1、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，
2、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
3、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 +80m610m。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 3.6m
4、梁高的过渡。全桥 24 类 55 个梁段。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（N1N24） ，其中锚固段 8 个（N13N20） ，大节段 16 个（N1N12 、N21N24） ，最大节段尺寸为 1872m，最大节段重量 1020.342t。钢箱梁吊装顺序按 N1N24 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
5、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
6、支架的有限元模型，主塔区支架采用 210 根 1.0m及 26 根 0.82m 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 2HN700300mm/Q345 和 2HN700300mm/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（再间隔 10m）设一道平联，并相应的设置斜撑。上下共设四道横向联接系，左右两侧钢管通过三个横向联接系联接。主塔区支架结构有限元模型如图 2 所示：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（1）钢箱梁恒载主塔区支架主要承担主塔两侧大节段钢箱梁（N3 、N
7、4 、 N7、N8）和合拢段钢箱梁（N1、N2）的重量。根据设计图纸，N3、N4、N7 、N8 箱梁重 1020t，合拢段箱梁重420t。钢箱梁节段 N1、N2 全部作用在塔区支架上，根据支点位置及钢箱梁截面形状，外侧两个支点分别承担 1554 kN、内侧两个支点分别承担 546 kN。钢箱梁节段 N3、N4、N7和 N8 的重量平均分配于两端支架，每个支架分担 510t。根据支点位置及钢箱梁截面形状，外侧 1 个支点分担 3775 kN、内侧 1 个支点分担 1326 kN。钢箱梁的自重及其受到的风荷载以集中荷载的形式施加到支架顶部的临时支座上。(2) 支架系统自重支架系统自重包括分配梁、钢
8、管、平联及斜撑等。架体的自重可由有限元软件计算得出。（3）风荷载考虑到本支架系统的施工使用时间为 2009 年 4 月2009 年 8 月时间段。根据气象资料，工作风速为 V6=13.8m/s；最大风速为 9 级，最大风速 V9=24.4m/s；台风期风速V10=34.8m/s，支架结构整体稳定性按该值进行验算，支架施工应避开台风期。经计算得：支架台风期风荷载大小为 1.68 kN /m；工作期风荷载大小为 0.264kN/m；箱梁纵向风荷载：台风期 N3、N4 、N7、N8 节段箱梁的风荷载大小为435.5kN；N1、N2 节段箱梁的风荷载大小为 170.6kN。工作期 N3、N4 、N7、
9、N8 节段箱梁的风荷载大小为 68.4kN；N1、N2 节段箱梁的风荷载大小为 26.8kN。箱梁横向风荷载：台风期箱梁的风荷载大小为 109.5kN；工作期箱梁的风荷载大小为 17.1kN。(4) 箱梁微调荷载聚四氟乙烯板与钢垫板之间的静摩阻系数为 0.1，动摩阻系数为 0.05，则钢箱梁节段N3、N4、N7 和 N8 微调荷载按外侧支座处为 22.2t，内侧支座处为 7.8t；钢箱梁节段 N1和 N2 微调荷载按外侧支座处为 9.25t，内侧支座处为 3.25t。3.3 主塔区支架工况验算组合主塔区支架上有六段钢箱梁架设，在对支架进行验算时，取多种工况进行分析，本文最终取以下三种控制荷载组
10、合：工况 1：N1、N2、N3 节段钢箱梁自重+ 支架自重+工作风载 +调整梁段的微调荷载工况 2：全部钢箱梁自重+支架自重+工作风载工况 3：全部钢箱梁自重+支架自重+台风风载其中工况一考虑箱梁架设施工以及精调过程中最不利组合；工况二是考虑正常使用状态下结构的受力；工况三是考虑台风作用下（即极限状态）结构的受力及钢管支架结构的稳定性能。其中钢箱梁风载为纵向风载，方向垂直于纵桥向；其它工况的风载为横向风载，方向垂直于横桥向。箱梁微调的方向与风载方向相同。4、计算及分析4.1 特征值屈曲分析原理在稳定平衡状态，考虑到轴向力或平面内力对弯曲变形的影响，根据势能驻值原理得到结构的平衡方程为：（2-1
11、 ）EGKUP式中： 结构的弹性刚度矩阵；EK结构的几何刚度矩阵或初应力刚度矩阵；G节点位移向量；U节点荷载向量；P上式也是几何非线性分析的平衡方程。为得到随遇平衡状态，应使系统势能的二阶变分为零，即：（2-2 ）0EGKU因此必有： （2-3 ）式（2-3）中的结构弹性刚度矩阵为已知，因此荷载也就是待求得屈曲荷载，故几何刚度矩阵为未知的。为求得该屈曲荷载，任意假设一组外荷载 ，与其对应的几何刚度矩0P阵为 ，并假定屈曲时的荷载为 的 倍，固有 = ，从而式（2-3）0GK0PGK可变为：（2-4 ）0E将（2-4）写成特征值方程为：（2-5 ）iGiK式中， 第 i 阶特征值；i与 对应的特
