某海灣大橋主塔區(qū)臨時(shí)支架承載力研究

某海灣大橋主塔區(qū)臨時(shí)支架穩(wěn)定性研究摘要：某海灣大橋鋼箱梁采用大節(jié)段吊裝法施工，以鋼管支架作為臨時(shí)橋墩。本文建立了鋼管支架有限元模型，參照現(xiàn)行的橋梁規(guī)范，確定相關(guān)計(jì)算參數(shù)、工況和計(jì)算荷載，對(duì)支架進(jìn)行穩(wěn)定性分析。計(jì)算結(jié)果表明，此支架滿足穩(wěn)定性要求，且失穩(wěn)模態(tài)為平聯(lián)橫向局部失穩(wěn)。由于目前對(duì)于大噸位吊裝施工用組合式鋼塔架結(jié)構(gòu)的研究少見報(bào)道，本課題的研究可為此類施工塔架的設(shè)計(jì)與施工提供有益的參考。關(guān)鍵詞：大節(jié)段施工、鋼管支架、二階效應(yīng)、穩(wěn)定承載力1、引言隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，橋梁工程建設(shè)項(xiàng)目規(guī)模日益擴(kuò)大、結(jié)構(gòu)體系日益復(fù)雜，給施工帶來(lái)了復(fù)雜性和安全性問(wèn)題，而設(shè)計(jì)單位在設(shè)計(jì)時(shí)往往對(duì)結(jié)構(gòu)的使用狀態(tài)進(jìn)行分析計(jì)算，忽略了結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的不利狀態(tài)，特別是施工中使用的臨時(shí)支撐等受力結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，基本上全部由施工單位設(shè)計(jì)計(jì)算，而施工單位在這方面的能力又相對(duì)較弱，使得這方面的工程極易發(fā)生事故。國(guó)內(nèi)外橋梁施工中由于不重視臨時(shí)施工設(shè)施(臨時(shí)墩、支架、纜索、掛籃等)的設(shè)計(jì)而造成的橋梁事故的例子不勝枚舉，比如2004年南京賽虹橋立交橋、南京雙橋門高架、2007年廣州黃埔大橋臨時(shí)支撐坍塌事故、湖南湘西鳳凰縣堤溪沱江大橋臨時(shí)支撐的坍塌事故、越南南部某橋梁臨時(shí)支撐坍塌事故等均造成了巨大的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和負(fù)面影響。在大型懸索橋的施工過(guò)程中，臨時(shí)支架輔助施工往往是常用的施工方式，根據(jù)不同的環(huán)境，所采用的臨時(shí)支架施工方案也有不同[1-6]。本文以大型懸索橋鋼箱梁施工為例，分析了施工中臨時(shí)支架的穩(wěn)定性。2、工程概況某海灣大橋主線全長(zhǎng)26.707km，其中跨海大橋長(zhǎng)25.880km。本項(xiàng)目以其中一航道橋施工為背景進(jìn)行研究和應(yīng)用。該航道橋?yàn)椴粚?duì)稱獨(dú)塔四跨連續(xù)鋼箱梁自錨式懸索橋（見圖1），跨徑布置為80m+190m+260m+80m＝610m。該航道橋上部鋼箱梁為扁平流線型鋼箱梁，其節(jié)段標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度12m，主跨和邊跨梁中心高度均為3.6m，引跨鋼箱梁梁高3.2m，梁段寬47m。主纜在梁上的錨固區(qū)域鋼箱梁采用整體式箱梁，在中間位置梁加高到8.0m，同時(shí)兩側(cè)鋼箱梁完成從3.2m到鋼箱梁采用大節(jié)段吊裝法施工，采用鋼管支架作為臨時(shí)支承?？紤]到浮吊吊裝能力、吊高、吊幅、吊具設(shè)計(jì)、鋼箱梁加工運(yùn)輸?shù)雀鞣矫嬉蛩?，本橋鋼箱梁共劃分?4個(gè)大節(jié)段（N1～N24），其中錨固段8個(gè)（N13～N20），大節(jié)段16個(gè)（N1～N12、N21～N24），最大節(jié)段尺寸為18×72m，最大節(jié)段重量1020.342t。鋼箱梁吊裝順序按N1～N24進(jìn)行，從主塔開始向兩錨碇方向吊裝，同一橫斷面先吊內(nèi)海側(cè)再吊裝外海側(cè)鋼箱梁。