现浇箱梁支架设计及Midas Civil 建模验算

朱洪明

(福建第一公路工程集团有限公司，泉州 362000)

1 引言

现浇箱梁是常用的桥梁上部构造结构形式[1]，需搭设支架进行施工； 工程中出现支架垮塌的事故屡见不鲜[2]，除搭设操作、外界客观原因外，也有支架设计不合理的原因。随着科研工作者对有限元的不断研究，已将其广泛应用于多个工程领域[3-6]；在工程建设领域，Midas Civil 有限元分析软件也常被应用于桥梁结构验算和临时支架验算[7-10]；利用有限元分析软件可以快速计算支架系统各杆件的受力状态， 但如果在布置荷载时与实际受力存在较大偏差， 就将导致分析结果与支架的实际受力情况存在差异；软件中布置的荷载越接近实际情况，分析计算的结果就越能作为施工的指导依据。

2 工程概况

某高速公路项目标段内设计有两个落地互通， 互通匝道桥现浇箱梁共计19 联，箱梁型式为普通钢筋混凝土现浇箱梁。 跨径16～16.5m，桥面宽度8.5～38.7m，箱梁高度1.4m， 翼板宽度1.6～1.75m， 箱梁腹板标准宽度为50cm，在跨中处设计有一道50cm 宽的横隔板，桥位处墩高3.3～18m，大部分现浇桥位地质均有厚淤泥层，淤泥层厚10～20m。

3 支架设计比选方案

底模、内模均采用1.5cm 厚的竹胶板；底模下设置9cm×9cm 的横向枕木，枕木间距为20cm；枕木放置在纵向的I10 工字钢上。 支架断面下方的设计比选方案如下：

方案一 钢管桩贝雷支架

采用钢管桩(P 529×8) 通过法兰连接钢管立柱(P 529×8)，钢管立柱间距为2～4.6m，柱顶工字钢(I50b)横梁上搭设“321”型贝雷片主纵梁，腹板下的贝雷片采用2×45cm 贝雷组，箱室中心采用2×90cm 贝雷片组，翼板下采用1×150cm 贝雷片组；贝雷片上设置工字钢(I 16)横向分配梁(纵向间距1.2m)， 盘扣式钢管(标准步距1m，横隔板下的纵向间距为60cm，其余标准纵向间距为1.2cm，箱室底横向间距为0.6、0.9m，翼板横向间距0.9m)，底托支撑在I 16 横向分配梁上。 贝雷梁不设坡度，箱梁的横坡与纵坡均通过支架钢管、方木、顶托等调整。

方案二 松木桩处理基础配钢管贝雷支架

设计为设置中支墩的两小跨支架， 先采用松木桩对地基进行局部处理，梅花型布置间距50cm，在处理地基上铺设20cm 调平垫层后设置混凝土预制块条形基础(中支墩处宽度256cm，两端处宽度为170cm，高度60cm)，钢管立柱(P 529×8)立于条形基础上，而后设置柱顶横梁及贝雷支架(布置形式方案一)。

方案三 承插型盘扣式满堂支架

钢管(φ60×3.2)在横隔板下的纵向间距为60cm，其余标准纵向间距为120cm； 箱室底的横向间距为0.6、0.9m， 其 余 横 向 间 距0.9m； 钢 管 标 准 步 距 为1.5cm，每4～6 层设置一层水平斜杆；纵向斜杆满布；硬化层基础采用15cm 厚的C15 砼， 硬化层底回填60cm 以上的宕渣。

4 方案比选

基于施工工期、施工成本、施工难易程度等对支架方案进行比选。 比选结果如表1 所示。

表1 支架方案比选表

项目部最终决定采用盘扣式满堂支架法施工现浇箱梁。

5 支架建模验算

5.1 荷载分析

验算荷载一般有：上部结构自重、模板重量、施工荷载、振捣混凝土产生的荷载、支架系统自重、风荷载等。支架验算时，常将上部结构自重简化为均布荷载进行验算[11]；因箱室腹板与箱室空心段重量不同，箱室截面也存在渐变段，可知实际的上部结构自重并非均布荷载，所以简化的均布荷载与实际受力存在一定偏差。 以桥宽8.5m、跨径16m、墩高15m 为例；单跨混凝土方量85m3；硬化层基础宽度11m，硬化厚度15cm；宕渣总厚度按不小于60cm 控制并整平压实，填筑时分层填筑，每层厚度按不大于40cm 控制； 采用Midas Civil 有限元分析软件建模验算，将箱梁平面图导入到Midas Civil 中，根据不同的截面位置， 布置不同大小的荷载， 以力求接近实际受力。

表2 荷载取值表

分析支架强度时， 荷载组合按1.2×((1)+(2)+(3))+1.4×((4)+(5))。

5.2 建模验算及分析

5.2.1 建模方法

(1)建立整个支架的虚拟标高系统，例如将梁底标高假定为0.000m，再根据支架系统计算各层构件的标高；

(2)在CAD 平面图中画出所涉及的现浇箱梁边界、墩柱、承台、系梁、箱室腹板线、方木、型钢、水平杆等线条，分图层，在图层前加上虚拟标高，以便导入时输入Z 坐标参数；

