摘要：鋼管臨時(shí)支架在工程建設(shè)中應(yīng)用廣泛，保證安全性及穩(wěn)定性是項(xiàng)目順利進(jìn)行的重要前提。文章考慮橋梁護(hù)欄對(duì)鋼管臨時(shí)支架的水平支撐作用，采用sap2000軟件對(duì)結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行有限元分析，并用傳統(tǒng)計(jì)算方法對(duì)混凝土護(hù)欄的強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。結(jié)果表明原有護(hù)欄結(jié)構(gòu)是對(duì)臨時(shí)支架有良好的支撐作用，并給出了支撐構(gòu)件在原有結(jié)構(gòu)的布置建議。
關(guān)鍵詞：鋼管臨時(shí)支架；橋梁護(hù)欄；支撐結(jié)構(gòu)；有限元分析
前言
隨著交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，特別是在原有構(gòu)筑物上的擴(kuò)建工程，鋼支墩多點(diǎn)平移法施工被廣泛應(yīng)用于公路橋梁工程中，而鋼管支架在吊裝預(yù)制箱梁中應(yīng)用廣泛。文獻(xiàn)[1]中提出結(jié)合鋼管支架的施工方法能夠有效解決跨線(xiàn)箱梁橋梁凈空較低的情況下施工難題，提升施工過(guò)程的安全性，有效縮短施工周期，帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)約了成本。文獻(xiàn)[2]根據(jù)工程實(shí)踐以及驗(yàn)算，認(rèn)為鋼管立柱橫向穩(wěn)定性難以滿(mǎn)足要求，需要增強(qiáng)橫向剛度，保證鋼管支架結(jié)構(gòu)的平面外穩(wěn)定。有限元計(jì)算有適用性強(qiáng)、輸出結(jié)果直觀明了等優(yōu)點(diǎn)[3]，因此采用有限元計(jì)算軟件對(duì)臨時(shí)支架進(jìn)行驗(yàn)算。本文結(jié)合實(shí)際工程，對(duì)鋼管支架進(jìn)行驗(yàn)算、sap2000建模、原有結(jié)構(gòu)驗(yàn)算等，探究既有橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)鋼管支架在橋梁施工中的有效作用。
1項(xiàng)目概況
蘇州某高速公路工程在既有橋面上對(duì)箱梁進(jìn)行吊裝時(shí)，采用鋼支墩多點(diǎn)平移法施工，在地面以及既有橋面布置平移平臺(tái)和臨時(shí)鋼管支架，并在其上布置滑道。平移安裝平臺(tái)及臨時(shí)支架的布置，布置示意圖如圖1所示。
2落地支架模型分析
本文對(duì)不考慮護(hù)欄作用與考慮護(hù)欄作用的鋼管支架分別進(jìn)行分析，分析簡(jiǎn)圖如圖2所示。
2.1模型參數(shù)
采用sap2000軟件對(duì)支架進(jìn)行有限元分析。落地支架總高度25m，寬度4.5m（圖中x軸方向），厚度3m（圖中y軸方向），模型如圖3（a）所示。頂部鋼梁采用h400×200×8×13的h型鋼，垂直支撐采用l63×6的角鋼，橫向、縱向水平桿用12號(hào)槽鋼，立桿用325×6圓鋼管。鋼材牌號(hào)均采用q235。工程采用碗扣式支架。碗扣節(jié)點(diǎn)承載能力強(qiáng)，固結(jié)牢固，因此各節(jié)點(diǎn)均按剛性節(jié)點(diǎn)考慮[4-5]。支架受豎向荷載w和考慮吊裝或拖移引起的水平荷載f作用。模擬時(shí)，考慮單側(cè)承受梁段荷載的同時(shí)承受水平力作用。水平力f按豎向荷載w的10%計(jì)算，w為單側(cè)鋼箱梁總重的50%，鋼箱梁總重取為100t，即單側(cè)豎向荷載w為500kn，水平荷載f為50kn。豎向荷載和水平荷載均按均布線(xiàn)荷載施加到頂端h型鋼梁上。采用線(xiàn)性荷載組合，支架自重系數(shù)取1.0，豎向荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.0，水平荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.5。
