5-2钢桥子项目2：简支钢箱拱梁组合桥支架分析

1、5-2 钢桥子工程 2：简支钢箱拱梁组合桥支架分析?四线两跨高速铁路钢箱系杆拱桥安装工艺?主要完成单位：分报告二 支架结构分析 中国 水电建设集团铁路建设中国水利水电第十一局工程有限公 司西南交通大学目录1概述 11.1 临时支架结构及其发展 . 11.2 钢结构强度理论研究现状 31.3 钢结构的刚度研究 41.4 钢结构稳定性研究现状和分析理论 41.5 本文研究的工程背景 52 支架总体设计方案及计算内容 72.1 支架初步设计 72.2 支架总体方案 102.2 主要计算内容 123 支架有限元模型及荷载 133.1 作用在支架上的荷载研究 133.2 有限元模型的建法3.3 支架结构

2、计算方. 183.4 结构强度、刚度、稳定性验算 184.计算结果 214.1工况1 拱脚段钢箱梁吊装 214.2工况2 第二标准梁段吊装 244.3工况5 第五个标准梁段吊装 254.4工况8 第八个标准梁段吊装 264.5工况12 第十二个标准梁段吊装 284.6工况16 最后一个标准梁段吊装前 294.7工况17 钢箱梁全部吊装完成 304.8 工况 18 拱脚段拱肋安装后 314.9 工况 19 第一段拱肋安装后 324.10 工况 20 第二段拱肋安装后 344.11 工况 21 第三段拱肋安装后 364.12 工况 22 拱肋合拢前一阶段 384.13 门架系统 414.14 计算

3、总结 415. 稳定性计 466. 梁顶测量数据分析 486.1 12-13 跨梁顶测量数据 486.2 12-13 跨梁顶处理后的数据 526.3 13-14 跨梁顶测量数据 576.4 13-14 跨梁顶处理后的数据 597. 钢箱梁支架根底测量数据分析 657.1 12-13跨支架沉降数据分析 657.2 13-14跨支架沉降数据分析 638. 支架沉降数据分析结论 681 概述1.1 临时支架结构及其开展桥梁结构分为建设阶段和使用阶段， 设计者通常比拟重视桥梁结 构在使用阶段的平安问题， 而容易无视建设阶段的各种相关结构的安 全问题。在实际运行当中， 桥梁在使用年限中很少遇到设计中的最

4、大 荷载，反而在施工中常因支撑结构承载力能力缺乏等而引发意外的倒 塌事故。桥梁施工中由于主体结构体系不断变化， 由于施工的需要或 为了保证结构局部、 整体的稳定性而设计各种临时辅助结构参与工作。 把桥梁施工完成后被撤除的设备称作临时结构物。随着科学技术的开展， 临时支架结构单位长度的重量减轻， 用钢 量减少，从而大大提高了经济效益， 推进桥梁结构向大跨度和轻型化 开展。在施工中，施工技术人员和监理人员往往只凭经验或局部验算 支架结构强度来搭设， 因而在桥梁施工过程中存在着相当大的事故隐 患，对跨济兖公路特大桥 2-96m 简支钢箱拱梁组合桥拼装施工过程中 的临时支架结构进行全面的强度、 刚度和

5、稳定性计算及研究很有必要 性。1.1.1 倒塌事故工程实例及原因分析 国内外曾屡次发生桥梁倒塌、 支架倒塌等重大工程事故， 造成了 惨痛的伤亡和财产的巨大损失，社会影响极为恶劣。例如 :1 1907 年，加拿大魁北克大桥在施工中受到破坏，悬臂的受压 下弦失稳造成 9000t 钢结构全部坠入河中，桥上施工人员 75人遇难。2 1875 年，俄罗斯的克夫达敞开式桥因上弦压杆失稳而引起全 桥破坏。3 1925 年，前苏联的莫兹尔桥试车时由于压杆失稳而发生事故。4 1970 年，澳大利亚墨尔本附近的西门桥在架设拼拢整孔左右 两半时，上翼板在跨中央失稳，导致 112m 的整跨倒塌。5 1990 年 10

6、 月 27 日，贵州仁怀县茅台桥施工过程中，拱体发 生倒塌，造成 4 人死亡，重伤 8 人。6 1990 年 12 月 1 日，贵州铜仁市鱼梁滩桥梁倒塌，造成 37 人 死亡， 31 人重伤的特大事故。7 1992 年 1月 8 日，湖南源陵县黄头大桥倒塌， 造成 14人死亡， 9 人重伤。18 1996 年 12 月广东韶关坪乳公路白桥坑特大桥施工中， 支架发 生过大弯曲变形，最终倒塌，造成 32 人死亡，59 人受伤的重大事故。9 2002 年 6 月 8 号，即将竣工的湖南株洲石峰大桥施工现场主 桥和河东引桥连接处庞大的支模钢管倒塌， 正在上方施工的工人随着 几百吨重的现浇箱梁，自 18

7、 米的高空坠下，造成 1 人死亡，至少 10 人受伤。10 2003 年 4 月 10 日，距刚修好不久的“黄河第一龙门吊几 十米处约 30 米高的辅助支架轰然倒塌，倒塌面积近百平方米。人员 伤亡情况不祥。由以上案例， 可以看出倒塌事故的发生率比拟高， 造成的后果相 当严重。究其原因，桥梁倒塌多是因受压失稳。 临时支架倒塌的原因， 主要有以下几个方面 :(1) 临时支架结构的临时性，其重要性常被忽略。(2) 缺少各种施工荷载下的受力分析及验算 ;在进行计算时，其计 算简图采用钢结构的铰接节点， 各杆端交于一点， 但实际节点存在一 定的偏心，也存在一定的弯矩。(3) 管理不善； 许多生产厂家为抢

