异形塔柱合龙段支架设计及数值分析_孙志远.pdf

设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年9期异形塔柱合龙段支架设计及数值分析孙志远1，李明1*，彭章良2（1南华大学 土木工程学院，湖南 衡阳 421001；2.中交四公局总承包分公司，北京 100020）现今我国斜拉桥不仅在数量上领先世界，在设计造型上也千变万化、美观优雅，斜拉桥美学上的追求促进着桥梁力学与施工的研究与优化。塔柱既是斜拉桥受压主构件，也影响着桥梁整体的美观性。异形塔柱合龙段高度超高，又无法利用爬模施工，目前常用超高支架现浇施工，但超高支架的施工周期长、结构稳定性差的问题亦难以忽略。本文依托项目工程实际，介绍牛腿支架特点并对牛腿支架结构的安全与稳定性进行数值分析。1工程概况斜拉桥主桥全长 328 m，为独斜塔混合梁斜拉桥，混凝土箱梁长 90 m，钢箱梁长 238 m。主塔为“琵琶型”，如图 1、图 2 所示，塔身顺桥向从铅垂面向混凝土箱梁侧倾斜 10，主塔从承台顶至塔顶竖向总高度为126 m，塔柱合龙段两中塔柱内侧以半径 50 cm 的圆弧顺接。2塔柱合龙段支架设计2.1塔柱合龙段支架施工方法塔柱合龙段施工既是高空作业，同时又由于该部分的结构线形而无法运用爬模施工，因此只能采用搭设支架的施工方式。目前根据施工支架反力提供方式的不同，支架施工方法可分为落地支架法与牛腿支架法。图1斜拉桥桥型布置图落地支架法：通过地基或基础来提供反力，反力支撑体系更稳定，但桥塔合龙段支架架设高，钢材用量大，其材料的选用与建造的过程中也难免会存在一定缺陷，结构的非弹性及弹性变形也较大。牛腿支架法：依靠塔柱提供反力，材料投入相对较少，结构形式简单，抗风性好，但支撑体系较弱，安装精度也相对较高。第一作者简介：孙志远（1998-），男，硕士研究生。研究方向为桥梁工程。*通信作者：李明（1971-），男，硕士，副教授。研究方向为道路桥梁。摘要：该文通过对支架施工方法介绍与比较，结合独塔斜拉桥工程实际概况确定选用牛腿支架法搭设支架。并对合龙现浇支架进行设计，总结支架分析方法，利用 Midas/Civil、Midas/FEA nx 有限元软件模拟计算，结合材料极限特性对该现浇支架进行数值分析，论证该桥塔合龙段支架结构是合理的，可为同类工程的设计及计算提供借鉴。关键词：塔柱合龙；现浇支架；有限元分析；支架设计；数值分析中图分类号：U448.27文献标志码：A文章编号：2095-2945（2023）09-0111-04Abstract:Through the introduction and comparison of support construction methods,according to the actual situation of single-tower cable-stayed bridge project,the support method is selected to set up the support.The cast-in-situ support of closure isdesigned,and the analysis method of support is summarized.The finite element software Midas/Civil and Midas/FEA nx is used tosimulate and calculate the cast-in-situ support.Based on the material limit characteristics,the support structure of closure section ofthe bridge tower is proved to be reasonable,which can provide reference for the design and calculation of similar projects.Keywords:tower closure;cast-in-situ support;finite element analysis;support design;numerical analysis23 8009 00012 600单位：cmDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.09.027111-2023年9期设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application综上再结合工程实际，该桥为斜塔斜拉桥，在无索区塔柱施工时，需布置临时支撑以抵抗塔身自重对塔柱底部产生倾覆力矩与拉应力，若再采用超高现浇支架会大大压缩桥面施工空间，严重影响施工周期，同时对于本桥而言，合龙段浇筑时塔柱的边界体系相对稳定，故该桥支架设计采用牛腿支架法。