2.2不考慮護(hù)欄時(shí)支架有限元運(yùn)算結(jié)果
運(yùn)行結(jié)果顯示，各構(gòu)件應(yīng)力均小于材料的屈服應(yīng)力；支架a、b軸兩側(cè)框架最大軸力處均為底部桿件，底部節(jié)點(diǎn)豎向反力值見(jiàn)表1。表中負(fù)值表示受拉，正值表示受壓。模擬計(jì)算得到落地支架頂端最大位移為31.253mm，約為總高度的1/800。
2.3考慮護(hù)欄時(shí)支架有限元運(yùn)算結(jié)果
落地支架頂面與橋面的垂直距離為7.2m，故在距離支架頂部約7.2m處高度的節(jié)點(diǎn)施加水平約束，簡(jiǎn)圖如圖2（b）所示。運(yùn)行結(jié)果顯示，最大應(yīng)力依舊遠(yuǎn)小于材料屈服應(yīng)力，底部豎向反力值見(jiàn)表2。模擬計(jì)算得到落地支架頂端最大位移為6.672mm，約為總高度的1/3750。2.4優(yōu)化對(duì)比由柱狀圖可得，考慮護(hù)欄、設(shè)置水平支撐后，鋼管支架頂端最大位移降低了約78.65%；a軸底部軸力由受拉變?yōu)槭軌?，并且軸力大小降低約37.19%，b軸底部壓桿軸力降低約70%。
3橋面支架模型分析
橋面支架的分析簡(jiǎn)圖如圖6所示。橋面支架總高度7.2m，寬度4.5m（圖中x軸方向），厚度3m（圖中y軸方向），模型如圖3（b）。模型參數(shù)與落地支架相同。
3.1不考慮護(hù)欄時(shí)支架有限元運(yùn)算結(jié)果
運(yùn)行結(jié)果顯示，各構(gòu)件應(yīng)力均小于材料的屈服應(yīng)力；支架a、b軸兩側(cè)框架最大軸力處均為底部桿件，底部節(jié)點(diǎn)豎向反力值見(jiàn)表3。表中負(fù)值表示受拉，正值表示受壓。模擬計(jì)算得到橋面支架頂端最大位移為2.848mm，約為總高度的1/2530。
3.2考慮護(hù)欄時(shí)支架有限元運(yùn)算結(jié)果
由表3可得不考慮護(hù)欄時(shí)橋面支架底部最大拉力為34.65kn，立桿底部混凝土基礎(chǔ)重量只有約10kn，因此在以上荷載模式下，橋面支架有一定的傾覆危險(xiǎn)。考慮護(hù)欄的支護(hù)作用，用100×12的圓管穿鋼棒穿過(guò)中央隔離護(hù)欄進(jìn)行加固?？紤]混凝土基礎(chǔ)失效的情況：去掉a軸底部支座，穿鋼棒視為梁?jiǎn)卧?，護(hù)欄位置增加鉸支座，b軸底部由固定支座轉(zhuǎn)換為鉸支座，分析簡(jiǎn)圖如圖7（b）所示。通過(guò)模擬計(jì)算得，模型最大位移為61.66mm，約為總高度的1/120。
3.3優(yōu)化對(duì)比
在一端基礎(chǔ)支座失效情況下，考慮護(hù)欄作用的模型，底部軸力、位移均增大。采用不同截面尺寸的穿鋼棒進(jìn)行加固時(shí)，對(duì)底部軸力變化無(wú)太大影響，但結(jié)構(gòu)位移變化顯著。從圖7中可看出，穿鋼棒剛度越大，對(duì)結(jié)構(gòu)的約束效果越好。
4原有結(jié)構(gòu)驗(yàn)算
橋梁護(hù)欄參與結(jié)構(gòu)受力，因此需要對(duì)護(hù)欄進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。邊護(hù)欄只需要進(jìn)行抗彎承載力驗(yàn)算，中間護(hù)欄根據(jù)受力情況可只進(jìn)行抗沖切承載力驗(yàn)算。設(shè)支護(hù)作用位置與護(hù)欄頂部距離為h，總高度為h。