8、占市场， 低价竞争，生产的杆件 不合格；一些施工企业为减少费用， 对许多己经屡次使用的杆件仍旧 使用，而杆件截面和惯性矩减少很多；施工现场管理混乱，操作人员 未严格按设计要求安装和撤除杆件等等。(4) 支架结构强度缺乏、 稳定性差。 杆件质量不保证， 材料锈蚀或 磨损严重，有的局部弯曲或开焊。(5) 随着所承受的结构自重荷载增加， 支架承受的竖向荷载越来越 大，造成支架结构破坏。1.1.2 临时支架在桥梁施工中的应用临时支架、 临时墩在桥梁施工过程中发挥着重要作用， 已建的苏 塘特大桥、哈尔滨尚志大桥连续钢梁桥、湖南省邵阳市西湖大桥、珠 江大桥西桥、广西南宁大桥、湖南衡山湘江公路大桥、湖北鄂黄

9、长江 公路大桥、荆州长江公路大桥混凝土斜拉桥、鄂黄长江公路大桥、太 平沟大桥等均在施工过程中设置了临时支架、 临时墩。已建成的苏通 大桥在边跨合龙跨设置临时墩，在边墩、辅助墩设置了临时支架。临时支架结构在桥梁施工中发挥着重要作用，概述如下 :1. 确保桥梁结构施工平安。2. 顶推施工中，因导梁的长度受限，增设临时墩，将通航主跨都转化为顶推跨径， 节省上部构材料用量， 墩身支架分单侧临时支撑和 两侧临时支撑，减小实际架设跨径，2增大墩身刚度。3. 顶推时，桥梁会产生交替应力，当跨径较大时，在桥墩间设置 临时墩，可抗倾覆，减小梁悬臂负弯矩，减小桥梁的施工内力，而墩 旁临时支架那么和主墩共同承受施工

10、的不平衡弯矩。4. 当边孔跨径比中孔跨径大的桥梁或在 T 形钢架桥上，设置临时 墩将边孔跨径内的支架减至最少。5. 预防外力 例如台风 对悬臂状态的梁体的影响。6. 保证通航和江中钢构件安装的平安与可靠性。7. 临时墩、临时支架可保证桥梁体系转换平安性。1.1.3 临时结构分析的必要性 在大跨桥梁施工过程中设置临时墩、临时支架十分必要。同时， 临时墩、辅助墩临时支架属于大型钢结构， 在使用过程中的受力很复 杂，其自身的平安问题将直接关系到整个大桥的施工平安，因而，对 拱桥主桥钢箱梁吊装施工中的临时支架结构进行仿真分析， 了解临时 结构的受力行为具有十分重要的工程意义。1.2 钢结构强度理论研究

11、现状1.2.1 强度及强度理论概念 强度问题是指结构或单个构件在稳定平衡状态下由荷载所引起 的最大应力是否超过建筑材料的极限强度， 因此是一个应力问题， 对 于大局部结构，常以未变形的结构作为进行分析即可获得足够精确的 结果，不考虑变形对外力效应的影响， 所得的变形与荷载呈线性关系， 这种分析方法为一阶分析， 叠加原理普遍适用。 材料强度是保证各种 工程结构平安使用的一个最重要的根本条件。实践说明，材料的破坏形式根本上可以分为脆性断裂和塑性屈服 两大类。长期以来，人们针对这两类破坏形式，提出两类关于材料在 复杂应力状态下发生强度破坏的假说， 通常称为强度理论。 解释材料 发生脆性断裂的理论主要

12、包括最大拉应力理论 第一强度理论 和最大 伸长线应变理论 第二强度理论 ；解释材料发生塑性屈服的理论包括 最大剪应力理论 第三强度理论 和歪形能理论 第四强度理论 等。第一强度理论假设 :最大拉应力 ?1 是引起材料脆断的主要因素。 即不管材料处于何3种应力状态，只要单元体中的最大拉应力 ?1 到达材料在单向拉 伸试验下发生脆断时的极限拉应力值？b,材料就会发生脆断破坏。第二强度理论假设 :最大伸长线应变 ?1 是引起材料脆断的主要因 素。第三强度理论假设 :最大剪应力 ？max 是引起材料屈服的主要因素。 第四强度理论假设 :歪形能密度 ud 是引起材料屈服的主要因素。1.2.2 强度理论的

13、研究现状 强度理论研究虽然十分重要，但进展却十分缓慢。 20 世纪，工程强度理论的研究有三次重大突破。第一次是将 20 世纪初的单剪强 度理论推进为八面体剪切强度理论 或三剪强度理论 ；第二次是从八 面体剪切强度理论推进为双剪强度理论， 这三者分别形成了外凸理论 的下限、居中和上限； 第三次是将适用于某一类材料的各种单一强度 理论推进为可以适用于多种材料的统一强度理论。1.3 钢结构的刚度研究 对大多数构件，为保证正常工作，除了满足强度条件之外，对其 刚度也要有一定要求。即要求工作时构件的变形或某一截面的位移 最大位移或指定截面处的位移 不能超过规定的数值。即 ?式中，为计算得到构件工作时的实

14、际变形或位移，为许用即人为规定的 变形或位移。它们可以是线位移，也可以是角位移， 根据构件的具体受力情况而定。 对轴向拉压杆， 是指轴向变形或位 移u;对受扭的轴，为两指定截面的相对扭转角？或单位长度扭转角？，即角位移；对于梁，指挠度？或转角？。1.4 钢结构稳定性研究现状和分析理论 桥梁失稳事故的发生促进了桥梁稳定研究的开展， 与桥梁结构相 关的稳定理论已有悠久的历史。早在 1744年，欧拉L.Eular就提出了 压杆稳定的著名公式，进行了弹性压杆屈曲的理论计算。此后，彭加 瑞A.Poi ncare, 1885明确了稳定概念，并推广到流体力学的层流稳定 问题中，即稳定分支点的概念。恩格塞En

