桥梁护栏对钢管支架支撑保护作用分析

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摘要：钢管临时支架在工程建设中应用广泛，保证安全性及稳定性是项目顺利进行的重要前提。文章考虑桥梁护栏对钢管临时支架的水平支撑作用，采用SAP2000软件对结构整体进行有限元分析，并用传统计算方法对混凝土护栏的强度进行验算。结果表明原有护栏结构是对临时支架有良好的支撑作用，并给出了支撑构件在原有结构的布置建议。

关键词：钢管临时支架；桥梁护栏；支撑结构；有限元分析

前言

随着交通事业的蓬勃发展，特别是在原有构筑物上的扩建工程，钢支墩多点平移法施工被广泛应用于公路桥梁工程中，而钢管支架在吊装预制箱梁中应用广泛。文献[1]中提出结合钢管支架的施工方法能够有效解决跨线箱梁桥梁净空较低的情况下施工难题，提升施工过程的安全性，有效缩短施工周期，带来可观的经济效益，节约了成本。文献[2]根据工程实践以及验算，认为钢管立柱横向稳定性难以满足要求，需要增强横向刚度，保证钢管支架结构的平面外稳定。有限元计算有适用性强、输出结果直观明了等优点[3]，因此采用有限元计算软件对临时支架进行验算。本文结合实际工程，对钢管支架进行验算、SAP2000建模、原有结构验算等，探究既有桥梁结构对钢管支架在桥梁施工中的有效作用。

1项目概况

苏州某高速公路工程在既有桥面上对箱梁进行吊装时，采用钢支墩多点平移法施工，在地面以及既有桥面布置平移平台和临时钢管支架，并在其上布置滑道。平移安装平台及临时支架的布置，布置示意图如图1所示。

2落地支架模型分析

本文对不考虑护栏作用与考虑护栏作用的钢管支架分别进行分析，分析简图如图2所示。

2.1模型参数

采用SAP2000软件对支架进行有限元分析。落地支架总高度25m，宽度4.5m（图中X轴方向），厚度3m（图中Y轴方向），模型如图3（a）所示。顶部钢梁采用H400×200×8×13的H型钢，垂直支撑采用L63×6的角钢，横向、纵向水平杆用12号槽钢，立杆用325×6圆钢管。钢材牌号均采用Q235。工程采用碗扣式支架。碗扣节点承载能力强，固结牢固，因此各节点均按刚性节点考虑[4-5]。支架受竖向荷载W和考虑吊装或拖移引起的水平荷载F作用。模拟时，考虑单侧承受梁段荷载的同时承受水平力作用。水平力F按竖向荷载W的10%计算，W为单侧钢箱梁总重的50%，钢箱梁总重取为100t，即单侧竖向荷载W为500kN，水平荷载F为50kN。竖向荷载和水平荷载均按均布线荷载施加到顶端H型钢梁上。采用线性荷载组合，支架自重系数取1.0，竖向荷载分项系数取1.0，水平荷载分项系数取1.5。

2.2不考虑护栏时支架有限元运算结果

运行结果显示，各构件应力均小于材料的屈服应力；支架A、B轴两侧框架最大轴力处均为底部杆件，底部节点竖向反力值见表1。表中负值表示受拉，正值表示受压。模拟计算得到落地支架顶端最大位移为31.253mm，约为总高度的1/800。

2.3考虑护栏时支架有限元运算结果

落地支架顶面与桥面的垂直距离为7.2m，故在距离支架顶部约7.2m处高度的节点施加水平约束，简图如图2（b）所示。运行结果显示，最大应力依旧远小于材料屈服应力，底部竖向反力值见表2。模拟计算得到落地支架顶端最大位移为6.672mm，约为总高度的1/3750。2.4优化对比由柱状图可得，考虑护栏、设置水平支撑后，钢管支架顶端最大位移降低了约78.65%；A轴底部轴力由受拉变为受压，并且轴力大小降低约37.19%，B轴底部压杆轴力降低约70%。

3桥面支架模型分析

桥面支架的分析简图如图6所示。桥面支架总高度7.2m，宽度4.5m（图中X轴方向），厚度3m（图中Y轴方向），模型如图3（b）。模型参数与落地支架相同。

3.1不考虑护栏时支架有限元运算结果

运行结果显示，各构件应力均小于材料的屈服应力；支架A、B轴两侧框架最大轴力处均为底部杆件，底部节点竖向反力值见表3。表中负值表示受拉，正值表示受压。模拟计算得到桥面支架顶端最大位移为2.848mm，约为总高度的1/2530。

