贝雷梁+满堂式支架的现浇箱梁施工技术

梁仕杰

(肇庆市公路发展有限公司,广东 肇庆 526000)

1 满堂式支架与贝雷梁支架

1.1 满堂式支架特点

(1)整体性较好:满堂式支架具有良好的整体性,其构造一体,有助于提高施工的整体稳定性。

(2)承载能力较强:该支架能够有效地承受大荷载,可保证桥梁结构在施工期间的安全性。

(3)无需大型起重设备:由于其设计合理,满堂式支架在搭建和拆卸过程中无需大型起重设备,简化了施工流程。

(4)施工方便:满堂式支架的构造设计使得施工变得更加便捷,提高了工程的施工效率。但一定程度上存在面积占地较广的不足,需要在设计中考虑空间布局的灵活性。

(5)施工灵活性较差:尽管在整体性和承载能力方面有优势,但由于结构的一体性,满堂式支架在应对复杂施工环境时的灵活性较差[1]。

1.2 贝雷梁支架特点

贝雷梁支架适用于桥梁工程中存在特殊地质条件的情况,例如填方边坡坡脚下等。

在桥梁工程中,尤其是在地形较为复杂的区域,贝雷梁支架的水平投影线位于填方边坡坡角下,有利于施工的安全性。

贝雷梁支架通常用于支撑现浇箱梁,保证施工过程中的结构稳定性。

与满堂式支架相比,贝雷梁支架在适应地形、应对复杂施工环境方面更具灵活性。

贝雷梁支架的下部支撑结构采用特殊截面设计,以适应特殊的地理条件和荷载要求[2]。

2 工程概况

广东北特大桥横跨云溪河,是连接两岸重要交通的关键枢纽。第三、第四跨作为桥梁的关键部位,其结构设计和施工质量直接关系到整体工程的安全性和稳定性。

选取广东北特大桥的第三、第四跨现浇箱梁作为研究对象。第三跨采用了满堂式支架、第四跨采用了贝雷梁支架的机构设计,涉及到复杂的力学和结构问题,因此对其进行深入的分析有助于揭示现代桥梁工程中的关键技术。

3 分析方法

采用Ansys有限元分析软件对广东北特大桥第三、第四跨现浇箱梁进行分析。

(1)支架立杆纵距设置。立杆纵距被设置为1.2 m,以保障结构的垂直支撑和稳定性。在端横梁和中横梁处,该纵距被加密为0.9 m,以更细致地捕捉这些关键位置的结构行为。

(2)立杆横距设置。在不同部位,立杆横距的设置略有不同。在腹板和斜腹板处,立杆横距被设置为0.9 m,而在箱室、翼缘板及操作平台处,该横距为1.2 m。这样的差异化设置有助于更好地模拟支架在不同位置的应力分布和变形情况。

(3)竖向斜杆的设置。结构中引入了竖向斜杆,以增强支架的整体稳定性。这是一个有效的设计措施,有助于抵抗水平和竖直方向上的荷载,提高了支架的整体性能。

(4)支架材质。不同部位采用了不同的材质,以适应各自的受力情况。例如,立杆采用了Q345A材质,水平杆采用了Q235B材质,而斜杆则采用了Q195材质。

(5)静力和动力分析。竖向变形结果:支撑结构最大竖向变形为7.5 mm;箱梁最大竖向变形为5.2 mm。

(6)参数敏感性分析。变化支撑结构立杆弹性模量,观察其对结构竖向变形的影响。支撑结构最大竖向变形在E=2.0×106MPa时为7.5 mm,在E=2.5×106MPa时为6.8 mm。通过调整参数值,评估了不同参数对结构性能的影响。结果表明,在一定范围内,支撑结构立杆弹性模量的增加会降低竖向变形。

对第三、第四跨现浇箱梁的静力和动力分析以及参数敏感性分析的数值结果,为结构性能提供了详细的定量评估数据。基于以上步骤的综合应用,能够通过Ansys软件对第三、第四跨现浇箱梁进行全面而可靠的有限元分析。这一分析过程是基于对实际工程的深入理解和对Ansys软件功能的熟练运用,以确保分析结果的科学性和可信度[3]。