15、gesser和卡门Karman等根 据大量中长压杆在压曲前己超出弹性极限的事实， 分别提出了切线模 量理论和折算模量理论。 普兰特尔和米歇尔几乎同时发表了关于梁侧 倾问题的研究成果。4近代桥梁工程中由于采用了薄壁轻型结构， 又为稳定问题提出了 一系列新的课题。瓦格纳H.Wagner1929及符拉索夫等人关于薄壁杆 件的弯扭失稳理论，证明其临界荷载值大大低于欧拉理论的临界值， 同时又不能用分支点的概念来解释， 因而引入了极值点失稳的观点以 及跳跃现象的稳定理论。20世纪 40年代以来，北美、欧洲、日本等相继成立了结构稳定 问题的国际性研究机构， 对结构稳定问题进行了大量的理论与实验研 究，并对结

16、构设计计算方法加以不断的改良。 中国学者钱学森在薄壳 稳定方面， 李国豪在桥梁结构稳定理论方面也都做出了重要奉献。 此 后，桥梁结构稳定理论结合各种形式的荷载、 支承情况和结构构造得 到了不断的开展， 特别是电子计算机的问世开拓了这方面分析研究的 领域，例如含塑性变形和剩余应力的构件以及弹塑性的庞大杆件系统 如桁梁等的稳定问题。70 年代李国豪把桁梁化成连续的截面可变形箱梁，研究了桁梁 桥的侧倾稳定问题并提出了桁梁侧倾稳定分析的有限元法。 最近几十 年来，很多学者对杆系结构的非线性大挠度理论和初始后屈曲理论作 了大量研究工作， 同时考虑了几何非线性和物理非线性的结构极限承 载力的研究取得了很多

17、成果，并在工程中得到应用。稳定问题是研究结构或构件在荷载和其他作用的影响下处于的 某种平衡状态是否稳定的问题。 钢结构的失稳现象是多种多样的， 就 其性质而言，可以分为平衡分岔失稳、极值点失稳、跃越失稳三类。 钢结构稳定问题的计算方法有平衡法、能量法、动力法、有限元法四 种。几何非线性理论中，T.L列式和U丄列式是拉格朗日关于参照描述 和相关描述的方法。 理论上讲， 这两种方法均可用于各种几何非线性 分析，拉格朗日列式适用于各种大位移、 中等转角和小应变等几何非 线性问题，其中U丄列式还适用非线性大应变分析、弹塑性徐变分析， 可以追踪变形过程的应力变化。本文在对临时支架结构进行第二类稳定分析时

18、采用Von Mises 屈服准那么与各向同性强化模型。1.5 工程背景跨济兖公路特大桥 2-96m 简支钢箱拱梁组合桥， 是京沪高速铁路 的重点控制工程。 简支钢箱拱梁组合桥的设计由于受桥下公路净高和 引入济南站线路坡度的控制， 桥梁结构高度受到了严格限制， 因此设 计采用下承式简支钢箱拱梁组合桥。 由于是一次建成并行四线， 结合 本钢桥结构形式， 在国内尚属首例， 建成后将成为济南西大门的景观 桥。5 本桥结构体系分为钢箱拱、钢箱梁、拱肋横撑、吊杆索及锚点构 造、两端支座、两端横向限位装置及现浇混凝土桥面板。计算跨径 96m,钢箱梁长98m,桥面总宽25.7m,两主拱间中心距11.68m。主

19、 拱米用变截面钢箱拱，矢咼19.2米，跨径96m，矢跨比1: 5,两主 拱间中心距11.68m，拱脚处与主梁固结。两拱肋通过 5道钢箱横撑 连接，共分为11个节段，其中包括拱脚段、标准段K撑段、一字 撑段及无横撑段、合拢段拱顶段。吊杆索水平投影间距为 5m。拱肋理论拱轴线米用二次抛物线， 实际拱轴线以折代曲， 两折线 交点为吊索中心线与理论拱轴线交点， 折线间米用圆弧过渡。 拱肋吊 索处拱咼线为两折线间的角平分线， 吊索处拱咼按此处距拱顶理论拱 轴线长度与 1/2 理论拱轴线长度的比值内插计算，吊索处拱咼、拱咼 线与拱轴线夹角确定后， 取拱咼线上下端点的连线从而确定拱段形状。拱肋箱型截面顶、底

20、腹板板厚均为 32mm，箱宽1200m m,高度 由跨中处2800mm变化至拱脚处5500mm。顶板与底板均设置两道加 劲肋，间距600mm。腹板那么由腹板中心往两侧按 700 mm间距布置。 腹板加劲肋与段内实际拱轴线平行布置,折线间距用圆弧过渡。主梁采用梁高3m等截面单箱九室截面，顶面宽度 25.7m，底宽 22.5m，桥面采用正交异性桥面板构造。每一纵向节段均设置两道横 肋，一道吊杆索锚固用隔板。拱脚段钢梁纵向长度为11.5m，横向分为 5 段。正交异性板由16mm的桥面板，纵向“ U-肋、横隔板及横肋组 成。“U-肋间距600mm，板厚8mm。无列车荷载作用的箱室及翼 缘桥面板由板肋加

