某海灣大橋主塔區(qū)臨時支架承載力研究

某海灣大橋主塔區(qū)臨時支架穩(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，確定相關計算參數(shù)、工況和計算荷載，對支架進行穩(wěn)定性分析。計算結(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)的研究少見報道，本課題的研究可為此類施工塔架的設計與施工提供有益的參考。關鍵詞：大節(jié)段施工、鋼管支架、二階效應、穩(wěn)定承載力1、引言隨著科學技術的發(fā)展，橋梁工程建設項目規(guī)模日益擴大、結(jié)構(gòu)體系日益復雜，給施工帶來了復雜性和安全性問題，而設計單位在設計時往往對結(jié)構(gòu)的使用狀態(tài)進行分析計算，忽略了結(jié)構(gòu)在施工過程中的不利狀態(tài)，特別是施工中使用的臨時支撐等受力結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，基本上全部由施工單位設計計算，而施工單位在這方面的能力又相對較弱，使得這方面的工程極易發(fā)生事故。國內(nèi)外橋梁施工中由于不重視臨時施工設施(臨時墩、支架、纜索、掛籃等)的設計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支撐坍塌事故、湖南湘西鳳凰縣堤溪沱江大橋臨時支撐的坍塌事故、越南南部某橋梁臨時支撐坍塌事故等均造成了巨大的人員傷亡、財產(chǎn)損失和負面影響。在大型懸索橋的施工過程中，臨時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，分析了施工中臨時支架的穩(wěn)定性。2、工程概況某海灣大橋主線全長26.707km，其中跨海大橋長25.880km。本項目以其中一航道橋施工為背景進行研究和應用。該航道橋為不對稱獨塔四跨連續(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)段標準長度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支承。考慮到浮吊吊裝能力、吊高、吊幅、吊具設計、鋼箱梁加工運輸?shù)雀鞣矫嬉蛩兀緲蜾撓淞汗矂澐譃?4個大節(jié)段（N1～N24），其中錨固段8個（N13～N20），大節(jié)段16個（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種臨時墩支架。支架總數(shù)量共計10個，其中錨固區(qū)支架2個，主塔區(qū)支架1個，臨時墩支架7個。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。在計算過程中對錨固區(qū)支架、臨時墩支架、塔區(qū)支架三類支架中結(jié)構(gòu)形式相同的支架進行了歸類化。對于每一類支架中結(jié)構(gòu)形式相同的支架，在計算中選取所受荷載較大的支架進行復核驗算。通過對比，需要進行復核驗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、臨時墩一支架，臨時墩二支架，臨時墩四支架。本文僅對主塔區(qū)臨時支架的穩(wěn)定性進行分析。采用有限元軟件建立主塔區(qū)臨時支架的有限元模型，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，從承臺以上3.0m開始鋼管每5m圖2主塔區(qū)臨時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程變化，縱橫梁由于各自的相對獨立性，因此內(nèi)力不會明顯改變，故不考慮縱橫梁的受力。整個梁段架設過程中，鋼管樁的最高組合應力-145.39MPa；平聯(lián)和斜撐的最大組合應力為96.46MPa。正常工作狀態(tài)下，鋼管樁的最大組合應力-120.5MPa，最大軸力為-3134kN，最大彎矩為-689,平聯(lián)斜撐最大組合應力為82.36MPa。HN700×300臨時支座墊梁在豎向荷載作用下最高彎曲應力122.97MPa，最高剪應力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)和斜撐壓應力最大為-165.7MPa，拉應力最大為170.7MPa。HN700×300支座墊梁在豎向荷載作用下最大彎曲應力為104.7MPa，最大剪應力為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，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)設計規(guī)范(JTJ025-86)中規(guī)定，對于Q235材料的彎壓構(gòu)件，[τ]＝85MPa，[σ]＝140MPa，臨時結(jié)構(gòu)容許應力可提高30％，材料容許應力[σ]＝140×1.3＝182MPa，容許剪應力[τ]＝85×1.3＝110MPa；對于Q345材料，[τ]＝145MPa，[σ]＝210MPa，臨時結(jié)構(gòu)容許應力可提高30％，材料容許應力[σ]＝210×1.3＝273MPa，容許剪應力[τ]＝145×1.3＝188以下針對各類桿件進行穩(wěn)定性驗算：（1）支座橫梁支座墊梁最大跨徑4m，按單根HN700×300計算。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)計算得桿件最高軸壓應力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)計算得桿件最高軸壓應力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信息，圖3~5給出結(jié)構(gòu)在極限承載狀態(tài)下的前六個屈曲模態(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程中，施工荷載對結(jié)構(gòu)應力不起控制作用，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，應力也較高。通過對樁頂型鋼、平聯(lián)、斜撐的長細比和穩(wěn)定性進行驗算，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)。由于支架受風荷載等水平力的作用，在考慮模型的二階效應時，本文中通過施加假想水平力考慮P-δ效應對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。由于目前對于大噸位吊裝施工用組合式鋼塔架結(jié)構(gòu)的研究少見報道，本課題的研究有望為此類施工塔架的設計與施工提供有益的參考。參考文獻[1]鎮(zhèn)亦明.墩梁式支架法在某跨海大橋現(xiàn)澆箱梁施工中的應用[J]，現(xiàn)代交通技術，2009（6）:62-64[2]于連營.時令河大橋箱梁現(xiàn)澆支架設計與施工[J],石家莊鐵道學院學報，2009，22（2）：107-109[3]王蓉玲.萬州長江大橋臨時墩設計[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支架施工技術[J]，結(jié)構(gòu)工程師，2006，22（1）：91-94[5]王福興.京杭運河常州鄒區(qū)大橋臨時支墩的設計與施工[J],鐵道勘察，2007,（1）：84[6]陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)設計原理[M].北京：科學出版社，2005.[7]胡長明.扣件聯(lián)結(jié)鋼結(jié)構(gòu)試驗及其