4 地质环境对现浇箱梁的影响

4.1 第三、第四跨地质环境特点

在广东北特大桥的第三、第四跨区域,地质环境的特点至关重要,直接影响着桥梁工程的设计和施工。区域的地层结构异常复杂,涵盖了岩石和土层等多种地质成分。这使得第三、第四跨的地层可能存在变化,给桥梁基础和支座的设计带来了挑战。云溪河的水文条件可能导致土壤液化现象,进而对桥梁的基础稳定性和整体结构的安全性构成潜在威胁。区域的地形起伏可能导致局部地质条件的不均匀性,从而影响桥梁的承载能力和变形情况。该区域面临滑坡等地质灾害的威胁,对桥梁设计的稳定性和整体安全性提出了极高的要求。因此,在设计和施工过程中,必须全面考虑这些地质环境特点,采取有效的工程措施来确保桥梁在复杂的地质条件下能够保持稳定和安全。

4.2 地质因素导致的连接处变形问题

由于地质条件的不均匀性,导致支座处发生不均匀沉降,从而引发现浇箱梁的变形。为了减少由不均匀沉降引起的变形问题,必须通过合理的支座结构设计来加以解决。

地下水流和土壤液化等地质因素可能引起地基的变形,直接影响连接处的稳定性,需要通过科学合理的基础设计和采取相应的防护措施,以确保连接处的长期稳定性。

地质灾害如滑坡可能对支架连接处产生冲击力,加剧连接处的变形。在设计阶段,必须全面考虑这些潜在威胁,并采取有效的应对措施,以提高支架在地质环境下的抗灾能力和整体稳定性。通过深入分析地质环境对现浇箱梁的影响,有助于制定更为科学的工程设计和施工方案,为桥梁结构的长期可靠性提供有效保障[4]。

5 满堂式支架和贝雷梁支架的有限元建模与分析

5.1 满堂式支架建模与分析

满堂式支架是桥梁施工中常用的临时支撑系统,其主要目的是在大跨度桥梁的建设过程中提供支持、固定和稳定的功能。这种支架采用三维空间桁架结构,由立柱、横梁、纵向斜撑等构件组成,形成一个完整而坚固的支撑体系。其构件采用高强度的钢材,以确保在施工过程中具有足够的稳定性和承载能力。

在满堂式支架的设计中,考虑到施工过程中桥梁形状和荷载的变化,因此需要具有一定的可调性,可以灵活适应不同阶段的建设需求。主要作用是支撑桥梁主梁的下部,确保桥梁在建设过程中保持正确的形状和结构稳定性。一旦桥梁建设完成,这些支架可以被拆除或移动至下一个施工位置,从而方便后续工程的进行。

总体而言,满堂式支架在桥梁施工中扮演着关键的角色,为工程提供了可靠的支持和保障。其设计注重施工的便利性,旨在提高施工效率,确保桥梁建设过程的安全和顺利进行。

建模针对满堂式支架,采用有限元软件进行三维建模。首先,将满堂式支架的几何形状、材料属性等参数输入模型,包括支座、主梁、横梁等关键部件。步距1.48 m、立杆间距0.90×0.94 m、架高8.15 m,扫地杆高度0.2 m,顶层伸出横杆高度0.55 m,不设剪刀撑。通过试验数据测得第一级加载360 kN(10 kN/根),整体位移最大为1.87 mm,而有限元建模模拟数据为1.41 mm。

考虑支架在实际荷载作用下的变形情况,对支点和连接处进行建模。

5.2 贝雷梁支架建模与分析

贝雷梁支架在桥梁工程中发挥着独特的作用,其建模与分析旨在充分发挥其在广东北特大桥中的应用优势。

使用有限元软件对贝雷梁支架进行建模。包括梁体的几何形状、材料特性等关键参数。着重考虑梁体与支座的连接方式以及与主体结构的耦合关系。在建模中引入实际工程中可能存在的非线性因素,如支座摩擦等[5]。

相较于原始情况,贝雷梁支架整体竖向变形减少,此方法与满堂式支架连接处竖向变形差约为0.15 mm,符合规范中的允许值。分析结果表明,贝雷梁支架在整体稳定性方面相较于满堂式支架存在一定差距。然而,贝雷梁支架在适应复杂地形方面表现出更强的优势,具有更好的地形适应性。同时,贝雷梁支架在支架施工方面展现出更大的灵活性,使其在复杂地理环境下的施工更为便利。

在具体连接处,贝雷梁支架在两跨连接处的竖向变形较大,这给两跨连接处现浇箱梁的施工带来一定的难度。竖向变形的增加可能需要额外的施工措施以确保连接处的结构稳定性[6]。

6 改进措施对比分析

6.1 减小贝雷梁跨径的效果

通过采取减小贝雷梁跨径的措施,可减小贝雷梁支架的竖向变形,特别是在支架最大竖向变形处。在这一措施中,针对最大跨径段,引入了一根额外的钢管立柱,从而实现了对支架竖向变形的控制,有力地保障了现浇箱梁施工的质量。