21、劲。拱脚段拱肋对应箱室顶板厚度为32mm。箱室内共设置 10 道腹板，其中每线中心线处均设置一道腹板， 标准段主梁腹板厚度为16 mm，每道腹板单侧均设置两道板肋加劲。拱脚段对应拱肋的四道腹板厚度为 40mm。标准段底板板厚为16 mm, 设置板肋加劲。 拱脚段除拱肋对应箱室底板厚度为 32mm 外，其余部 分板厚为16 mm。箱室内拱肋间距1600 mm,横肋与横隔板间距为 1700 mm。横肋及横隔板板厚为16 mm，支点处横隔板板厚32mm。 两拱肋间共设置五道箱型横撑,其中两道 K 撑,三道一字撑,一字撑 断面尺寸为1420X 1500 mm, K撑斜腿截面为1378X 420 mm,

22、 字 腿截面为1420X 1500 mm。6本文在跨济兖公路特大桥 2-96m 简支钢箱拱梁组合桥拼装施工 根底上,考虑影响临时支架结构平安性的不利因素, 对各不利工况下 的临时进行弹性计算分析,研究临时结构受力、变形、强度、稳定性 能,找到可能的最不利工况,指导施工的顺利进行。研究以分析临时结构的静力空间作用性能为主, 通过通用有限元 分析软件 ANSYS10. 0建立临时支架的三维空间模型,对拼装过程中临时支架刚 度、强度、稳定性进行验算。对临时支架进行强度、刚度、稳定性研 究,了解其受力行为具有深远的工程意义,可确保大桥的顺利施工, 从而大大推动世界桥梁的开展和建设。 此外,可为今后深入

23、研究各种 钢结构的空间作用问题提供有益的参考。2 支架总体设计方案及计算内容2.1 支架初步设计支架初步设计针对不同部位、 工况、重量、跨路与否、地基形式， 选择立柱的形式 ;针对不同坡度，选择横系杆形式：针对支架沉降要 求，选择不同的地基处理方式。2.1.1 拱肋支架立柱的选择拱肋高度为19.2m，高度与横断面宽度之比远大于 2,根据?建筑结构荷载标准?GB50009-2001查得济南根本风压为 0.45 kN /m2,不宜选择满堂支架，采用钢管立柱。初步拟定钢管直径为426 X10mm。根据?钢结构设计标准? GB 5001L2003按除GJ节段的最重节段G3高度计算：A=13062mm2

24、,i=147.1mm,l=14152mm,入=l/i=96<150,查表：=0.668G3节段重498 kN,考虑不同根数立柱平分拱肋重力，通过上式 平面内失稳公式试算之后只考虑了水平推力，B mx取1, 一段拱 肋需 4 根立柱。钢箱梁下部支架立柱的选择1 受力分析 1 . 碗扣式脚手架碗扣式脚手架钢管规格为48X 3.5mm,最密的布置按步距60cm，间、排距60cm布置，根据?建筑施工碗扣式脚手架平安技术标准?JGJ166-200时算：贝打入=l/i=60/1.58=37.97查表：=0.896每根立柱F=(T A=0.896X 205X 489=89819.52N=89.

25、8kN满堂支架每平米的承载能力为：P仁F/S=89.8/(0.6X0.6)=249.444kN /m2每平米最重节段为GJ节段，需要的承载能力为：P2=1.2X 898.39/ (11.465X 2.644)=35.583 kN /m28P1> P2,满堂支架可以满足要求。( 2)钢管立柱：根据?钢结构设计标准? GB 50017-2003考虑使用现场较多的559钢管柱(壁厚10mm),最高按6m计 算：A=17239mm2,i=194.1mm,l=6000mm,入=l/i=31,查表：© =0.961,一根钢管的容许承载力为F=A =0.968X 215X 17239=358

26、7780N=3587.78kN考虑一个梁段至少需要两根才能保证在安装时保持稳定， 因此每个梁段设置两根559钢管柱两根钢柱最不利时承受的荷载为 L1、L2梁段重力的一半545 kN, 可以满足要求。2门洞设置对支架立柱选择的影响 钢箱系杆拱桥下部支架横穿经十西路及高速匝道, 需设置行车门洞。由于经十西路是济南市主干道,车流量极大,支架不能占用过多 道路,采用满堂支架很难在此设置足够的宽度保证箱梁的安装。3地基对支架立柱选择的影响 钢箱系杆拱桥下部支架分别位于公路、 绿地、基坑回填等不同类型的根底上,几种根底的承载力和含水率均不相同,在钢箱安装时, 支架将力传到地基之后会造成根底的不均匀沉降,

27、对于满堂支架较危 险,且钢梁在焊接前无应力状态的高程无法调整。采用钢管作为 支架立柱,能设置牛腿对钢桥线型进行调整。综上,钢箱梁下部支架采用钢管柱最优。2.1.3 支架根底的选择根底采用条形根底, 对于不同部位的立柱根底, 将每根立柱所受 的荷载乘以 2 的偏载系数之后除以本段地基的承载力, 得出支架根底 的最小面积,初步选定在拱脚段采用5.5*1.0*0.6m 方形预制块作为根底, 在绿地采用 2m*2m*0.3m 方 形预制块作为根底,在公路上采用 10.5m*1m*0.6m 的条形预制块做 根底。假设钢管立柱传给条形根底的压应力按 45°在根底中传播，最 长边均大于630mm+

28、根底厚度x 2,可以认为条形根底是受弯构件， 需配置抗弯钢筋及抗剪钢筋。2.1.4 钢箱下部支架纵向系杆的选择由于钢桥存在 1.35%的坡度，因此整个钢桥承受 1011.659 kN 的 水平推力，由于根底采用预制块放置，抗滑动能力较弱，因此考虑采 用 4 根 20a 槽钢纵向连接，并支撑于桥墩上。每根槽钢需承受 253 kN 水平推力，按稳定性公式计算最弱的 y 轴均能满足要求，能有效防止根底的滑移。2.2 支架总体方案本桥采用支架原位拼装架设方案。 在公路上搭设支架， 吊装钢箱 梁，之后在钢箱梁上搭设拱肋支架。 支架均采用螺旋钢管作为临时支 墩。总体布置见图 3-1、3-2。钢箱梁临时支墩

