1～50 m单箱双室钢箱梁桥支架搭设与受力验算

申铁军,陈 潇,李建军,王明洁,胡 杨

(1.山西路桥建设集团有限公司, 山西 太原 030006;2.武汉理工大学材料科学与工程学院,湖北 武汉 430070;3.山西路桥第三工程有限公司, 山西 太原 030006;4.大连交通大学土木工程学院,辽宁 大连 116092)

0 引 言

以山西省长治市沁源大桥为背景,采用有限元软件midas建立支架模型并进行整体分析。山西省长治市沁源大桥上部钢箱梁孔跨布置为1～50 m,采用全焊接单箱双室钢箱梁桥;主梁顶宽12.5 m,底宽8.55 m,箱梁底板为平坡,顶板坡度为桥梁横坡。考虑到为消除钢箱梁自重作用和部分活载作用引起的梁体下挠,各跨钢梁加工制造时设置预拱度,主梁立面线形包括设计曲线和预拱度曲线两部分,因此钢箱梁应按两部分的叠加曲线进行加工制作,钢梁在成桥状态下各跨钢箱梁呈现向上微拱,钢梁平面线形按设计道路中心线拟定[1]。开始加工前需要首先对施工图进行详图转化。详图转化中针对钢箱梁结构复杂、焊缝交错和焊接收缩量大的特点,再结合钢桥预起拱值和焊接收缩余量,利用CAD采用计算机实体放样,确定各零部件尺寸,确 保生产制作精确和现场顺利安装。李宁[2]利用有限元通用软件midas进行支架受力分析,旨在分析钢箱梁桥在施工过程中整体受力状态、局部区域详细受力状态是否为安全稳定状态。胡侃[3]分多种工况对支架进行了受力分析,总结各类荷载对结构的影响,确保了临时支架在施工过程中的安全。杨刚[4]认为在对钢箱梁桥支架的强度、稳定性进行验算的同时,要对支架的地基承载力进行验算。

1 支架搭设

(1)支架。

本工程中搭设的临时承重支架为7 500 mm×2 000 mm的钢支架,材料为现有周转材料。其中主管规格为Φ470 mm×10 mm,平撑规格为[10,斜拉杆规格为[8,顶部为双拼40型工字钢,工字钢之间双面采用250 mm×200 mm×12 mm加劲板焊接连接,间距2.5 m,双拼40型工字钢,宽度284 mm,长度11.5 m,工字钢上方设置高度调整管,规格为Φ270 mm×10 mm。支架搭设高度根据现场勘测确定,搭设时使用双排钢支架进行安装。支架沿高度方向上每3 m设置一根斜撑,支架顶部探出工字钢上立Φ270 mm×10 mm钢管,支撑悬挑,起保护作用。钢梁分段位置在距横隔板2 mm范围内,保证临时支架支撑梁体过程中不产生较大弯矩变形。

(2)基础。

支架底部设置混凝土基础,混凝土等级C30,尺寸为3 500 mm×2 000 mm×500 mm。

2 支架受力计算

2.1 计算说明

(1)材料。

该支架中立柱采用Φ470 mm×10 mm钢管,平撑规格为[10,斜拉杆规格为[8,支架顶端采用40双拼工字钢,工字钢上部设有调整钢管,规格为Φ170 mm×16 mm。材料均为Q235,抗弯强度设计值为215 MPa,抗剪强度设计值为125 MPa。

(2)荷载。

①恒载:支架自重。

②活载:选择最不利工况进行分析。钢箱梁节段重量,最大节段长度19.2 m,重量120 t,吊装高度19 m。六点受力,单点受力大小为120/6=20 t,荷载组合:1.2×恒载+1.4×活载。

③计算模型使用midas 2019建立支架有限元分析模型,支架底部与基础用膨胀螺栓连接,建立模型时支架底部固结(边界条件设置为限制全部自由度)。模型如图1所示。

图1 支架模型图

(3)支架受力分析。

支架作为钢箱梁吊装临时支撑,受力特点为随着钢箱梁安装受力逐渐增大直至该支架上全部钢箱梁吊装完成后支架受力达到峰值。因此对支架进行有限元模拟分析,以求得支架在荷载作用下的受力状况。

支架各结构剪应力与弯曲应力如下。

①立柱剪应力最大值为0.34<125 MPa;

②平拉剪应力最大值0.41<125 MPa;

③斜拉剪应力最大值0.45<125 MPa;

④立柱弯曲应力最大值为2.4<215 MPa;

⑤双拼工字钢弯曲应力1.6<215 MPa;

⑥平拉弯曲应力3.06<215 MPa;

⑦斜拉弯曲应力5.14<215 MPa。

通过以上分析,计算得剪应力最大值为0.48<125 MPa,弯曲应力最大值为5.14<215 MPa,位移1.43 mm<(2 000/400=5 mm),满足要求。

2.2 稳定性计算

K0=稳定力矩/倾覆力矩=y×Ni/ΣMw;分配梁总重:2.85 t;立柱总重:16 t;

故Ni=(2.85+16)×9.8=185 kN;

稳定力矩=y×Ni=9.5×185

=1 757.5 kN·m;

风荷载计算:WK=0.7uz×1us×1w0=0.7×1.38×1.2×0.8=0.927 kN/m。

支架迎风面考虑为镂空形式,按接触面积计算直接迎风面受力,风力为:q=0.927×(0.4×10.5+19×0.235×3.14×3)=42.88 kN;倾覆力矩=q×26.8=42.88×26.8=1 149 kN·m。

