桥梁主塔下横梁支架受力分析

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  摘 要:本文以龙潭过江通道主桥为工程背景,介绍分析了主塔下横梁支架结构布置形式、荷载选取及荷载组合形式,并对施工过程中支架刚度、强度、稳定性进行验算分析,同时利用ANSYS有限元软件分析了结构局部受力,结果表明支架各项指标可靠,保证主塔施工质量并对同类工程施工有一定的借鉴意义。
  关键词:主塔支架;强度;稳定性;局部受力
  中图分类号:U441 文献标识码:A
  0 引言
  龙潭过江通道位于长江南京段最下游,以桥梁形式跨越长江,该项目是《江苏省高速公路网规划(2017-2035)》“十五射六纵十横”高速公路网中S47仪征至禄口机场高速公路过江通道,北岸连接扬州仪征市,南岸连接南京市、镇江句容市,线路全长7.165 km。龙潭过江通道采用公铁合建、跨江桥跨形式,大桥规划建设四线铁路,分别是京沪铁路外绕两线铁路和客专联络线两线铁路。龙潭过江通道建成后,将实现南京与盐城间的高速沟通,提升南京首位度 。
  1 设计概况
  龙潭过江通道主桥主跨为1 560 m的两塔单跨钢箱梁悬索桥,其中南塔包含两个塔柱和上、下横梁,本文以下横梁支架为例进行分析计算。下横梁高9.0 m,顶底板厚0.8 m,腹板厚1 m,设3道壁厚0.8 m的竖向隔板。为结合景观效果,在横梁下缘处设置了弧形装饰板,下横梁为预应力混凝土结构,施工分两次混凝土进行浇筑,装饰板与第一层混凝土同时浇筑。
   (1) 结构布置。下横梁支架钢立柱+桁架+牛腿的支撑体系。支架采用18根φ800×10钢立柱,立柱通过埋件固定在承台上;钢立柱之间设置φ426×6平联和2[25a、2[32a斜撑;立柱高度范围内设置2层φ426×6扶墙与主塔相连;主横梁采用2HN700×300、3HN700×300、2HM588×300和
  HM588×300型钢;主横梁上设置321型贝雷梁与新制桁架;新制桁架位于梁段装饰块圆弧段处,一端支撑于2HN700×
  300牛腿上,一端支撑于立柱上;贝雷梁位于塔身非圆弧段位置处,中间位置支撑于立柱上,端部支撑于牛腿上;贝雷梁及新制桁架上设置工25a横向分配梁。
   (2) 设计难点。1)主塔下横梁处设置有2 m厚装饰块,且在横梁两端呈弧形布置,使得支架设计较为困难,支架受力不均匀。2)支架结构为落地式支架,支架搭设时吊装困难。
  2 荷载分析及荷载组合
   (1)荷载分析。1)结构自重:由有限元软件自行计入。2)模板自重:按2.0 kN/m2考虑。3)现浇钢筋混凝土梁荷载(G2)。①竖向力。分配梁间距为750mm时,装饰块处荷载根据实际计算施加。计算得:,,。②侧压力。根据《建筑施工模板安全技术规范》[1],新浇筑的混凝土作用于模板的最大侧压力标准值可按下列公式计算,并取其中的较小值:
  根据规范查系数计算得F取122 kN/m2。
  4)施工人员及设备荷载(Q1):按2.5 kN/m2考虑。5)混凝土倾倒和振捣荷载(Q2):按2.0 kN/m2考虑。6)风荷载(Qw)。根据《建筑结构荷载规范》[2],垂直于建筑物表面上的风荷载标准值,计算主要受力结构时,应按下列规定确定:。
   (2)荷載组合。按最不利原则,主要考虑以下工况:
  工况1(空载工况):模板安装完毕、梁体钢筋安装前工况,考虑风速28.9 m/s作用。工况2(作业工况):浇注混凝土工况,考虑风速13.8 m/s作用。
  各工况荷载组合如表1所示:
  3 计算模型及结果
  采用MIDAS有限元分析软件进行建模计算。边界条件如下:钢立柱在承台埋件处固结,牛腿在主塔埋件处固结,扶墙在主塔埋件处铰结。横梁与钢立柱,贝雷梁与横梁、垫梁,新制桁架与牛腿、横梁均采用铰结。支架主要计算结果如表2所示:
  根据模型计算结果可知:钢立柱φ800×10组合应力最大,为180 MPa,小于钢材组合应力强度设计值215 MPa;主横梁3HN700×300剪应力最大,为94 MPa,小于钢材剪应力强度设计值125 MPa;以上工况下支架最大顺桥向位移为29 mm,小于L/250;支架各构件强度和刚度均满足设计及规范要求。
  4 构件稳定性验算
