豎向剪刀撐及平聯(lián)對(duì)高聳型螺旋鋼管支架 穩(wěn)定性影響分析

2016-10-29  by:CAE仿真在線(xiàn)  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

中鐵十七局三公司  總工程師  周永明

摘  要 論文分析了高聳型螺旋鋼管支架剪刀撐設(shè)置方法,通過(guò)理論公式與邁達(dá)斯軟件計(jì)算對(duì)比,驗(yàn)證了軟件計(jì)算支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的準(zhǔn)確性。利用軟件計(jì)算四種剪刀撐設(shè)置方案下支架整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,以及增加平聯(lián)后支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,計(jì)算結(jié)果表明剪刀撐豎向均勻布置、適當(dāng)剛度的設(shè)置原則對(duì)提高支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最為有效。

1  概述

橋梁施工中,尤其是鋼管混凝土拱肋安裝支架、斜拉橋主塔上橫梁現(xiàn)澆支架,通常設(shè)計(jì)為高聳型螺旋鋼管落地支架結(jié)構(gòu),支架高度均在30 m以上,主要通過(guò)結(jié)構(gòu)布置方案、設(shè)置豎向剪刀撐及平聯(lián)來(lái)保證支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。目前,關(guān)于支架剪刀撐施工與計(jì)算的資料較少,導(dǎo)致高聳型支架施工中出現(xiàn)不設(shè)支撐、剪刀撐設(shè)置不合理、材料浪費(fèi)等現(xiàn)象,增大了支架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

日常施工中計(jì)算支架的穩(wěn)定性經(jīng)常采用公式[1]

                 N/φA≤f               (1)

式中:N為單根鋼管軸力,為根據(jù)構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比選取的穩(wěn)定系數(shù),A為鋼管橫截面面積,f為材料容許應(yīng)力。

此計(jì)算方式存在一定的局限性,忽略了剪刀撐及平聯(lián)對(duì)整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響;支架剪刀撐及平聯(lián)設(shè)置僅通過(guò)施工經(jīng)驗(yàn)布置,不能有效地反映整體支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

本文主要從3個(gè)方面分析:①利用Midas計(jì)算單根螺旋鋼管失穩(wěn)臨界荷載,再通過(guò)理論計(jì)算公式驗(yàn)證軟件計(jì)算的準(zhǔn)確性;②不同的剪刀撐設(shè)置方案對(duì)整體高聳型支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響;③支撐設(shè)置中平聯(lián)對(duì)支架穩(wěn)定性的影響。

2  穩(wěn)定性分析及計(jì)算原理

為保證施工中臨時(shí)結(jié)構(gòu)正常工作,必須滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的要求。高聳型支架結(jié)構(gòu)即使強(qiáng)度等性能滿(mǎn)足要求,仍然會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)破壞,故穩(wěn)定性分析是非常重要的內(nèi)容。失穩(wěn)一般可分為局部失穩(wěn)和整體失穩(wěn)[2]。

局部失穩(wěn)是指在鋼結(jié)構(gòu)中,由于板件寬厚比過(guò)大,在受壓、受彎、受剪或應(yīng)力復(fù)雜的情況下發(fā)生屈曲的現(xiàn)象。整體失穩(wěn)是指結(jié)構(gòu)在未達(dá)到強(qiáng)度極限,甚至未達(dá)到屈服極限時(shí),由于側(cè)向屈曲引發(fā)承載能力喪失,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的現(xiàn)象。當(dāng)結(jié)構(gòu)所受荷載達(dá)到某一數(shù)值時(shí),若施加一微小的增量,即稍有擾動(dòng),則結(jié)構(gòu)的平衡位置將發(fā)生很大的改變,這種情況叫做結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)或屈曲,相應(yīng)的荷載稱(chēng)為屈曲荷載或臨界荷載[2]。臨界荷載計(jì)算式為[3]

式中:Fcr為結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)臨界荷載值;E為材料彈性模量;I為截面慣性矩;μ為構(gòu)件長(zhǎng)度系數(shù);l為構(gòu)件長(zhǎng)度。

本文主要計(jì)算結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性,邁達(dá)斯屈曲分析用于預(yù)測(cè)一個(gè)理想彈性結(jié)構(gòu)的理論屈曲強(qiáng)度,模型假設(shè)為完善體系,符合歐拉公式假設(shè)條件[4]。