在减小贝雷梁跨径的方案中,新增的钢管立柱被安置在最大跨径段,将最大竖向变形点从原先的第一跨(最大跨径)跨中处移至其余几跨的跨中位置。这一调整使最大竖向变形显著减少,约为4.6 mm,并且连接处的竖向变形也显著降低至约为1.18 mm。

相较于未采取减小贝雷梁跨径措施的原始情况,整体竖向变形明显减小。该方法使贝雷梁支架的连接处竖向变形与满堂式支架的连接处竖向变形差距约为 0.15 mm,符合相关规范中的允许值。减小贝雷梁跨径的措施通过有限元分析中的位移云图得以展示,详见图1。

图1 减小贝雷梁跨径措施位移云图

6.2 加强型贝雷梁的效果

贝雷梁支架原始情况采用的是普通贝雷梁型号,但由于变形量过大,提出采用加强型贝雷梁措施,通过增大截面型号,从而提升截面抗弯刚度,对此问题进行改善,提升贝雷梁支架的承载力。采用本方法后,竖向变形最大处依旧集中在最大跨的跨中处,约为 8.01 mm;相较于原始情况,使用加强型贝雷梁的支架竖向变形有所减小,为6.41 mm,此方法与满堂式支架连接处竖向变形差为6.19 mm,符合规范中的允许值。根据有限元模型,加强型贝雷梁措施在有限元分析的位移云图中得以展示,详见图2。

图2 加强型贝雷梁措施位移云图

6.3 横桥向加密贝雷梁的效果

采用横桥向加密贝雷梁的有效措施是为了减少支架竖向变形,通过增加贝雷梁的截面面积,提升贝雷梁的抗弯刚度,从而降低施工荷载、混凝土自重和振动荷载引起的竖向变形。

在采用横桥向加密贝雷梁措施时,其最大变形量约为 6.18 mm,在连接位置处的变形值约为 4.94 mm,此方法与满堂式支架连接的变形差约为7.66 mm,符合规范中的允许值。

根据有限元分析,横桥向加密贝雷梁措施在有限元分析位移云图中展示了其有效性,详见图3。

图3 横桥向加密贝雷梁措施位移云图

6.4 对比分析总结

在贝雷梁支架与满堂式支架联合时,在贝雷梁支架横桥向现浇箱梁底部提取 7 个节点,节点位置如图4所示,并对提取的节点变形数据进行对比分析。其中,不同措施支架节点竖向变形如图5所示。

图4 现浇箱梁下部节点位置

图5 节点的竖向变形

根据图5,减小跨径贝雷梁在降低竖向变形和控制现浇箱梁施工质量方面均表现较好。其次是横桥向加密贝雷梁,效果次之。加强型贝雷梁在这两方面相对较差。

7 结论与展望

7.1 结论

通过对广东北特大桥第三、第四跨现浇箱梁采用满堂式支架和贝雷梁支架的分析,得出以下结论。

(1)满堂式支架在整体性和承载能力方面表现出色,其稳定性和可靠性为大桥结构提供了有效的支撑。通过有限元建模与分析,确认了满堂式支架在现浇箱梁工程中的可行性。

(2)贝雷梁支架在桥梁工程中具有显著的应用优势。其在连接处的性能表现成为大桥在复杂地质环境下保持稳定的关键。

7.2 存在问题与展望

在分析过程中也发现了一些问题和亟待解决的技术难点。

(1)地质环境对于连接处变形的影响尚未完全解决。未来可以深入挖掘地质因素对满堂式支架和贝雷梁支架连接处的具体影响机制,为更有效的工程改进提供依据。

(2)改进措施的对比分析还需要更多的试验验证和实际工程案例的支持。未来可以通过实地试验和更多实际工程的数据来验证模型的准确性,并更全面地评估各种改进方案的可行性和经济性。

(3)可以拓展范围,考虑更多支架结构的设计和应用,以适应不同地质环境和桥梁工程的需求。同时,结合新材料和先进技术,进一步提升支架结构的性能和可持续性。

8 结束语

以广东北特大桥为例,对满堂式支架和贝雷梁支架在现浇箱梁施工中的应用进行了深入分析。通过有限元分析,全面了解了这两种支架在复杂地质环境下的受力情况。此外,通过对改进措施的对比分析,提出了减小贝雷梁跨径、加强型贝雷梁和横桥向加密贝雷梁等方案,并在工程实践中进行了综合评估。