  根据《钢结构设计标准》[3]进行构件的稳定性验算。提取模型计算结果φ800×10钢立柱,φ426×6扶墙,新制桁架HM588×300等结构内力计算构建稳定性系数均小于1,稳定性满足规范要求。
  5 连接计算
   (1)钢立柱埋件。主桥承台采用C40混凝土。提取模型计算结果,埋件处反力设计值为:拉力,剪力,弯矩。
  按《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)计算如下:
  计算得:
  故设计拟采用18根直径为32 mm的HRB400锚筋,钢筋面积As=14 476 mm2,满足设计及规范要求。
  按《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)8.3.1计算锚筋长度。取径为32 mm的HRB400锚筋取锚固长度1 050 mm,满足规范及设计要求。
   (2)钢立柱埋件锚板。锚板单位面积的压应力计算:
  锚板按三边简支,计算其单位宽度上的最大弯矩。
  按最大弯矩计算锚板厚度,取(t>16 mm
  ~40 mm)。,故取锚板板厚t=25 mm。
   (3)耳板及销轴。扶墙处耳板厚度为25 mm,加强板厚度为12 mm,材质为Q345B,开孔,根据前面计算,扶墙处最大拉力设计值。
  根据《钢结构设计标准》(GB50017-2017)进行吊耳及销轴计算。
  销轴孔净截面处的抗拉强度,板端部截面抗拉(劈开)强度,耳板抗剪强度,轴承压强度,销轴抗剪、抗弯强度均满足设计及规范要求。   6 分配梁计算
  分配梁采用工25a型钢,按简支梁进行计算,验算横隔板(荷载最大)和靠近主塔(跨径最大)两处的分配梁。
   (1)横隔板处。横隔板处的分配梁计算跨径;分配梁自重q1=0.381 kN/m;梁段荷载q2=0.175.5 kN/m;模板荷载q3=2.0 kN/m;混凝土倾倒和振捣荷载q4=2.0 kN/m。
  最大内力值:
  ,
  最大应力:
  ,
  由计算结果可知横隔板处分配梁满足要求。
   (2)靠近主塔处。靠近主塔处的分配梁计算跨径。分配梁自重q1=0.381 kN/m;梁段荷载q2=58.0 kN/m;模板荷载q3=2.0 kN/m;混凝土倾倒和振捣荷载q4=2.0 kN/m。
  最大内力值:,
  最大应力:,
  由计算结果可知靠近主塔处分配梁满足要求。
  7 局部受力计算
  (1)钢立柱柱脚混凝土局部受压承载力计算。按《混凝土结构设计规范》知配置间接钢筋的混凝土结构构件,其局部受压区的截面尺寸应符合:。
  式中,─局部受压面上作用的局部压力设计值,。计算得,计算结果满足要求。
  (2)钢立柱柱顶计算。用ANSYS建立钢立柱柱顶局部模型,柱顶卸荷块处反力设计值为3 528 kN,钢立柱在底部固结,算分析可知钢立柱柱顶最大组合应力为188 MPa,小于215  MPa,满足使用及规范要求。
  8 结论
  主塔下横梁支架安装与塔身施工可同步进行,待塔身施工过下横梁位置后进行下横梁混凝土浇筑,不影响主塔施工进度,保证了施工质量和工期,因此采用落地支架的形式较为合理。通过对龙潭过江通道主塔下横梁支架计算分析可知,各工况荷载组合下支架结构的强度、刚度、稳定性均满足规范及设计要求,结构处于安全状态。通过计算分析可以优化混凝土荷载取值,合理设计支架结构形式,节约工程成本,为今后类似工程提供参考。
  参考文献:
  [1]中华人民共和国国家标准.《建筑施工模板安全技术规范》(JTG 162-2008).北京:中国建筑工业出版社,2018.
  [2]中华人民共和国国家标准.《钢结构设计标准》(GB50017-2017).北京:中国建筑工业出版社,2018.
  [3]中华人民共和国国家标准.《建筑结构荷载规范》(GB 50010-2010).北京:中國建筑工业出版社,2019.
  [4]中华人民共和国国家标准.《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010).北京:中国建筑工业出版社,2011.
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