Midas計(jì)算臨界荷載Fcr為

式中:α為結(jié)構(gòu)第1模態(tài)臨界荷載特征值;變量為構(gòu)件所受外界壓力,即支架上部荷載傳遞到螺旋鋼管的壓力;常量為構(gòu)件自重。

臨界荷載特征值可以反映支架結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性,特征值越大、支架穩(wěn)定性越強(qiáng),反之則弱[5]。

3  剪刀撐及平聯(lián)對(duì)支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

3.1  計(jì)算模型

根據(jù)支架結(jié)構(gòu)形式,首先建立單根鋼管模型,計(jì)算屈曲臨界荷載特征值,再通過(guò)理論計(jì)算公式驗(yàn)證軟件計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,根據(jù)單根立管的穩(wěn)定性計(jì)算原理,分別計(jì)算4種不同剪刀撐布置方案下的穩(wěn)定性,并通過(guò)修改模型中剪刀撐的型號(hào)得出材料強(qiáng)度對(duì)支架穩(wěn)定性的影響規(guī)律,在此基礎(chǔ)上計(jì)算增加平聯(lián)后支架整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

在施工中,高聳螺旋管支架最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的型號(hào)為φ630×9mm。以某項(xiàng)目斜拉橋主塔橫梁現(xiàn)澆支架剪刀撐布置方案為例(見(jiàn)圖1),驗(yàn)證軟件計(jì)算的準(zhǔn)確性。主塔橫梁支架結(jié)構(gòu)采用“碗扣件+單層貝雷梁+鋼管支墩”形式,支架結(jié)構(gòu)鋼管支墩高度40m,共采用4根鋼管立柱,主梁截面以上豎向設(shè)置4組剪刀撐,單組剪刀撐豎向尺寸為4m,采用[20b型號(hào)槽鋼,主塔橫梁恒載、活載根據(jù)計(jì)算分配至單根鋼管立柱軸力為1 250 kN。

3.2  單根螺旋鋼管穩(wěn)定性分析

1)軟件計(jì)算結(jié)果

建立單根螺旋鋼管模型,屈曲模態(tài)數(shù)量設(shè)為10,以第1模態(tài)屈曲特征值為臨界荷載特征值。建立自重荷載工況及軸力荷載工況,其中螺旋鋼管自重設(shè)置為常量,軸力設(shè)置為變量。

計(jì)算第1模態(tài)臨界荷載特征值α=0.215124,故Fcr=267 kN。

2)理論公式計(jì)算結(jié)果

鋼管高度40 m,根據(jù)長(zhǎng)細(xì)比計(jì)算判定為大柔度壓桿,失穩(wěn)破壞先于強(qiáng)度破壞。φ630×9mm螺旋鋼管臨界荷載特征值

對(duì)比計(jì)算結(jié)果可知,二者計(jì)算屈曲誤差僅為0.37%。

3.3  設(shè)置剪刀撐對(duì)支架穩(wěn)定性的影響

支架高度40m,縱橋向、橫橋向間距均為3.2m。剪刀撐采用[20b,每組剪刀撐豎向高度均為4 m。

方案1:距離支架頂部2.5 m設(shè)置第一道橫撐,支撐豎向間距相同均為10 m,沿支架豎向均勻布置至底部。

方案2:距離支架頂部0.4 m設(shè)置第一道橫撐,支撐豎向最大間距為13 m,剪刀撐間距沿支架豎向逐漸增大,布置不均勻。

方案3:距離支架頂部0.4 m設(shè)置第一道橫撐,減少一組剪刀撐設(shè)置,沿支架豎向設(shè)置3組剪刀撐,剪刀撐最大間距17.5 m,均勻布置。

方案4:距離支架頂部8.5 m設(shè)置第一道橫撐,沿支架豎向設(shè)置3組剪刀撐,剪刀撐最大間距9.5 m,均勻布置。4種支架結(jié)構(gòu)布置方案見(jiàn)圖2。

利用Midas計(jì)算4種剪刀撐布置方案下結(jié)構(gòu)臨界荷載特征值,以臨界荷載特征值>4為控制條件,選擇最優(yōu)方案。通過(guò)臨界荷載特征值即可得到支架結(jié)構(gòu)的屈服臨界荷載,臨界荷載特征值越大,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越強(qiáng)。4種支架結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見(jiàn)圖3。

