某海湾大桥主塔区临时支架承载力研究

某海湾大桥主塔区临时支架稳定性研究摘要：某海湾大桥钢箱梁采用大节段吊装法施工，以钢管支架作为临时桥墩。本文建立了钢管支架有限元模型，参照现行的桥梁规范，确定相关计算参数、工况和计算荷载，对支架进行稳定性分析。计算结果表明，此支架满足稳定性要求，且失稳模态为平联横向局部失稳。由于目前对于大吨位吊装施工用组合式钢塔架结构的研究少见报道，本课题的研究可为此类施工塔架的设计与施工提供有益的参考。关键词：大节段施工、钢管支架、二阶效应、稳定承载力1、引言随着科学技术的发展，桥梁工程建设项目规模日益扩大、结构体系日益复杂，给施工带来了复杂性和安全性问题，而设计单位在设计时往往对结构的使用状态进行分析计算，忽略了结构在施工过程中的不利状态，特别是施工中使用的临时支撑等受力结构的安全性和稳定性，基本上全部由施工单位设计计算，而施工单位在这方面的能力又相对较弱，使得这方面的工程极易发生事故。国内外桥梁施工中由于不重视临时施工设施(临时墩、支架、缆索、挂篮等)的设计而造成的桥梁事故的例子不胜枚举，比如2004年南京赛虹桥立交桥、南京双桥门高架、2007年广州黄埔大桥临时支撑坍塌事故、湖南湘西凤凰县堤溪沱江大桥临时支撑的坍塌事故、越南南部某桥梁临时支撑坍塌事故等均造成了巨大的人员伤亡、财产损失和负面影响。在大型悬索桥的施工过程中，临时支架辅助施工往往是常用的施工方式，根据不同的环境，所采用的临时支架施工方案也有不同[1-6]。本文以大型悬索桥钢箱梁施工为例，分析了施工中临时支架的稳定性。2、工程概况某海湾大桥主线全长26.707km，其中跨海大桥长25.880km。本项目以其中一航道桥施工为背景进行研究和应用。该航道桥为不对称独塔四跨连续钢箱梁自锚式悬索桥（见图1），跨径布置为80m+190m+260m+80m＝610m。该航道桥上部钢箱梁为扁平流线型钢箱梁，其节段标准长度12m，主跨和边跨梁中心高度均为3.6m，引跨钢箱梁梁高3.2m，梁段宽47m。主缆在梁上的锚固区域钢箱梁采用整体式箱梁，在中间位置梁加高到8.0m，同时两侧钢箱梁完成从3.2m到钢箱梁采用大节段吊装法施工，采用钢管支架作为临时支承。考虑到浮吊吊装能力、吊高、吊幅、吊具设计、钢箱梁加工运输等各方面因素，本桥钢箱梁共划分为24个大节段（N1～N24），其中锚固段8个（N13～N20），大节段16个（N1～N12、N21～N24），最大节段尺寸为18×72m，最大节段重量1020.342t。钢箱梁吊装顺序按N1～N24进行，从主塔开始向两锚碇方向吊装，同一横断面先吊内海侧再吊装外海侧钢箱梁。钢箱梁节段通过2600t浮吊吊装至支架上。图1该海湾大桥效果图3、有限元模型的建立3.1有限元模型根据钢箱梁大节段的位置和荷载情况，支架共分为5种，分别为锚固区支架、主塔区支架和3种临时墩支架。支架总数量共计10个，其中锚固区支架2个，主塔区支架1个，临时墩支架7个。钢箱梁支架的结构形式主要由钢管立柱、平联、斜撑和顶面分配梁型钢等组成。在计算过程中对锚固区支架、临时墩支架、塔区支架三类支架中结构形式相同的支架进行了归类化。对于每一类支架中结构形式相同的支架，在计算中选取所受荷载较大的支架进行复核验算。通过对比，需要进行复核验算的支架有主跨锚固区支架、边跨锚固区支架、主塔区支架、临时墩一支架，临时墩二支架，临时墩四支架。本文仅对主塔区临时支架的稳定性进行分析。采用有限元软件建立主塔区临时支架的有限元模型，主塔区支架采用2×10根Φ1.0m及2×6根Φ0.82m钢管桩，；剪刀撑采用[]20a型钢，平联采用[]36a型钢；钢管立柱顶面设置2HN700×300mm/Q345和2HN700×300mm/Q345两种型钢作为桩顶横梁。为保证钢管支架的整体稳定性，从承台以上3.0m开始钢管每5m图2主塔区临时支架有限元三维模型3.2作用于塔架上的荷载研究因施工过程变化，纵横梁由于各自的相对独立性，因此内力不会明显改变，故不考虑纵横梁的受力。