鋼箱梁節(jié)段通過(guò)2600t浮吊吊裝至支架上。圖1該海灣大橋效果圖3、有限元模型的建立3.1有限元模型根據(jù)鋼箱梁大節(jié)段的位置和荷載情況，支架共分為5種，分別為錨固區(qū)支架、主塔區(qū)支架和3種臨時(shí)墩支架。支架總數(shù)量共計(jì)10個(gè)，其中錨固區(qū)支架2個(gè)，主塔區(qū)支架1個(gè)，臨時(shí)墩支架7個(gè)。鋼箱梁支架的結(jié)構(gòu)形式主要由鋼管立柱、平聯(lián)、斜撐和頂面分配梁型鋼等組成。在計(jì)算過(guò)程中對(duì)錨固區(qū)支架、臨時(shí)墩支架、塔區(qū)支架三類支架中結(jié)構(gòu)形式相同的支架進(jìn)行了歸類化。對(duì)于每一類支架中結(jié)構(gòu)形式相同的支架，在計(jì)算中選取所受荷載較大的支架進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算。通過(guò)對(duì)比，需要進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算的支架有主跨錨固區(qū)支架、邊跨錨固區(qū)支架、主塔區(qū)支架、臨時(shí)墩一支架，臨時(shí)墩二支架，臨時(shí)墩四支架。本文僅對(duì)主塔區(qū)臨時(shí)支架的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。采用有限元軟件建立主塔區(qū)臨時(shí)支架的有限元模型，主塔區(qū)支架采用2×10根Φ1.0m及2×6根Φ0.82m鋼管樁，；剪刀撐采用[]20a型鋼，平聯(lián)采用[]36a型鋼；鋼管立柱頂面設(shè)置2HN700×300mm/Q345和2HN700×300mm/Q345兩種型鋼作為樁頂橫梁。為保證鋼管支架的整體穩(wěn)定性，從承臺(tái)以上3.0m開始鋼管每5m圖2主塔區(qū)臨時(shí)支架有限元三維模型3.2作用于塔架上的荷載研究因施工過(guò)程變化，縱橫梁由于各自的相對(duì)獨(dú)立性，因此內(nèi)力不會(huì)明顯改變，故不考慮縱橫梁的受力。整個(gè)梁段架設(shè)過(guò)程中，鋼管樁的最高組合應(yīng)力-145.39MPa；平聯(lián)和斜撐的最大組合應(yīng)力為96.46MPa。正常工作狀態(tài)下，鋼管樁的最大組合應(yīng)力-120.5MPa，最大軸力為-3134kN，最大彎矩為-689,平聯(lián)斜撐最大組合應(yīng)力為82.36MPa。HN700×300臨時(shí)支座墊梁在豎向荷載作用下最高彎曲應(yīng)力122.97MPa，最高剪應(yīng)力135.05MPa。鋼管支架的總位移為33.71mm，其中橫向整體位移最大為28mm，縱向整體位移最大為12mm。在極限使用狀態(tài)下，鋼管樁的最大應(yīng)力-108.6MPa，最大軸力為2714.8kN，最大彎矩為639.3。平聯(lián)和斜撐壓應(yīng)力最大為-165.7MPa，拉應(yīng)力最大為170.7MPa。HN700×300支座墊梁在豎向荷載作用下最大彎曲應(yīng)力為104.7MPa，最大剪應(yīng)力為113.9MPa。結(jié)構(gòu)橫向整體位移最大為58mm。4.4穩(wěn)定性分析該航道橋鋼箱梁支架均采用各種規(guī)格的鋼管和型鋼搭設(shè)，材料均采用Q235a和Q345a鋼，根據(jù)公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(JTJ025-86)中規(guī)定，對(duì)于Q235材料的彎壓構(gòu)件，[τ]＝85MPa，[σ]＝140MPa，臨時(shí)結(jié)構(gòu)容許應(yīng)力可提高30％，材料容許應(yīng)力[σ]＝140×1.3＝182MPa，容許剪應(yīng)力[τ]＝85×1.3＝110MPa；對(duì)于Q345材料，[τ]＝145MPa，[σ]＝210MPa，臨時(shí)結(jié)構(gòu)容許應(yīng)力可提高30％，材料容許應(yīng)力[σ]＝210×1.3＝273MPa，容許剪應(yīng)力[τ]＝145×1.3＝188以下針對(duì)各類桿件進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算：（1）支座橫梁支座墊梁最大跨徑4m，按單根HN700×300計(jì)算。