通過(guò)對(duì)4種剪刀撐布置方案的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,得到屈曲臨界荷載特征值,見(jiàn)表1。其中,方案1屈曲荷載特征值為最大4.26,滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的要求,其他3種布置方法對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性均有不同程度地降低。通過(guò)比選剪刀撐材料[20b、[16b可知,[20b剪刀撐滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)、安全的要求。因此按照支架豎向均勻布置四組剪刀撐方案對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的提高最為顯著。

表1  屈曲臨界荷載特征值

3.4增加平聯(lián)對(duì)支架結(jié)構(gòu)的影響

高聳型螺旋管支架立柱拼接常采用焊接、栓接結(jié)合的連接方法,安裝過(guò)程中必須嚴(yán)格控制立柱的垂直度。剪刀撐的設(shè)置是否需要安裝平聯(lián),平聯(lián)對(duì)支架結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程中及結(jié)構(gòu)完全受力后的穩(wěn)定性是否有所提高,通過(guò)對(duì)上述4種剪刀撐布置方案增加平聯(lián)(圖4)進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性屈曲荷載特征值計(jì)算,驗(yàn)證平聯(lián)對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。

增加平聯(lián)后屈曲臨界荷載特征值見(jiàn)表2。由表2可知,增加平聯(lián)后屈曲臨界荷載特征值減小,說(shuō)明支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性沒(méi)有提高反而降低,可見(jiàn)支架剪刀撐的剛度過(guò)大對(duì)支架結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性存在不利的影響。因此應(yīng)根據(jù)不同的支架結(jié)構(gòu)形式,合理選擇剪刀撐材料及布置方案。在保證支架穩(wěn)定性的前提下,剪刀撐應(yīng)具有較小的變形范圍,分散剪刀撐的應(yīng)力集中,避免剪刀撐整體剛度過(guò)大對(duì)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低的現(xiàn)象。

表2  增加平聯(lián)后屈曲臨界荷載特征值

4  應(yīng)用實(shí)例

    北京至沈陽(yáng)鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)玉龍?zhí)卮髽?/span>203#~204#墩以120 m系桿拱跨越既有玉龍路,拱肋安裝支架高度25 m,拱肋鋼管支架模型見(jiàn)圖5。根據(jù)剪刀撐對(duì)支架整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的計(jì)算,臨時(shí)支架采用Φ180×10mm鋼管,剪刀撐采用∠75×8組成2m×2m的格構(gòu)柱形式,支架高度隨安裝位置高度確定。支架縱橋向采用φ133鋼管構(gòu)成桁架進(jìn)行連接,橫橋向采用I32b工字鋼貫通連接,側(cè)面用工字鋼與預(yù)埋錨頭連接牢固,支架安裝時(shí)可采用鋼絲繩臨時(shí)固定,防止傾倒,待支架構(gòu)成整體后再拆除鋼絲繩。

根據(jù)拱肋節(jié)段重量計(jì)算荷載,單根立柱荷載為600 kN,建立拼裝支架整體模型見(jiàn)圖5,計(jì)算結(jié)構(gòu)第1模態(tài)臨界荷載特征值為4.559078>4,滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工穩(wěn)定性的要求,支架強(qiáng)度及剛度通過(guò)計(jì)算滿(mǎn)足規(guī)范要求。

支架設(shè)計(jì)采用Φ180×10無(wú)縫鋼管,取代常用Φ630×9mm鋼管。剪刀撐材料選用剛度較小的角鋼,降低了拼裝支架的整體用鋼量?，F(xiàn)場(chǎng)施工剪刀撐沿支架豎向均勻設(shè)置,剛度適中,取得了良好的效果。

5  結(jié)論

1)通過(guò)理論公式與軟件計(jì)算高聳型支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,驗(yàn)證了軟件計(jì)算支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的可行。臨時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可以采用軟件計(jì)算整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,避免了采用單根螺旋管穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的局限性。

2)根據(jù)不同剪刀撐布置方案的計(jì)算與比選,可以得出均勻等間距布置方式對(duì)提高整體支架穩(wěn)定性最為顯著;剪刀撐應(yīng)該根據(jù)支架的高度、螺旋管立柱型號(hào)、立柱布置間距等因素選擇合適的材料,單純的提高剪刀撐的強(qiáng)度與剛度并不能提高整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3)應(yīng)根據(jù)安裝需求設(shè)置平聯(lián),計(jì)算結(jié)果表明在剪刀撐滿(mǎn)足支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的情況下,增加平聯(lián)反而會(huì)降低整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,施工中不宜選取此類(lèi)剪刀撐剛度過(guò)大的設(shè)置方案。

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