29、采用559x 10mm钢管，横桥向分为左右侧两 组，每组 4 根，第一排支架处加密为 5 根。每组钢管横桥向采用 20a 槽钢交叉连接 图 3-3。临时支墩的根底采用条形整体根底和独立基 础两种形式图 3-3、3-4，其中跨济兖公路采用条形根底尺寸为 10.5X ix 0.6m,跨京福匝道采用独立根底尺寸为 2x2x 0.3m。 钢管支墩每排间距5m,第一排钢管支墩距离支座11.5m。由于在施 工过程中， 支架下方不能中断行车， 因此纵桥向钢管之间只能在上部 纵向连接,下部无法连接。跨京福匝道采用门架方式通过见图3-5。部钢箱梁安装焊接完成后, 在钢箱梁上搭设拱肋吊装支架。 每 半跨单片拱肋下

30、设5个临时支墩。支墩采用426X 10mm螺旋钢管。 每个支墩由4根钢管组成，钢管纵向间距均为3.3m,横桥向间距4.0m 每个临时支墩钢管纵横向采用20a槽钢连接。支架顶部安装分配梁及 拱调整设施,形成上层操作平台。钢管与钢箱梁之间采用焊接。支架平面布置方案示意图10图 3-1 支架立面布置方案示意图注:1、图中尺寸以 cm 计 .图 3-2 路基支架根底横桥向布置示意图图 3-3 条形整体根底横桥向布置示意图11图 3-4 绿化带支架根底横桥向布置示意图图 3-5 跨京福匝道门架系统布置示意图施工支架全景2.2 主要计算内容12主要计算内容如下：1 、检算施工支架的刚度 变形 情况。2、施

31、工支架的应力情况。3、施工支架的稳定情况。3 支架有限元模型及荷载3.1 作用在支架上的荷载研究3.1.1 荷载种类1) .垂直荷载：吊装的钢箱梁自重、 支架自重、 施工人员和施工料 具等行走运输或堆放的荷载等。2) .水平荷载： 风荷载、 地震荷载以及其它可能产生的荷载， 如雪 荷载、冬季保温设施荷载等。3.1.2 荷载计算的一般规定1).永久荷载 :在使用期间数值无明显变化的支架杆件自重和箱梁 自重。箱梁自重和支架的重量通过程序自动计算， 由于模型中对拼接 板等未予以考虑， 所以在通过修正系数修正模型的自重， 使模型自重 和实际相符合。2).可变荷载： 在临时支架使用期间数值有显著变化的荷

32、载， 如施 工荷载、风荷载等。(1)风荷载：风是空气相对于地球外表的流动，主要是由太阳 辐射热对地球外表大气的不均匀加温所引起的。 当风受到结构物阻碍 时，它的局部动能将转化为作用在结构物上的外力功， 这种外力就是 所谓的风荷载。 风荷载对桥梁结构的作用时一种十分复杂的现象。 分 段施工桥梁结构风载作用计算中一般假定桥梁结构在稳定风作用下 保持静止不动，或者其振动不影响空气力的作用，因此，相应的风荷 载为静力风荷载或阵风荷载。(2)地震荷载 : 地震荷载是一种偶然荷载，正在建设中的结构抗震 能力差，一旦发生地震，易产生破坏，这时支架结构必须重新搭设。故本研究不考虑。钢材容重78.5kN/m2,

33、由程序自动计算主桥结构和支架系统的自重。在全桥模型完成后，按照实际桥梁结构的重量包括拼接板，高 强度螺栓等，对钢材的容重进行修正，使钢桥的重量到达实际的重 量。施工荷载的取值考虑了施工人员、施工材料的运输，13堆放荷载，保温设施荷载，施工工具等，沿桥长按3吨/m取值， 将全桥施工荷载转换为均布荷载后施加于桥面。横向力主要是风力， 钢桥为南北走向，横向风力较小，按 500 N/m2 作用于钢箱梁侧面。3.2 有限元模型的建立根据施工单位提供的图纸， 为了详细分析支架在架设过程中支架 系统的受力性能，采用大型有限元程序ANSYS建立包括所有支架及梁、 拱、地基在内的整体仿真分析模型。本工程钢箱系杆

34、拱桥的架设过程， 由于没有对地基进行预压， 地 基处理不是很彻底， 地基的弹性变形和非弹性变形较大， 变形对钢箱 系杆拱桥架设过程的线性影响很重要， 因此仿真模型考虑了地基的弹 性变形的影响， 是结构受力更加接近真实情况， 实际支架的 8个支墩 只有 6 个和钢箱梁连接， 有两个没有使用， 在仿真模型中也予以考虑。由于本桥二跨地理位置毗邻， 荷载类型根本相同， 而且其支架结 构形式完全一样仅根底有差异 ，这不影响对支架的计算分析，所 以其受力根本一致， 因此选取跨济兖公路的一跨进行全桥建模， 支架 支墩及连接系采用管单元， 钢箱梁及拱肋均采用壳单元真实模拟桥梁 结构，钢管及联连接系槽钢均采用管

35、单元 pipe16 模拟，根底和地基 采用三维实体单元 solid45 模拟。钢箱梁用 shell63 单元模拟，用实常 数输入法输入个实际截面板厚，将纵向板肋、 纵向 U 肋、横隔板，腹 板，腹板加劲肋等全部按照实际情况来考虑， 精确模拟钢箱梁的几何 构造，有限元模型的几何模型如下列图所示。14有限元模型拱脚段构造详图15钢箱梁实际构造 边界条件：支柱钢管与根底预埋件连接，按铰接处理，即钢管底 部与根底之间通过节点耦合约束平动自由度和竖向自由度； 钢箱梁与 放置于支墩之上， 二者之间只约束平动自由度和竖向自由度， 按铰接 处理；在吊装阶段，钢箱梁支座未固定，按铰接处理；拱肋支架钢管 与钢箱梁

