某钢桥拆除临时支架模拟研究.docx

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某钢桥拆除临时支架模拟研究

某钢桥拆除临时支架模拟研究

摘　要：

临时支架在桥梁结构的安装过程中具有重要作用，其拆除顺序对于结构的应力、变形影响很大。

使用大型有限元软件建立了某钢桥全桥的整体有限元模型，对于临时支架体系的拆除过程进行了模拟研究，选择最优的拆除方案。

分析结果表明：

在最优拆除方案下，结构最大应力为169 MPa，最大变形为29.6 mm，满足要求；该拆除方案可以保证结构的安全性，相比满堂支架体系降低了工程造价、缩短了工期。

关键词：

钢桥； 临时支架；施工模拟； 拆除方案； 有限元分析

0　引　言

随着我国国民经济的发展，钢结构桥梁工程项目越来越多，钢桥强度较高，通常为工厂制作、现场拼装，施工周期短，且易表现出优美的造型[1]。

由于桥梁结构的复杂程度越来越高，其在施工阶段和使用阶段受力往往相差很大，因此必须考虑施工过程中的构件吊装、安装和临时支架拆除时结构和构件的内力、变形以及临时支架体系的强度、稳定性等问题[2-3]。

但是实际施工过程中，临时支架经常由施工人员按照经验搭设，而未经过严谨的设计计算，另外施工过程中的不确定因素较多，容易导致施工事故的发生[4]。

因此，对于复杂结构，有必要进行施工模拟，以保证结构在施工过程中的安全性。

目前的施工模拟通常使用有限元软件进行，在多个荷载步单独施加荷载，每一个荷载步均考虑前一荷载步的计算结果，利用该技术可以对于施工过程进行准确的模拟。

本文使用大型有限元软件对于某钢桥的拆除过程进行模拟分析，选择合理的拆除方案，保证结构的施工安全[5]。

1　工程概况

某钢桥全长959.47 m。

主桥上部结构为拱结构支承连续钢箱梁，全长270 m，跨径布置为（35+4×50+35） m。

由5个造型相似的主拱及主梁组成，桥梁立面如图1所示。

图1　桥梁立面

临时支架体系由φ600×12钢管柱、柱上I32工字钢梁、梁上[16槽钢小立柱组成，如图2所示。

图2　临时支架体系

2　临时支架拆除方案

步骤1：

由桥梁中跨向两端拆除主拱与主梁之间的临时支撑，顺序为：

8号墩→7号墩→9号墩→6号墩→10号墩，桥墩编号即为轴线号，如图1所示。

步骤2：

由桥梁中跨向两端拆除主拱下的临时支撑，顺序为：

7～8号墩→8～9号墩→6～7号墩→9～10号墩→5～6号墩→10～11号墩。

拆除过程如图3所示[6]。

a—初始状态;b—步骤1;c—步骤2。

图3　拆除过程

3　拆除过程模拟

3.1　结构有限元模拟

建立全桥结构有限元计算模型如图4所示。

主拱、主梁、挑梁及横隔均采用Shell 63单元模拟，加劲肋采用Beam 188单元模拟。

图4　结构有限元模型

桥墩处约束三向平动自由度（x向、y向、z向）。

临时支撑轴向刚度为650 000 kN/m，偏安全未考虑其弹性，耦合主梁与主拱间临时支撑处竖向自由度（z向）。

主拱下的临时支撑约束竖向自由度（z向），计算模型施加自重荷载、端部压重及飘带荷载。

3.2　步骤1模拟结果

分两步拆除8号墩处主梁与主拱间的临时支撑，如图5所示，此时柱3轴力最大，因此首先拆除柱3，再拆除柱1和柱2。

柱轴力变化如表1所示。

注：

1～3为临时支架柱编号。

图5　主梁与主拱间临时支架示意

表1　主梁与主拱间临时支架柱轴力

kN

拆除状态柱1柱2柱3初始状态时221.5193.0325.5拆除柱3后242.2380.8—

可见在拆除过程中，柱2受力最大，为380.8 kN，结构的最大应力产生于柱2上端的主拱横隔板处，最大应力为142.4 MPa；拆除柱3、柱1、柱2后结构最大变形为17.0 mm，产生于中跨主梁处，挠度与跨度之比为1/2 300，如图6所示。

a—结构局部应力,MPa;b—结构变形,mm。

图6　结构应力、变形响应云图

同样按照柱3、柱1、柱2的顺序对7、9、6、10号墩处主梁与主拱间的临时支架进行拆除，结构响应与8号墩情况类似，最大应力约为140 MPa，最大变形对应挠跨比约为1/2 300。

原因在于主梁与主拱间的临时支架拆除仅影响本跨内力变化，而对于整体结构影响不大。

3.3　步骤2模拟结果

首先分析7～8号墩临时支架的受力情况，如图7所示，共有10排临时支架柱，为使桥墩尽量发挥作用，先拆除柱1、柱2、柱9、柱10。

根据表2中初始状态下临时支撑柱轴力，首先拆除柱2、柱9，其次拆除柱1、柱10，可见此时柱3—柱8轴力变化不大，因此先拆除柱1、柱2、柱9、柱10是合理的。