12、征向量，相应该阶屈曲荷载时结构的变形形状，即屈曲模态或失稳模态。在有限元特征值屈曲分析时，其结果输出的是 和 ，即屈曲荷载系数和屈曲模态，ii而屈曲荷载为 。i0P4.2 二阶效应 9-10建筑结构的几何非线性二阶效应一般认为由两部分组成：P- 效应和 P- 效应。P- 效应是指由于构件在轴向压力作用下，自身发生挠曲引起的附加效应，可称之为“构件挠曲二阶效应” ，它通常指轴向压力在产生了挠曲变形的构件中引起的附加弯矩。附加弯矩与构件的挠曲形态有关，一般中间大，两端小。P- 效应是指由于结构的水平变形而引起的重力附加效应,可称之为“重力二阶效应” 。结构在水平力( 风荷载或水平地震力) 作用下发
13、生水平变形后,重力荷载因该水平变形而引起附加效应。结构发生的水平侧移绝对值越大，P- 效应越显著,若结构的水平变形过大，可能因重力二阶效应而导致结构失稳。本文在有限元分析过程中, 采用在平联与立杆的连接节点处施加假想水平力的方法模拟该钢管支架 P- 效应对结构稳定性的影响，P- 效应则通过软件中非线性参数设置实现。4.3 计算结果施工过程包括工况组合一到工况组合三，钢管桩和横向联接系由于共同作用因而受力会因施工过程变化，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 96.46 M
14、Pa。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mkN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mkN座垫梁在竖向荷
15、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(JTJ 025-86)中规定，对于 Q235 材料的弯压构件， 85MPa， 140MPa，临时结构容许应力可提高 30，材料容许应力1401.3182MPa，容许剪应力 851.3110MPa ；对于 Q345 材料，145MPa，210MPa，临时结构容许应力可提高 30，材料容许应力2101.3273MPa，容许剪应力 1451.3188
16、MPa 。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 HN700300 计算。垫梁的最大轴力为 37.2kN；最大弯矩 694kN m；构件特性为： 0576.,0678.,293.0,0235.,.40 myx WiiAml4678.981e yxihLa01.293x查表有： ， 1853.02270.964128.7.1853mmNMMPaAW 0.94Pa1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 ，miimAll yx027.,14.0,069.,.87.021 5714.081xiL查表有： 9
17、MPaMPa148.032.71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 ，miimAl yx021.,78.0,028.,6.587.0 .18.6501xiL查表有： 1MPaMPa8.1370.2.7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 35 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)1 -
18、23286960 -23.292 -23315067 -23.323 -29453577 -29.4544 -29474914 -29.4755 37453772.4 37.454屈曲分析6 -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
19、二阶效应时，本文中通过施加假想水平力考虑 P- 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）:62-642 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）：107-1093 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）1274 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）：91-945 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）：846 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理论研究D.西安: 西安建筑科技大学,2008.8 胡长明,曾凡奎,王静,等.广义初始缺陷对模板支架稳定性的影响 J.工业建筑,2010,40(2): 17-19.9 李云贵, 黄吉锋.钢筋混凝土结构重力二阶效应分析J.建筑结构学报(增刊1), 208-212.10 张再兴.钢桁架拱桥非线性稳定性分析J. 山西建筑， 2009，35（3）：321-322