整个梁段架设过程中，钢管桩的最高组合应力-145.39MPa；平联和斜撑的最大组合应力为96.46MPa。正常工作状态下，钢管桩的最大组合应力-120.5MPa，最大轴力为-3134kN，最大弯矩为-689,平联斜撑最大组合应力为82.36MPa。HN700×300临时支座垫梁在竖向荷载作用下最高弯曲应力122.97MPa，最高剪应力135.05MPa。钢管支架的总位移为33.71mm，其中横向整体位移最大为28mm，纵向整体位移最大为12mm。在极限使用状态下，钢管桩的最大应力-108.6MPa，最大轴力为2714.8kN，最大弯矩为639.3。平联和斜撑压应力最大为-165.7MPa，拉应力最大为170.7MPa。HN700×300支座垫梁在竖向荷载作用下最大弯曲应力为104.7MPa，最大剪应力为113.9MPa。结构横向整体位移最大为58mm。4.4稳定性分析该航道桥钢箱梁支架均采用各种规格的钢管和型钢搭设，材料均采用Q235a和Q345a钢，根据公路桥涵钢结构及木结构设计规范(JTJ025-86)中规定，对于Q235材料的弯压构件，[τ]＝85MPa，[σ]＝140MPa，临时结构容许应力可提高30％，材料容许应力[σ]＝140×1.3＝182MPa，容许剪应力[τ]＝85×1.3＝110MPa；对于Q345材料，[τ]＝145MPa，[σ]＝210MPa，临时结构容许应力可提高30％，材料容许应力[σ]＝210×1.3＝273MPa，容许剪应力[τ]＝145×1.3＝188以下针对各类杆件进行稳定性验算：（1）支座横梁支座垫梁最大跨径4m，按单根HN700×300计算。垫梁的最大轴力为37.2kN；最大弯矩694kN∙m；构件特性为：查表有：，满足稳定要求；（2）平联平联经计算得杆件最高轴压应力70.32MPa。单支槽36a特性为，查表有：满足稳定要求；（3）斜撑斜撑经计算得杆件最高轴压应力67.2MPa。单支槽20a特性为，查表有：满足稳定要求。（4）钢管桩整体稳定系数利用有限元软件求解得到钢管桩的弹性稳定屈曲模态。计算结果表明：结构一阶弹性屈曲模态为平联横向局部失稳。表2给出了屈曲分析的相关信息，图3~5给出结构在极限承载状态下的前六个屈曲模态。由此可见钢管支架的失稳模态为平联横向局部失稳。表2屈曲因子分析类型屈曲模态数屈曲因子极限承载力(t)屈曲分析1-23286960-23.292-23315067-23.323-29453577-29.4544-29474914-29.475537453772.437.4546-38995628-38.996图3屈曲分析1、2振型图4屈曲分析3、4振型图5屈曲分析5、6振型5结论本文分析得出在钢箱梁吊装过程中，施工荷载对结构应力不起控制作用，且由于钢管桩的横向位移，下部的平联和斜撑受其影响较大，应力也较高。通过对桩顶型钢、平联、斜撑的长细比和稳定性进行验算，均能够满足规范要求，失稳模态为平联横向局部失稳。由于支架受风荷载等水平力的作用，在考虑模型的二阶效应时，本文中通过施加假想水平力考虑P-δ效应对结构稳定性的影响。由于目前对于大吨位吊装施工用组合式钢塔架结构的研究少见报道，本课题的研究有望为此类施工塔架的设计与施工提供有益的参考。参考文献[1]镇亦明.墩梁式支架法在某跨海大桥现浇箱梁施工中的应用[J]，现代交通技术，2009（6）:62-64[2]于连营.时令河大桥箱梁现浇支架设计与施工[J],石家庄铁道学院学报，2009，22（2）：107-109[3]王蓉玲.万州长江大桥临时墩设计[J],物流工程与管理，2009，10（31）127[4]傅工范.厦门大嶝桥引桥箱梁移动支架施工技术[J]，结构工程师，2006，22（1）：91-94[5]王福兴.京杭运河常州邹区大桥临时支墩的设计与施工[J],铁道勘察，2007,（1）：84[6]陈绍蕃.钢结构设计原理[M].北京：科学出版社，2005.[7]胡长明.扣件联结钢结构试验及其