(3)将CAD 另存为DXF 文件，导入Midas Civil 中，选择材料、截面，输入Z 坐标参数，生成各层单元；

(4)补充建立竖向单元、斜向单元及软件未能自动识别的单元，定义节点连接形式，定义支承；

(5)布置荷载，分割板单元，设定荷载组合，运行分析。

5.2.2 建模过程要点

(1) 将CAD 导入Midas Civil 中时， 注意明确腹板位置、截面变化位置，并画出方木的布置线；

(2)已画出的方木布置线将平面图划分成若干个区域，用多段线将CAD 中各区域连成闭合的区域线，将腹板、翼板、箱室、变化段区域归集在各自专用的图层，在Midas Civil 中定义竹胶板厚度的若干个虚拟板单元与图层一一对应，材料参数按照竹胶板力学参数[12]输入；

(3)根据箱室截面位置选用均布压力荷载、梯形压力荷载的形式，根据截面混凝土高度计算荷载后，以相应的形式布置荷载；

(4)将虚拟板单元进一步分割成若干个小单元，沿着方木布置方向的分割间距一般可以按10cm 控制， 垂直于方木的方向可按照4 等分控制；

图1 翼缘板砼荷载示意图

图2 箱室空心部分砼荷载示意图

图3 腹板、横隔板、梁端砼荷载示意图

图4 变截面段砼荷载示意图

(5)将水平荷载换算成线荷载，作用于侧面立杆上，q=0.3×1.2=0.36kN/m。

5.2.3 支架建模验算结果

软件计算方木应力σ压max=4.6MPa，σ拉max=5.2MPa；I10 工字钢应力σ压max=61.4MPa，σ拉max=60MPa。

图5 方木弯曲应力示意图(单位：kPa)

图6 I10 弯曲应力示意图(单位：kPa)

图7 立杆应力示意图(单位：kPa)

图8 水平杆应力示意图(单位：kPa)

软件计算立杆应力σ压max=100.5MPa，σ拉max=14.9MPa；水平杆应力σ压max=21.1MPa，σ拉max=19.8MPa。

软 件 计 算 竖 向 斜 杆 应 力σ压max=35.7MPa，σ拉max=10.8MPa；水平斜杆应力σ压max=6.5MPa，σ拉max=9.4MPa。

图9 竖向斜杆应力示意图(单位：kPa)

图10 水平斜杆应力示意图(单位：kPa)

5.2.4 软件计算结果分析

(1)软件计算的钢管压应力值σ 分析

软件自动计算的以上钢管的压应力值σ， 计算公式应为σ=N/A，验证如下：

力学模型见图11。

图11 力学模型

建立模型分析应力结果见图12。

图12 力学模型计算应力图(单位：kPa)

模型中的钢管φ60mm×3.2mm 的截面积A=0.000571m2，N=30kN，N/A=52.54MPa， 与软件自动计算的应力数值相同； 由此可以判断， 该模型软件自动计算的钢管压应力σ=N/A。

(2)依据软件计算结果进一步分析

依据标准[13]的表4.3.9-1 和表4.3.9-2 对方木(南方松TC15A) 的设计强度值进行调整， 抗弯强度fm=15×0.9×1.1=14.85MPa，顺纹抗压强度fc=13×0.9×1.1=12.87MPa。

规程[14]要求杆件稳定性需满足N/(ψA)≤f ，依据公式5.3.2-1 和5.3.2-2 计算立杆长细比如下：

取k=0.7，a=0.65m，η=1.2，h=1.5m，h′=1m。 计 算 得ι01=1.8m，ι02=1.91m，

ι0=Max(ι01，ι02)=1.91m

最小回转半径i=0.0201m

立杆长细比λ=ι0 / i=95， 查附录D-2， 得稳定系数ψ=0.512

水平杆ι0=1.2m，i=0.0109m，λ=110， 套查附录D-1，得稳定系数ψ=0.516

竖向斜杆ι0=1.92m，i=0.0109m，λ=176，套查附录D-1，得稳定系数ψ=0.23

水平斜杆ι0=1.7m，i=0.0109m，λ=156， 套查附录D-1，得稳定系数ψ=0.287

进一步分析汇总如表3：

另经计算分析，支架构件强度、刚度、稳定性、硬化层强度、厚度、宕渣层和基底承载力均满足要求，因篇幅限制，此处不详述。

6 结语

表3 满堂支架部分构件拉、压应力分析表

笔者结合某项目现浇箱梁支架方案设计， 进行方案比选，并利用Midas Civil 建立支架模型，阐述了一种较为实用的建模方法，相比传统的简化荷载，此法更加接近实际受力；但需注意，不能简单的将软件计算的钢管应力数值直接与设计强度进行比较， 而是需要进一步结合杆件的长细比、稳定系数判断杆件稳定性是否符合要求。该盘扣式满堂支架在软件中建模计算的结果， 成功地为现场施工提供了指导；并通过现场的施工验证，支架架体保持完好，地基沉降也达到要求范围内。现浇箱梁在设计中较为常用，支架方案选用时，往往需要结合项目工期、施工成本等因素进行分析；在支架验算时，可采用手工计算、有限元分析软件计算；随着科技的飞速发展，有限元分析软件在工程建设领域必将得到更广泛的应用。