Midas/civil在现浇支架受力计算中的应用

尹丽丽

(四川公路桥梁建设集团有限公司，四川 成都 610200)

0 引 言

随着科学技术逐步发展，桥梁施工难度越来越大，结构形式越来越复杂，从最初的预制简支梁桥，到如今现浇连续梁、T构梁、斜拉桥等[1-4]。对于现浇连续梁，其施工最关键的环节在于支架搭设。以往现浇支架的搭设通常采用传统公式配合手工运算，此种计算方法运用于简单支架比较可靠，但对于大型复杂支架由于过程联系复杂且荷载为动荷载，支架横向稳定性受力复杂，传统计算方法不仅不能完全切合贴近实际施工需求，还会因计算错误带来严重后果，导致严重的直接或间接经济损失[5-7]。如2005年12月14日贵州小尖山现浇支架垮塌，2010年1月21日沪杭高铁嘉兴大桥大型井字架倒塌，2011年3月3日杭州高铁桥梁现浇贝雷桁架垮塌，垮塌原因均为支架横向纤细，刚度不足，横向约束措施不足。因此，现浇支架设计计算是最关键也最核心的一步。本文通过工程具体案例(钢管柱贝雷梁现浇支架)，运用Midas/civil软件对支架在施工阶段进行模拟计算，为现浇支架计算提供一种精确、有效的方法。

1 工程概况

宜叙高速14标段兴文互通白鹤坝大桥(右线)第一段大桥中心桩号为K66+279.974，全长210 m，主线白鹤坝大桥(右线)第一段上跨 E 匝道桥及河沟，A 匝道 2号桥跨越深沟，均为现浇箱梁结构。其中主线白鹤坝大桥为 3×40 m预应力混凝土现浇连续梁，桥面变宽；A匝道 2 号桥为 6×20 m 预应力混凝土现浇连续梁，设置两联，桥面宽 10.5 m。白鹤坝右线1#大桥现浇箱梁采用C50混凝土，混凝土方量共计1 900 m3，现浇梁高度为2.1 m，共设置5道腹板，每道腹板采用8束钢绞线，最大桥高 40 m。

2 支架设计与施工

为了选择更加适合于白鹤坝右线1段的现浇箱梁支架，对满堂支架及钢管桩贝雷梁满堂支架做了如下对比。

满堂支架实用范围为24 m以下现浇支架，需用大量优质钢管，斜撑及扫地杆用量大，场地需全部硬化；高度大于24 m现浇支架的搭设及浇筑混凝土安全风险等级高；支架越高，单根钢管承载力越大。钢管柱贝雷梁满堂支架则不受支架高度限制，需用钢管少，且只需做钢管柱混凝土基础，对场地需求不高，不必全部硬化场地；安全风险相对较低，搭设与拆除相对较快；单根钢管柱承载力大；适用于坡度较陡山区。

经过综合对比，白鹤坝右线1段现浇箱梁采用钢管柱贝雷梁满堂支架。

3 钢管贝雷支架计算分析

3.1 模型建立步骤

(1)定义材料和截面特性。Φ630×10 的钢管柱、36工字钢斜撑、56双拼工字钢横梁、双拼14槽钢的材料选择Q235钢材，贝雷梁选择16Mn钢材,并根据每种型号材料截面的实际形式选择材料截面形式。

(2)建立结构模型。建立节点和单元，节点一般建在支撑部位、集中荷载处、两个单元的连接处、边界条件部位等，注意同种杆件应为同一单元。

(3)定义荷载及荷载组。包括恒载、活载，恒载包括箱梁自重、支架及模板自重，活载包括混凝土冲击荷载、机具人员荷载。

(4)定义边界及边界组。根据实际情况将边界条件赋予单元和节点，定义边界条件是建立模型的关键步骤，若边界条件定义错误，将导致其计算结果错误，甚至于模型无法运行。Midas提供的边界非常多，而且各有用途，钢管柱与基础采用一般支承及平动与转动均约束，主横梁与钢管柱采用刚接，贝雷梁与主横梁、贝雷梁与分配梁、分配梁与板单元采用弹性连接[8]。由于主横梁是双拼工字钢，因此主横梁间需采用刚性连接，主横梁与钢管柱需采用2次弹性连接，否则软件将不能运行，贝雷梁每3 m一榀，贝雷梁间采用铰接形式，建模时需释放梁端约束。