36、顶面焊接， 按铰接处理； 拱肋与其支架钢管顶部采用铰接处 理。钢箱梁全桥实景16图 4-1 整体分析计算模型材料特性17注：土的弹性模量取值是根据新黄土的承载力( >=160MPa) 查找对应的弹性模量4050MPa,考虑到地基变形的特殊性(未进行预压和地基沉降随时间的变化关系，以取得的局部实测结果，地基 弹性模量取 25MPa。3.3 支架结构计算方法3.3.1 计算方法3.3.2 应力的计算1.根本假定1平截面假定 :梁在横向截面下，横截面依然保持平面，这一 假定称为“平截面假定 ；2小变形假定 :二阶及二阶以上的微量可略去不计，称为“小变 形假定；3线弹性假定 :应力与应变

37、是成正比例的， 其比值是钢管的弹性模 量，这称为“线弹性假定 。2.杆件应力计算求出截面内 力以后，横截面任意点处的应力即可求出。在内力 分量 M、 Q、N作用下，任意点处的正应力为：？max?M/l?N/A,?y?O自由面。截 面平均剪应 :?xy?Q/An。平面应力状态三个主应力分别为 ：?''?x22?''?x?'''?0tan?2?xy主方向角表达式： ?x3.4 结构强度、刚度、稳定性验算 支架的理论和试验研究还不够完善， 目前还没有统一的计算模式， 由强度理论可知，18

38、炭钢、铝以及合金等塑性材料，通常以屈服的形式失效，故采用 第四强度理论进行强度校核。此外，还进行了支架结构稳定性研究。3.4.1 结构强度验算形状改变比能理论 第四强度理论 认为形状改变比能是引起屈服 的主要因素。即认为无论什么应力状态，只要形状改变比能 uf 到达 与材料性质有关的某一极限值，材料就发生屈服。单向拉伸下，屈服应力为？s,即导致屈服的形状改变 比能的极限值。uf？1？u22？1？2？32？1？2？2？3？3？13E 1？u？1？12？2？32？3？126E任意应力状态下，只要形状改变比能 uf 到达上述极限值，便引 起材料的屈服。故形状改变比能屈服准那么为 :uf？1？u2？s

39、2 6E 在任意应力状态下，整理后得到屈服准那么为：?s?把?s除以平安系数得许用应力?，于是，按第四强度理论得到的强度条件? 此外，几种塑性材料钢、铜、铝的薄管试验资料说明，形状 改变比能屈服准那么与试验资料相当吻合。假设令?e?那么，在ANSYS有限元软件后处理中提取的等效应力(vonMisesstress-SEQVP为？e,得到?e后，即可对结构进行强度校核。3.4.2 结构刚度验算19跨济兖公路特大桥 2-96m 简支钢箱拱梁组合桥的施工支架是临 时结构, 而至今仍没有标准专门对此类结构的刚度作出详细规定, 故 本文将不对临时支架结构的刚度作详细评价； 如果临时支架结构的刚 度不够,结

40、构在荷载作用下就会产生较大变形并发生失稳,因此,从 临时支架结构的稳定性也可以间接地判断其刚度是否满足要求。3.4.3 结构弹性屈曲根本假定与分析原理结构弹性屈曲分析采用以下根本假定：1) .平截面假定适用于整个分析过程, 即结构构件在屈曲时仍保持 为平截面,对弹塑性工作阶段仍然适用；2) .材料的本构关系为理想弹塑性,材料均匀；3) .各杆连接为完全刚性的。弹性屈曲分析主要用于求解结构的临界荷载系数和分析对应的 屈曲模态，采用软件自身提供的屈曲模式BUCKLING求解。在分析过 程中未考虑柱子的二阶效应及钢材的剩余应力等不利因素。 下面框图 图 3-9 形象说明了屈曲稳定计算的有限元方法。3

41、.4.4 受压构件的稳定性验算N 压 ?An?f20式中?为受压构件的稳定系数，根据杆件的长细比 ?，由?钢结构 设计标准?GB50017-2003附付录C,轴心受压构件稳定性系数表可查得。 对于支架钢管的长细比：?u?l?i式中D-支架钢管外直径；d-支架钢管内直径；L冇长；1- 回转半径；u-计算长度系数，取决于杆端的约束情况，一般在钢支架 中主要表现的杆端约束情况为：两端固定的压杆，u=0.5; 端固定， 一端铰接的压杆，u=0.7;两端铰接，u=1。4. 计算结果临时支架结构受力分析是保证桥梁结构正常施工的前提条件， 临 时支架的安危是整座桥能否顺利施工的关键， 因而对临时支架结构进

42、行受力分析， 了解其受力行为具有十分重要的工程意义。 临时支架结 构受力分析主要包括强度分析、刚度分析、稳定性分析。4.1 工况 1 拱脚段钢箱梁吊装本阶段计算模型如图 5-2 所示边界条件未示 ，钢箱梁支架模 型如图 5-3 所示，实施性施工方案中将拱脚局部拆开，待钢箱梁全部吊装完成后再吊装拱脚段， 因此该处与设计吊装方案不同， 但不影响结构的受力。 钢箱梁支架每排有 8 根支墩，在实际施工的时 候大局部地方只用了六根支墩，第 2，7 根支墩没有和钢箱梁连接。 只有第 1、2、 3 排和最后一排的 8 根支墩全部和钢箱梁连接。21图 5-2 拱脚段箱梁吊装计算模型图 5-3 下部支架仿真计算