4.1邊護(hù)欄抗彎承載力驗(yàn)算
模擬計(jì)算得考慮護(hù)欄水平支撐作用的落地支架，在護(hù)欄處剪力v大小為38.38kn。護(hù)欄長(zhǎng)度取1m，護(hù)欄保護(hù)層厚度c取50mm，鋼筋直徑d為16mm。豎向鋼筋，as=2010mm2。護(hù)欄計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖9所示。偏保守計(jì)算，取邊護(hù)欄截面為單筋截面。護(hù)欄所受最大彎矩：根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)原理[6]中的單筋截面設(shè)計(jì)公式：as=2010mm2，滿(mǎn)足抗彎承載力校核，其中酌s取最小值0.74。
4.2中護(hù)欄抗沖切承載力驗(yàn)算
模擬計(jì)算出考慮護(hù)欄水平支撐作用的橋面支架，在護(hù)欄處豎向反力f大小為52.79kn。護(hù)欄采用c40混凝土，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk為2.39mpa。護(hù)欄計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖10所示。參考混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[7]中的不配置箍筋或彎起鋼筋的板的抗沖切公式，對(duì)抗沖切承載力計(jì)算公式進(jìn)行簡(jiǎn)化：其中a1，a2為45。沖切面。解得h>17.5mm?？梢?jiàn)混凝土本身可以承受沖切反力，滿(mǎn)足抗沖切要求。中護(hù)欄箍筋，取1m長(zhǎng)度進(jìn)行校核箍筋抗拉強(qiáng)度是否滿(mǎn)足。故箍筋受拉強(qiáng)度亦滿(mǎn)足。
5結(jié)論及建議
①本文通過(guò)對(duì)鋼管支架的三維有限元模擬分析，給出了4種分析模型的模擬結(jié)果，并校核了原有結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。為今后高難度臨時(shí)支架的驗(yàn)算提供了思路及計(jì)算模型。②無(wú)側(cè)向支撐的落地支架，內(nèi)力、位移均偏大，且由于基礎(chǔ)造價(jià)較高，提供的抗拔力有限，故存在傾覆危險(xiǎn)?？紤]原有護(hù)欄作水平支撐后，內(nèi)力與位移明顯降低，支架底部失效模式受拉轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌?，?shù)值上降低了37.19%，受壓反力大小降低了70%。③為不影響原有橋面，橋面支架基礎(chǔ)簡(jiǎn)單擱置在橋面上，存在傾覆危險(xiǎn)。一般來(lái)說(shuō)，可通過(guò)增加配重或者加大基礎(chǔ)尺寸來(lái)滿(mǎn)足抗傾覆要求，但該做法不經(jīng)濟(jì)，施工復(fù)雜，影響工期。本文通過(guò)計(jì)算認(rèn)為，在原有橋梁中間護(hù)欄處設(shè)立支點(diǎn)可以解決傾覆問(wèn)題，但是該體系位移略大，需要引起重視。同時(shí)，穿鋼棒需要有足夠大的剛度。④在搭設(shè)立交橋臨時(shí)支架時(shí)，原有橋梁護(hù)欄有較高的可利用度，且臨時(shí)支架作用的反力對(duì)護(hù)欄本身影響甚微?？紤]到混凝土護(hù)欄中鋼筋的布置，筆者建議將支點(diǎn)設(shè)立在距離護(hù)欄頂部150mm處，可保證安全。