某连续刚构桥墩顶0号块三角托架力学性能分析

某连续刚构桥墩顶0号块三角托架力学性能分析

付井平

韶关市城乡规划市政设计研究院广东韶关512000

摘要：为了探究三角托架的力学规律，本文利用大型有限元软件Ansys构建了三角托架力学模型，依托四川某公路大桥主梁０＃块三角托架的受力分析，验证了有限元模型计算结果的有效性，并结合施工监测结果，对托架结构的安全性与稳定性进行了评价。研究结果表明：数值模型与实体模型实测结果相比较，理论值与实测值结果吻合较好，验证了模型的正确性和可靠性，为同类型结构的分析提供参考。

关键词：连续刚构桥；双肢薄臂墩；0#块施工；三角托架；有限元

引言

大跨连续刚构桥0#块的支撑方案根据墩身高度不同，通常采用的施工方案有落地支架法、墩顶托架法等。山区连续刚构（梁）桥大体积0#块施工由于受自身高墩、大跨度及地形、地势条件的限制，用落地支架法进行施工已经难以满足施工需求，而墩顶托架法充分利用桥墩自身承载能力和对称同时施工的方法，给施工带来了很大的方便。由于三角形托架具有体积小、传力路径明确、便于施工等优点，设计时首先考虑采用三角形托架[1-3]。托架是为连续刚构（梁）桥主梁0#段施工而设计的临时支撑结构，必须具有足够的强度和刚度，并形成空间稳定的整体[4-5]。

随着临时托架在桥梁施工应用中逐渐增多，托架的施工技术和计算理论也逐渐完善，但是托架支撑系统的杆件搭设复杂，对模型模拟技术有较高要求，然而对支架杆件的内力与稳定性分析的研究并不多，对托架的受力性能与状态的研究也鲜见。凭经验或局部验算对托架进行设计会使托架强度不够或者过大，要么承载力难以满足要求，要么浪费材料。三角形托架因传力路径明确且体积小等特点，应在施工时优先采用三角形托架。托架的制作即可采用型钢加工又可采用万能杆件等进行拼装[6]。由于三角形托架以各种优点，在工程施工中得到了广泛应用，但对三角托架的力学特性的研究并不是很多。因此，对三角托架的力学特性进行深入研究尤为重要。

1三角托架结构形式

托架主要由三角架、竖撑、斜梁和横向分配梁组成，均采用型钢加工。三角架按结构形式可以为由水平杆件和一斜杆组成的三角架（图a），由水平杆件、一斜杆和斜撑杆组成的三角架（图b），由水平杆件和两根斜杆组成的三角架（图c），由水平杆件、竖杆、斜杆及水平连接杆组成的三角架（图d），桁架结构形式的三角架（图e）。三角架种类繁多，不同形式的三角托架的受力性能都有各自的特点，本文限于篇幅，主要对由四根杆件组成的三角托架（图d）进行研究。

图1三角托架结构类型图

2实桥分析

2.1工程概况

四川某公路大桥采用三跨连续刚构体系（主梁为72m＋130m＋72m预应力混凝土结构连续刚构），全桥分左右两幅，主梁采用单箱单室、纵向、竖向和横向预应力混凝土箱型断面结构。主桥0＃块件长10米；1#-8#节段长3.5m，9#-15#节段长4.4m；16#节段2.4m为边跨合龙段，17#节段2.4m为中跨合龙段，18#节段5.7m为边跨现浇段，中跨合拢段设横隔板；箱梁顶宽12.25米，底宽7米，箱梁两侧翼缘长2.625米，两横隔板间顶板厚0.30米，箱梁底板厚1.0-0.3米渐变，腹板厚0.7-0.5米渐变。

2.2托架构造与施工过程

本工程零号块现浇所用三角托架如图2所示，每侧所用三角托架为3个。

图2三角托架立面布置图

在主墩施工至墩顶时，按设计位置，预留托架安装孔。墩身施工完毕后，安设28c槽钢箱三角托架，其上安装45b工字钢作为分配梁，分配梁上铺设16b槽钢箱立柱，再将配置好的底模铺设在立柱上，为保证底模高程的准确性，在底模与立柱之间设高程调节块。

2.3有限元模型的建立

基于上述三角托架的受力分析结果，借助大型有限元计算程序Ansys，根据实桥所用三角托架构造，对在预压荷载作用下对其中一个三个托架进行分析，旨在明确三角托架的位移和受力情况，并结合施工监测结果，对托架结构的安全与稳定性进行评价。

计算模型中上锚采用Link10单元模拟，型钢以beam188单元模拟，三角托架截面为2［28型钢，水平杆长度为2.93m，斜杆长度为5.00m，竖杆长度为4.18m，锚杆为φ32螺纹钢。模型中钢材弹性模量为2.06e11pa，泊松比为0.3，密度取值为7698kg/m3。该模型共分1872个节点，1878个单元，端部边界条件处理为结构底部节点采用固结，锚杆只有水平约束。

图4实桥三角托架预压结构分析

由图4中的a图可知，在预压最大荷载下的竖向位移最大值为10.6mm，而实测值为8.3mm，最小值-8.0mm，实测值为-6.5mm。由图b可得，最大拉应力为108.335MPa，最大压应力为96.764MPa，所用型钢为HRB235材料，容许应力为140MPa，因此该结构处于安全与稳定状态。

3结论

本文针对托架是临时支撑结构，现在还没有专门的设计规范，以往施工0#段的托架缺少空间上的整体分析，对由四根型钢组成的三角托架结构进行了安全与稳定性研究，为该技术的设计与施工提供科学的参考依据，使得设计更为合理，施工更加安全。通过研究得出的结论如下：

（1）通过对三角托架进行数值模拟，验证了有限元模型的正确性和可靠性，

（2）该三角托架水平杆是对位移与应力最敏感的部件，设计时应适当加强。

（3）通过理论计算和现场采集的数据表明，本桥0#块件预压过程中，整个托架系统各部分的应力实测值和理论值均满足规范限值要求，托架变形量，强度、刚度满足要求，表明托架系统处于安全范围之内。

参考文献：

[1]孙建胜，韩青青.某连续刚构桥大体积0号块简易托架法施工技术[J].施工技术，2012，41（3）：85-87.

[2]焦钢，陈伟.大跨连续刚构桥零号块施工托架设计[J].石家庄铁路职业技术学院学报，2005，4（2）：76-78.

[3]何志勇.沙港大桥刚构0号段支撑设计及施工技术[J].铁道标准设计，2005（5）：56-58.

[4]卢映锟.黄延高速裢达沟特大桥1、5#墩0#段施工托架设计[J].铁道工程学报，2005，22（4）：34-38.

[5]王福成.跨包茂高速65+112+65m刚构连续梁0#块托架设计与施工[J].石家庄铁路职业技术学院学报，2015，14（2）：11-17.

[6]周云武.高墩大跨度连续梁0号块施工托架优化设计[J].价值工程，2016（2）：93-95

作者简介：付井平，男，硕士。