墊梁的最大軸力為37.2kN；最大彎矩694kN?m；構(gòu)件特性為：查表有：，滿足穩(wěn)定要求；（2）平聯(lián)平聯(lián)經(jīng)計(jì)算得桿件最高軸壓應(yīng)力70.32MPa。單支槽36a特性為，查表有：滿足穩(wěn)定要求；（3）斜撐斜撐經(jīng)計(jì)算得桿件最高軸壓應(yīng)力67.2MPa。單支槽20a特性為，查表有：滿足穩(wěn)定要求。（4）鋼管樁整體穩(wěn)定系數(shù)利用有限元軟件求解得到鋼管樁的彈性穩(wěn)定屈曲模態(tài)。計(jì)算結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)一階彈性屈曲模態(tài)為平聯(lián)橫向局部失穩(wěn)。表2給出了屈曲分析的相關(guān)信息，圖3~5給出結(jié)構(gòu)在極限承載狀態(tài)下的前六個(gè)屈曲模態(tài)。由此可見鋼管支架的失穩(wěn)模態(tài)為平聯(lián)橫向局部失穩(wěn)。表2屈曲因子分析類型屈曲模態(tài)數(shù)屈曲因子極限承載力(t)屈曲分析1-23286960-23.292-23315067-23.323-29453577-29.4544-29474914-29.475537453772.437.4546-38995628-38.996圖3屈曲分析1、2振型圖4屈曲分析3、4振型圖5屈曲分析5、6振型5結(jié)論本文分析得出在鋼箱梁吊裝過(guò)程中，施工荷載對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力不起控制作用，且由于鋼管樁的橫向位移，下部的平聯(lián)和斜撐受其影響較大，應(yīng)力也較高。通過(guò)對(duì)樁頂型鋼、平聯(lián)、斜撐的長(zhǎng)細(xì)比和穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，均能夠滿足規(guī)范要求，失穩(wěn)模態(tài)為平聯(lián)橫向局部失穩(wěn)。由于支架受風(fēng)荷載等水平力的作用，在考慮模型的二階效應(yīng)時(shí)，本文中通過(guò)施加假想水平力考慮P-δ效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。由于目前對(duì)于大噸位吊裝施工用組合式鋼塔架結(jié)構(gòu)的研究少見報(bào)道，本課題的研究有望為此類施工塔架的設(shè)計(jì)與施工提供有益的參考。參考文獻(xiàn)[1]鎮(zhèn)亦明.墩梁式支架法在某跨海大橋現(xiàn)澆箱梁施工中的應(yīng)用[J]，現(xiàn)代交通技術(shù)，2009（6）:62-64[2]于連營(yíng).時(shí)令河大橋箱梁現(xiàn)澆支架設(shè)計(jì)與施工[J],石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，22（2）：107-109[3]王蓉玲.萬(wàn)州長(zhǎng)江大橋臨時(shí)墩設(shè)計(jì)[J],物流工程與管理，2009，10（31）127[4]傅工范.廈門大嶝橋引橋箱梁移動(dòng)支架施工技術(shù)[J]，結(jié)構(gòu)工程師，2006，22（1）：91-94[5]王福興.京杭運(yùn)河常州鄒區(qū)大橋臨時(shí)支墩的設(shè)計(jì)與施工[J],鐵道勘察，2007,（1）：84[6]陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)設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