43、模型钢箱梁支架支墩最大位移 3.086mm 钢箱梁 支架支墩最大压应力 23.3MPa22钢箱梁支架斜撑最大压应力 31.7MPa 钢箱梁支架 斜撑最大拉应力19.6MPa钢箱梁的最大位移 3.572mm 发生在钢箱梁底板的中心处 各结构构件计算应力及位移如以上各图所示， 钢箱梁支架支墩最 大应力为23.3MPa最大应力为轴力和弯矩引起的应力分量的叠加， 支架支墩最大位移3.086mm,由图可知支墩最大应力和位移发生在拱 肋腹板对应的支墩处。 在支墩与斜撑的连接处应力到达最大， 由于支 墩在这里受斜撑的约束，产生的弯矩最大，因此叠加后的应力最大。 支架斜撑最大压应力31.7MPa,支架斜撑最大

44、拉应力19.6MPa,均满 足标准要求。根据相应标准， Q235 钢材抗拉、抗压轴向容许应力?0?140MPa,又由于临时性结构钢材容许应力应乘以提高系数 1.3, 故抗拉压轴向容许应力 ?140?1.3?182MPa。由于考虑了地基的弹性变形， 支架变形比拟大， 导致斜撑压应力 和拉应力较大，23 但是在实际中，地基的变形与时间有关，是一个缓慢的过程，因此模型中支架斜撑的应力大于真实值。钢箱梁的最大位移3 . 572mm ，比支架支墩最大位移3.086大0.486mm，钢箱梁的最大变形为 0.486mm,由此说明钢箱梁的刚度很大，在架设过程中可以不考虑钢 箱梁的变形，下文也不再对钢箱梁的变形

45、做讨论。4.2 工况 2 第二标准梁段吊装工况 2 有限元模型示意图钢箱梁支架支墩最大位移 3.509mm钢箱梁支架支墩最大压应力 14.3MPa24钢箱梁支架斜撑最大压应力 21.9MPa钢箱梁支架斜撑最大拉应力 16.5MPa该工况下钢箱梁支架支墩的最大位移为3.509mm，支墩最大压应力为14.3MPa,最大应力和位移发生在拱肋腹板对应的支墩处。钢箱 梁支架斜撑最大压应力21.9MPa,最大拉应力16.5MPa,均满足标准 要求。图中的支架变形显示较大，是自动放大的结果，使变形更加直 观，实际较小。4.3 工况 5 第五个标准梁段吊装工况 5 有限元模型示意图25钢箱梁支架支墩最大位移

46、3.634mm 钢箱梁支架 支墩最大压应力20.8MPa钢箱梁支架斜撑最大压应力 25.7MPa 钢箱梁支 架斜撑最大拉应力 25.3MPa该工况下钢箱梁支架支墩的最大位移为 3.634mm,支墩最大压应 力为20.8MPa,最大位移发生在拱肋腹板对应的支墩处。钢箱梁支架 斜撑最大压应力25.7MPa,最大拉应力25.3MPa,均满足标准要求。 该工况由于钢箱梁支架的第 4、5排支墩由 8个变为了 6个，因此支 架支墩的压应力明显增大， 支架斜撑的压应力和拉应力也增大， 这是 由于支架支墩变少，支架的变形增大导致支架的应力增大。4.4 工况 8 第八个标准梁段吊装26工况 8有限元模型示意图钢

47、箱梁支架支墩最大位移 3.78mm钢箱梁支架支墩最大压应力22.6MPa钢箱梁支架斜撑最大压应力 28MPa钢箱梁支架斜撑最大拉应力 28MPa该工况下钢箱梁支架支墩的最大位移为3.78mm,支墩最大压应力为22.6MPa。支墩的最大位移和应力发生在靠近梁段跨中的位置，而不是在梁端。钢箱梁支架斜撑最大压应力28MPa,最大拉应力28MPa,均满足标准要求。4.5 工况 12第十二个标准梁段吊装工况 12 有限元模型示意图钢箱梁支钢箱梁支架支墩最大位移 3.934mm架支墩最大压应力 22.8MPa28钢箱梁支架斜撑最大压应力 31.3MPa钢箱梁支架斜撑最大拉应力 30.3MPa该工况下钢箱梁

48、支架支墩的最大位移为 3.934mm，支墩最大压应 力为22.8MPa。钢箱梁支架斜撑最大压应力 31.3MPa,最大拉应力 30.3MPa,均满足标准要求。4.6 工况 16最后一个标准梁段吊装前工况 1 6有限元模型示意图钢箱梁支架支墩最大位移 3.911mm钢箱梁支架最大压应力 22.5MPa29钢箱梁支架钢箱梁支架支墩最大横向位移 0.254mm支墩顺桥向最大位移0.525mm钢箱梁支架斜撑最大压应力 30.6MPa 钢箱梁支架 斜撑最大拉应力 29.7MPa该工况下钢箱梁支架支墩的最大位移为 3.911mm,支墩最大压应 力为22.5MPa。钢箱梁支架斜撑最大压应力 30.6MPa,

49、最大拉应力 29.7MPa,均满足标准要求。该工况是钢箱梁最后一个标准段吊装前,支架处于最不利阶段, 钢箱梁支架支墩的最大横向位移为 0.254mm，顺桥向最大位移为 0.525m m，支墩的横向位移和顺桥向位移均较小，因此在其它工况未 对横向位移和顺桥向位移做分析。4.7 工况 17 钢箱梁全部吊装完成30工况 17 有限元模型示意图钢箱梁支架支墩最大位移 3.895mm钢箱梁支架最大压应力21.3MPa钢箱梁支架斜撑最大压应力 29.9MPa钢箱梁支架斜撑最大拉应力 29.6MPa该工况下钢箱梁支架支墩的最大位移为 3.895mm，支墩最大压应 力为21.3MPa。钢箱梁支架斜撑最大压应力