2.2施工支架设计方案塔柱合龙段施工支架立面图如图 3 所示，支架1-1断面图如图 4 所示。该合龙支架自下而上依次为 3 对自制钢牛腿、可调卸载块、2I45 纵向分配梁、由槽钢纵向连接形成上部整体的 6 片支架、三角架外侧 216 纵向槽钢主肋、10 cm10 cm 木枋次肋和 18 mm 竹胶板。支架立面图与 1-1 断面图中构架编号的材料型号与规格见表 1。图2塔柱合龙段立面图图3支架立面布置图图4支架1-1断面布置图表1图3与图4支架编号构件材料及规格型号3施工支架分析方法3.1荷载组合计算模板、拱架及支架的荷载主要有：模板、支架等支撑结构及新浇筑混凝土、新砌体等圬工结构物的自重荷载；施工人材机运输或堆放荷载；混凝土倾倒和振捣产生的竖向荷载；新浇混凝土对侧模板的压力；混凝土倾倒产生的水平荷载；混凝土振捣产生的水平荷载；施工中可能产生的其他荷载，像雪荷载、风荷载等。计算模板、支架和拱架的荷载组合见表 2。表2模板、支架和拱架的荷载组合注：表中荷载组合内的荷载若不发生，不应加入计算；其他荷载只有发生才考虑计算。3.2支架安全评估支架支撑安全需进行强度、刚度及稳定性 3方面计算评估。强度：现浇支架是一种临时结构，通常采用容许应力法对现浇支架强度进行设计验算。编号规格型号材料种类N1、N5232Q235 槽钢N2、N8216N3、N4225N6、N714模板工况类别荷载组合验算强度验算刚度梁、拱和板的底模板及拱架、支架等柱、梁和拱的侧模板台、墩等厚大建筑物的侧模板直线段B 大样直圆点3 001.9823.43 0231 340.7R8 000圆曲线段251.700R50单位：cmN7N8N1牛腿2I45 工钢卸落装置N2N3N4N5N6251.554N5N8待浇筑节段N4N3N3N3N2N2N2N6N7N1节段浇筑界限248.195246.955已浇筑节段牛腿大样卸落装置2I45 工钢1已浇筑节段节段浇筑界限18 mm 竹胶板10 cm10 cm 木枋216 槽钢225 槽钢N41第一次浇筑节段第二次浇筑节段第一次浇筑节段单位：m112-设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年9期刚度：根据现浇支架容许挠度，下沉度或弹性挠度值小于等于 L/400（L 为自由跨度）；还要满足支架容许长细比：主要受压杆件的长细比小于等于 100，次要受压杆件长细比小于等于 150。稳定性：目前支架稳定性分析方法可分为 2 种，一种是利用静力平衡法、能量法或动力法这种解析求解其相应的屈曲荷载（临界荷载）；另一种为近似法，常用的为有限单元法，即构建矩阵平衡方程，将屈曲分析问题转化为特征值问题，进而求得结构的临界荷载系数与对应的屈曲模态。4Midas三维模型建立4.1支架有限元模拟根据上述施工支架设计方案，在 Midas/Civil 中选择钢材、自定义方木与竹胶板材料，之后对材料及截面形式赋予完成的相应构件，以弹性连接的形式构建三维有限元支架模型。在支架下方每个牛腿位置采用节点支撑模拟支架边界条件。支架荷载施加考虑合龙段施工中支架受力最不利状态，即图 3 中第二次浇筑时支架所受荷载，包含模板支架与混凝土自重荷载、竖向施工人员机械及混凝土振捣荷载和风荷载。模型荷载见表 3。表3模型荷载4.2自制牛腿有限元模拟由支架建模计算可知牛腿的最大反力，为检验施工过程中承载工字钢梁的可靠性，现利用 Midas/FEAnx 对自制牛腿进行建模分析。自制牛腿主要包括上顶板、隔板、下底板 3 部分，上顶板尺寸：59 cm33 cm45cm1.5cm，下底板尺寸：52 cm26 cm24 cm1.5 cm，隔板尺寸：45 cm24 cm35 cm2 cm，由于钢板最大厚仅有 2 cm，故采用板单元进行模拟，用面网格进行划分。钢牛腿焊接在塔身埋件上，固接触面按固定约束，其他不受约束。根据支架设计方案，反力需要通过卸载块传递给牛腿，故拟将反力以均布荷载的方式加载在牛腿顶面中央。牛腿最大受力 F=535.4 kN，受力面积 A=95 700 mm2，压力值为=FA=535.410395 700=5.6 MPa。（1）5计算结果分析根据有限元模拟计算得到组成支架各部分构件的组合应力与剪应力，见表 4。根据表 4 可知，各构件的最大组合应力与剪应力计算值均小于其容许应力值，即各构件强度储备充足，满足使用要求。表4支架各部分构件的组合应力与剪应力标准组合下，支架变形如图 5 所示，牛腿局部变形如图 6 所示。根据图 5、图 6 可知，支架最大综合变形出现在连接 6 片支架的纵向主胁上，值为 2.09 mm 小于挠度容许值 7 630/400=19.075 mm，牛腿最大变形出现在翼缘位置，值为 0.75 mm 小于容许值 2450/180=5 mm，均满足规范要求。图5支架变形图牛腿支架高度小且无长细比过大的构件，支架结构相对更稳定。本文采用 Midas 屈曲分析模拟，由所得的临界荷载系数（前 5 阶）表（表 5）可知，其临界荷载系数均远大于 6，支架满足稳定性要求。