(5)运行结构分析。施工支架建模时采用Φ630×10 的钢管柱，钢管柱顶部及底部焊接3 cm厚Q235钢板，共计4排，每排4根钢管柱，纵向间距为12 m，横向间距为4.5 m；斜撑采用36工字钢，其上为双拼56b工字钢主横梁，主横梁与钢管柱采用 E4303 焊条满焊连接；主横梁上布置贝雷梁支架，贝雷梁间采用90cm贝雷梁专用花架连接，贝雷梁与主横梁支撑位置由于荷载集中故采用14槽钢竖向加固，并在主横梁上设置限位块，限制贝雷梁横向移动；贝雷梁上布置双拼14槽钢，槽钢与贝雷梁采用“U”型卡夹连接，保证稳定性。根据以上施工布置采用有限元软件Midas/civil建立模型并进行受力分析，一跨现浇支架整体模型如图1所示。

图1 整体模型

3.2 工况分析

根据《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T F50—2011)设计模板、支架时，需考虑下列荷载：现浇箱梁自重按照钢筋混凝土自重取 25 kN·m-3；施工人员和施工材料、机具等行走运输或堆放均布荷载取 1 kN·m-2；模板、碗口支架自重(木方、扣件、顶、底托等)均布荷载取 2.5 kN·m-2；混凝土浇筑冲击及振捣荷载取4.0 kN·m-2[9]。

按照《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T F50—2011)进行荷载组合，本计算模型考虑2种工况分别对结构强度和刚度进行验算。施工人员、机械及振捣荷载视为活载；支架、模板自重、箱梁自重、视为恒载，具体工况组合见表1。

表1 工况荷载组合

3.3 工况一计算结果

3.3.1 分配梁计算结果

双拼[14b槽钢、双拼56b工字钢分配梁构件主要受弯曲，对其弯曲应力和剪应力进行验算。验算结果如表2所示。

表2 分配梁应力结果

注：分配梁强度满足设计要求。

3.3.2 纵向贝雷梁计算结果

对纵向贝雷梁构件的正应力及其组合应力进行验算，如图2～5所示。验算结果见表4。

图2 贝雷梁弦杆弯矩

图3 贝雷梁弦杆轴力

图4 贝雷梁弦杆剪力

图5 贝雷梁腹杆轴力

通过分析计算，双拼56b工字钢支架贝雷梁支点处单竖杆应力较大，须在该处用双拼[14槽钢对竖杆加强，其余杆件均满足要求。

表4 纵向贝雷梁应力结果

注：纵向贝雷梁强度满足设计要求。

3.3 工况二计算结果

3.3.1 结构刚度计算结果

支架整体位移变形见图6。分别对各支架型钢进行刚度验算，结果如表5所示。

图6 结构整体位移变形

构件最大位移变形/mm计算跨度/m允许变形位移/mm双拼[14槽钢0.970.8552.14贝雷梁61230双拼56b工字钢2.014.511.25

注：各构件刚度满足设计要求。

3.3.2 结构稳定性计算结果分析

支架结构稳定性主要验算钢管立柱的压弯稳定。钢管立柱为轴心受压构件，其轴力计算结果见图7。

图7 钢管立柱轴力

单根钢管立柱最大轴力为1 682.7 kN,自由长度为8 m，换算长细比

λ=L/r=800/25.1=31.9

式中：λ为钢管桩长细比;L为钢管桩每8 m进行一次横向及斜向连接自由长度；r为截面回转半径。

由于Φ630×10钢管柱为b类轴心受压构件，查《钢结构设计规范》(GB 50017—2017)得稳定系数φ=0.929，由此得到承载力

式中：σ为承载力；φ为轴心受压构件稳定系数；F为正压力；A为截面面积。

可知，钢管立柱的稳定承载力满足稳定要求。

4 Midas/civil软件与传统计算方法对比

(1)运用Midas/civi软件设计支架更经济适用，4排钢管墩每2排纵横联系在一起，构成格架墩，与现场实际搭设相比，更能够节约材料。

(2)运用Midas/civi软件，其计算精度提高了，为后期的施工控制提供了很大的帮助，施工过程可借助计算结果做到有的放矢，抓重点、抓关键，同时，也为结构优化提供依据。

(3)运用Midas/civi软件，细化计算过程。传统的计算方法往往更注重结构的使用功能，忽略了结构施工过程，这为结构施工埋下了较大的安全隐患。

(4)运用Midas/civi软件，提高了工作效率，大大减少了重复计算的工作。Midas/civi软件仅通过建立模型、输入各种荷载及边界条件，就可以得到各种荷载下的结构受力计算结果。

5 结 语

本文运用Midas/civil有限元软件建模分析白鹤坝右线1段现浇箱梁支架受力状况，分析各种工况下支架整体稳定性，并逐一分析了支架各个杆件的受力情况，建模分析切实有效可行，并根据此模型进行现场施工，安全高效地完成了现浇箱梁架设。该计算方法能形象直观地表达出支架形变位移量，计算过程简单，结果精确，确保临时支架的安全施工。同时，临时结构的设计将得到大大的优化，显著提高经济效益。