50、 29.9MPa,最大拉应力 29.6MPa,均满足标准要求。4.8 工况 18 拱脚段拱肋安装后31工况 18 有限元模型示意图钢箱梁支架支墩最大位移 4.276mm 钢箱梁支 架支墩最大压应力23.1MPa钢箱梁支架斜撑最大压应力 32.5MPa 钢箱梁支架 斜撑最大拉应力 34.4MPa该工况下钢箱梁支架支墩的最大位移为 4.276mm,支墩最大压应 力为23.1MPa。钢箱梁支架斜撑最大压应力 32.5MPa,最大拉应力 32.1MPa,均满足标准要求。由于该工况安装了拱脚段拱肋和拱肋支 架，钢箱梁支架支墩的竖向位移和应力明显增大。4.9 工况 19第一段拱肋安装后32工况 1 9有限

51、元模型示意图下部支架支墩最大位移 4.49mm下部支架支墩最大压应力25.7MPa下部支架斜撑最大压应力 33.7MPa下部支架斜撑最大压应力 33MPa33拱肋支架支墩最大压应力 14.1MPa拱肋支架 斜撑最大压应力17.3MPa拱肋支架斜撑最大拉应力 20MPa该工况下钢箱梁支架支墩的最大位移为 4.49mm，支墩最大压应 力为25.7MPa。钢箱梁支架斜撑最大压应力 33.7MPa,最大拉应力 33MPa。拱肋支架支墩最大压应力14.1MPa，拱肋支架斜撑最大压应 力17.3MPa,最大拉应力17MPa,均满足标准要求。由于该工况安装 了第一段拱肋， 拱肋支架承拱肋较大的水平推力， 导

52、致拱肋支架斜撑 的应力较大。4.10 工况20第二段拱肋安装后34工况 20 有限元模型示意图下部支架支墩最大位移 5.106mm下部支架支墩最大压应力28.9MPa下部支架斜撑最大压应力 38MPa下部支架斜撑最大拉应力 37MPa35拱肋支架支墩最大压应力 15.7MPa拱肋支架斜撑最大压应力20.6MPa拱肋支架斜撑最大拉应力 20.1MPa该工况下钢箱梁支架支墩的最大位移为5.106mm,支墩最大压应 力为28.9MPa。钢箱梁支架斜撑最大压应力38MPa,最大拉应力37MPa。拱肋支架支墩最大压应力15.7MPa,拱肋支架斜撑最大压应力 20.6MPa,最大拉应力20.1MPa,均满

53、足标准要求。由于该工况安装 了第二段拱肋， 拱肋支架承拱肋较大的水平推力， 导致拱肋支架斜撑 的应力较大。4.11 工况 21 第三段拱肋安装后36工况 21 有限元模型示意图支墩最大位移 5.498mm支墩最大压应力30.1MPa斜撑最大压应力 41.2MPa斜撑最大拉应力 40.6MPa37拱肋支墩最大压应力 12MPa拱肋斜撑最大压应力20.3MPa拱肋斜撑最大拉应力 20.2MPa该工况下钢箱梁支架支墩的最大位移为 5.498mm，支墩最大压应 力为30.1MPa。钢箱梁支架斜撑最大压应力 41.2MPa,最大拉应力 40.6MPa。拱肋支架支墩最大压应力12MPa，拱肋支架斜撑最大压

54、应 力20.3MPa,最大拉应力20.2MPa,均满足标准要求。由于该工况安装了第三段拱肋， 拱肋支架承拱肋较大的水平推力， 导致拱肋支架斜 撑的应力较大。4.12 工况 22 拱肋合拢前一阶段38工况 22 有限元模型示意图下部支架支墩最大位移 5.642mm 下部支架支 墩最大压应力 30.4MPa39下部支架斜撑最大压应力 42.7MPa 下部支架斜 撑最大压应力42.2MPa拱肋支墩最大压应力 12.1MPa 拱肋斜撑最 大压应力20.9MPa拱肋斜撑最大拉应力 21.2MPa该工况下钢箱梁支架支墩的最大位移为 5.642mm,支墩最大压应 力为30.4MPa。钢箱梁支架斜撑最大压应力

55、 42.7MPa,最大拉应力 42.2Pa拱肋支架支墩最大压应力12.1MPa,拱肋支架斜撑最大压应 力20.9MPa,最大拉应力21.2MPa,均满足标准要求。40由于该工况安装了第四段拱肋， 拱肋支架承拱肋较大的水平推力， 导致拱肋支架斜撑的应力较大。4.13 门架系统门架系统在支持在高速公路的闸刀上， 高速公路的地基已经经过 处理，地基承载力远高于绿化带局部地基承载力。 门架系统的上平面 采用了高 600mm 工字钢加强两层工字钢，使门架系统上平面的变 形很小，门架系统支墩数目多于对应的钢箱梁支架位置的支墩， 相当 于局部加强， 因此门架系统的受力和地基沉降优于钢箱梁支架。 因此 本文没有讨论门架系统的变形和应力。4.14 计算总结4.14.1 钢箱梁支架分析现将支架所有工况的位移和应力列表如下：41钢箱梁支架布置图由上图可知： 在钢箱梁架设过程中， 钢箱梁支架支墩的位移变化 不大，徘徊在3.54mm 左右，在第四工况稍微有所下降。 在实际工程中， 地基 的沉降速度与土的各种指标有关，地基的沉降量随着时间不断增大， 沉降速度随着时间不断变小。 模型中模拟的钢箱梁支架支墩的最大位 移应该是地基经过一段时间以后地基的弹性变形量。 实际工程中最大 位移量不可能减小