3.2考虑护栏时支架有限元运算结果

由表3可得不考虑护栏时桥面支架底部最大拉力为34.65kN，立杆底部混凝土基础重量只有约10kN，因此在以上荷载模式下，桥面支架有一定的倾覆危险。考虑护栏的支护作用，用100×12的圆管穿钢棒穿过中央隔离护栏进行加固。考虑混凝土基础失效的情况：去掉A轴底部支座，穿钢棒视为梁单元，护栏位置增加铰支座，B轴底部由固定支座转换为铰支座，分析简图如图7（b）所示。通过模拟计算得，模型最大位移为61.66mm，约为总高度的1/120。

3.3优化对比

在一端基础支座失效情况下，考虑护栏作用的模型，底部轴力、位移均增大。采用不同截面尺寸的穿钢棒进行加固时，对底部轴力变化无太大影响，但结构位移变化显著。从图7中可看出，穿钢棒刚度越大，对结构的约束效果越好。

4原有结构验算

桥梁护栏参与结构受力，因此需要对护栏进行强度验算。边护栏只需要进行抗弯承载力验算，中间护栏根据受力情况可只进行抗冲切承载力验算。设支护作用位置与护栏顶部距离为h，总高度为H。

4.1边护栏抗弯承载力验算

模拟计算得考虑护栏水平支撑作用的落地支架，在护栏处剪力V大小为38.38kN。护栏长度取1m，护栏保护层厚度c取50mm，钢筋直径d为16mm。竖向钢筋，As=2010mm2。护栏计算简图如图9所示。偏保守计算，取边护栏截面为单筋截面。护栏所受最大弯矩：根据混凝土结构原理[6]中的单筋截面设计公式：As=2010mm2，满足抗弯承载力校核，其中酌s取最小值0.74。

4.2中护栏抗冲切承载力验算

模拟计算出考虑护栏水平支撑作用的桥面支架，在护栏处竖向反力F大小为52.79kN。护栏采用C40混凝土，抗拉强度标准值ftk为2.39MPa。护栏计算简图如图10所示。参考混凝土结构设计规范[7]中的不配置箍筋或弯起钢筋的板的抗冲切公式，对抗冲切承载力计算公式进行简化：其中A1，A2为45。冲切面。解得h>17.5mm。可见混凝土本身可以承受冲切反力，满足抗冲切要求。中护栏箍筋，取1m长度进行校核箍筋抗拉强度是否满足。故箍筋受拉强度亦满足。

5结论及建议

①本文通过对钢管支架的三维有限元模拟分析，给出了4种分析模型的模拟结果，并校核了原有结构的强度。为今后高难度临时支架的验算提供了思路及计算模型。②无侧向支撑的落地支架，内力、位移均偏大，且由于基础造价较高，提供的抗拔力有限，故存在倾覆危险。考虑原有护栏作水平支撑后，内力与位移明显降低，支架底部失效模式受拉转变为受压，数值上降低了37.19%，受压反力大小降低了70%。③为不影响原有桥面，桥面支架基础简单搁置在桥面上，存在倾覆危险。一般来说，可通过增加配重或者加大基础尺寸来满足抗倾覆要求，但该做法不经济，施工复杂，影响工期。本文通过计算认为，在原有桥梁中间护栏处设立支点可以解决倾覆问题，但是该体系位移略大，需要引起重视。同时，穿钢棒需要有足够大的刚度。④在搭设立交桥临时支架时，原有桥梁护栏有较高的可利用度，且临时支架作用的反力对护栏本身影响甚微。考虑到混凝土护栏中钢筋的布置，笔者建议将支点设立在距离护栏顶部150mm处，可保证安全。

参考文献

[1]雷鹏晖.贝雷梁结合钢管支架在跨线变高度箱梁现浇施工中的应用[J].福建交通科技,2020(05):151-153.

[2]任翔,王璐,刘洋,等.跨既有线系杆拱钢管立柱支架施工安全性分析[J].中外公路,2020,40(05):112-117.

[3]郭金双.有限元计算软件用于钢管支架验算的适用性分析[J].价值工程,2020,39(05):277-279.

[4]苟小兵.宝成线高边坡崩塌防护工程脚手架有限元分析[J].山西建筑,2010,36(26):85-86.

[5]王有志.桥梁钢管支架安全评估方法研究[D].天津大学,2004.

[6]李爱群,王铁成,等.混凝土结构设计原理[M].北京:中国建筑工业出版社,2016.

[7]GB50010-2010,混凝土结构设计规范[S].

作者：曾准 单位：中铁铁建十六局集团第三工程有限公司