但总体是和实测结果相似的，模拟数值和监测数值的应力都较小，完全能够满足安全要求。通过以上图形可以看出，数值模拟分析得到的应力值比实测应力值偏大，说明Abaqus模型有较好的预测性，可以准确地模拟实际工程。