各构件名称组合应力/MPa剪应力/MPa计算值(最大)容许值计算值(最大)容许值圆拱上纵梁161?321514?2125支架中部侧模板木枋11131?31?46 片支架101?421546?5125卸载块上纵向横梁91?721533?5125自制牛腿20721584?1125荷载名称数值/kPa模板支架自重软件自算支架拱上部拱承担砼自重圆拱部分 37.28；直线 43.53中部侧模板承担砼自重（单侧）线荷载（顶：50.03；底：112.5）竖向施工人员机械荷载1.5混凝土竖向振捣荷载2.0横、纵桥向风荷载1.0、0.42.095 92e+001.905 38e+001.714 84e+001.524 31e+001.333 77e+001.143 23e+009.526 91e-017.621 53e-015.716 14e-013.810 76e-011.905 38e-010.000 00e+00MIDAS/CivilPOST-PROCESSORDISPLACEMENT分析结果CB：组合113-2023年9期设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application了更有效的解决方案。国家支持开展绿色低碳技术发展，学科竞赛可以引导学生从竞赛中了解绿色建筑、了解节能减排，实践中学到的知识水平比教科书中理论知识的掌握更扎实。同时，也可以在专业课程设计融入节能减排理念，从而在思维上植入绿色概念。国家倡导积极推动既有建筑节能改造，通过对一批高能耗、低能效的既有建筑实施节能改造，提高建筑运行能耗、降低建筑碳排放。可以实现我国“双碳”承诺。因此，绿色设计竞赛是在学生、教师、产学合作与社会实践等多方面积极响应“双碳”目标。参考文献：1 张瑶，杨东.严寒地区绿色建筑的被动式设计策略J.建筑与文化，2019（5）：37-38.2 徐晨起，陈明轩.世界新建筑中国尊的智能化设计J.智能建筑与智慧城市，2018（10）：19-20.3 吕萌萌，朱显泽，陈静，等.严寒地区既有公共建筑绿色化改造综合技术措施研究J.建设科技，2019（12）：17-19.4 王婉，滕佳颖.严寒地区超低能耗绿色建筑关键技术体系构建J.智能建筑与智慧城市，2018（12）：75-77.5 陈国松.浅析 BIM 技术在绿色建筑中的应用J.智能建筑与智慧城市，2022（9）：127-129.6 绿色建筑全面发力 助力双碳目标实现J.建筑，2022（19）：21-23.7 徐晨起.文化传承地域建筑时代精神J.建筑，2020（6）：68-70.图6牛腿局部变形图表5前5阶屈曲临界荷载系数表6结束语1）牛腿支架法与超高支架法相比，牛腿支架法虽然反力支撑体系弱，但其构件材料用量少，施工空间占用量小，能够节约施工时间，增加施工经济效益。故对现浇支架跨度与施工荷载相对较小，塔柱及现有的边界体系能够提供稳定的反力支撑的工程，牛腿支架法无疑是更好的选择。2）经过施工验算及数值分析，可以发现牛腿支架法稳定性好，而支架受力不利位置出现在大跨度构件及反力牛腿上。因此在对牛腿支架设计及验算中要重点注意相对细长构件的刚度、强度与稳定性。3）本文通过 Midas/Civil、Midas/Fea nx 有限元软件对现浇支架整体和承重牛腿局部建模数值分析，并结合规范材料自身允许应力与结构允许位移，论证了该现浇支架设计是合理的。同时也表明有限元法能够有效地分析支架整体协同变形与局部应力特性，为工程设计提供依据。参考文献：1 陈义宝.斜拉桥的发展现状及常见问题分析J.工程技术研究，2022，7（3）：132-133，164.2 袁国能，郑康.三塔悬索桥中塔上横梁合龙施工技术J.世界桥梁，2014，42（5）：37-40.3 罗如登，刘铸，陈立军，等.新型支承体系多跨矮塔斜拉桥合龙方案研究J.铁道科学与工程学报，2021，18（12）：3286-3293.4 沈炫，代皓.成贵铁路宜宾金沙江公铁两用桥副拱施工技术J.桥梁建设，2022，52（3）：133-139.5 王树良.圆拱形斜拉桥桥塔超高支架稳定性分析J.中外公路，2022，42（3）：142-149.阶数 1 2 3 4 5 临界荷载系数 41.7 41.9 42.6 42.7 42.8 0.8%0.9%1.1%1.1%1.5%1.3%1.9%2.2%3.7%18.5%33.0%34.0%DISPLACEMENTTOTAL T，mm+7.459 18e-001+6.837 59e-001+6.215 99e-001+5.594 39e-001+4.972 79e-001+4.351 19e-001+3.729 59e-001+3.107 99e-001+2.486 39e-001+1.864 80e-001+1.243 20e-001+6.215 99e-002+0.000 00e+000（上接110页）114-