K0=稳定力矩/倾覆力矩=1 757.5/1 149=1.53>1.3,支架抗倾覆性满足要求。

2.3 计算结论

综上可知,结构最大剪应力为0.48 MPa,最大弯曲应力为5.14 MPa,最大位移为1.43 mm,均满足支架材料及结构受力要求,稳定性也符合要求。支架在加工及安装时应保证按相关规范要求执行,以保证支架结构安全。

3 支架基础承载力验算

支架基础采用独立扩大基础,纵桥向每两根立柱下设一组基础,全桥共6组基础,长度为3.5 m,宽度2 m,高度0.5 m,基础顶面预埋3 m×1 m×16 mm钢板。基础混凝土等级C30。基础底层布置一层钢筋网片,钢筋采用Φ14 mm的热轧带肋钢筋,钢筋纵横向间距均为200 mm。

3.1 单阶矩形底板基础尺寸

(1)基础尺寸:长3 500 mm,宽2 000 mm,高500 mm。

(2)混凝土强度等级:C30,fc=14.30 N/mm2;ft=1.43 N/mm2;钢筋级别:HPB300,fy=270 N/mm2。配筋计算:简化法基础纵筋混凝土保护层厚度40 mm;基础与覆土的平均容重20.00 kN/m3;正后的地基承载力特征值300 kPa;基础埋深0.10 m;作用力位置标高0.000 m。

3.2 计算过程和计算结果

(1)基底反力计算。

①统计到基底的荷载。

标准值:Nk=400.00 kN,Mkx=0.00 kN·m,Mky=0.00 kN·m;

设计值:N=400.00 kN,Mx=0.00 kN·m,My=0.00 kN·m。

②承载力验算时,底板总反力标准值(相应于荷载效应标准组合)为

pkmax=(Nk+Gk)/A+|Mxk|/Wx+|Myk|/Wy

=(400.00+14.00)/7.00+0.00/2.33+0.00/4.08=59.14 kPa;

pkmin=(Nk+Gk)/A-|Mxk|/Wx-|Myk|/Wy

=(400.00+14.00)/7.00-0.00/2.33-0.00/4.08=59.14 kPa;

pk=(Nk+Gk)/A=59.14 kPa。

各角点反力p1=59.14 kPa,p2=59.14 kPa,p3=59.14 kPa,p4=59.14 kPa。

③强度计算时,底板净反力设计值(相应于荷载效应标准组合)为

pmax=N/A+|Mx|/Wx+|My|/Wy

=400.00/7.00+0.00/2.33+0.00/4.08

=57.14 kPa;

pmin=N/A-|Mx|/Wx-|My|/Wy

=400.00/7.00-0.00/2.33-0.00/4.08

=57.14 kPa;

p=N/A=57.14 kPa。

各角点反力p1=57.14 kPa,p2=57.14 kPa,p3=57.14 kPa,p4=57.14 kPa。

(2)地基承载力验算。

pk=59.14≤fa=300.00 kPa,满足需求。

pkmax=59.14≤1.2×fa=360.00 kPa,满足需求。

3.3 基础抗冲切验算

(1)按破坏锥体单侧截面验算。

抗冲切验算公式为

Fl≤0.7×βhp×ft×Ac

(1)

冲切力Fl根据最大净反力pmax计算,并减去底板顶面计算范围内的柱子的轴力。

Fl=pmax×Al-∑N

(2)

当柱子中心落在计算范围内时,减去其轴力;当柱子中心落在计算范围边线上时,减去其轴力的一半。柱1:竖向轴线编号1,横向轴线编号A。

①左、右侧截面。

破坏锥体未穿过底板底面,冲切荷载为零,不需要验算该截面。

②上、下侧截面。

没有柱子的中心落在冲切荷载基顶计算范围内;没有柱子的中心落在冲切荷载基顶计算范围边缘。

冲切力Fl=pmax×Al-∑N=57.14×0.16-0.00=9.00 kN,抗冲切力=0.7×βhp×ft×Ac=1 531.53 kN,冲切力小于抗冲切力,该截面冲切验算满足需求。

(2)按单柱破坏锥体整体验算。

按单柱破坏锥体整体抗冲切验算公式为

N-p×Al≤0.7×βhp×ft×Ac

(3)

式中:N为柱子竖向轴力设计值,kN;p为冲切破坏锥体底面平均净反力,kPa;Al为冲切破坏锥体底面面积,m2;βhp为抗冲切截面高度影响系数,h≤800 mm时取1.0,h≥2 000 mm时取0.9,其间按线性内插法取值;ft为混凝土轴心抗拉强度设计值,N/mm2;Ac为抗冲切截面水平投影面积,m2。

4 结束语

在多种工况对支架进行了受力分析,总结各类荷载对结构的影响,确保了临时支架在施工过程中的安全。在对钢箱梁桥支架的强度、稳定性进行验算的同时,要对支架的地基承载力进行验算,1～50 m单箱双室钢箱梁桥支架搭设推广应用的新型材料在试验段完成后及时对设备组合、指标参数、工艺工序等技术要点进行了总结,可为规模化应用提供数据支撑;施工时应详细调查项目所在地的钢结构材料种类、分布情况,根据工程进度计划,将钢箱梁桥支架拟使用的种类、使用部位、使用数量详细分解到每个月度并对实施进度进行管理,按期核算完成情况并对钢箱梁桥支架利用成本进行动态测算,包括钢箱梁桥支架月度结算工作开展情况、钢结构材料的供应使用情况等。总之,钢箱梁桥支架的配置应本着实用、经济、可靠的原则,提高管理效率和水平;施工中应通过多种监控手段的运用,确保施工环境的安全、舒适与机械设备的运行高效、节能;同时对钢箱梁桥支架搭设的现场施工工艺、控制参数进行管控,保证规模化应用的实现。