钢箱梁临时支撑结构梁柱刚度比优化

李文纲

摘要：在工程建设中支架法施工应用广泛，无论是现浇还是拼装施工，均需要其支撑上部的荷载。本文以宝鸡陆港大桥钢箱梁施工为背景，重点对钢箱梁原位支架法施工中的支架结构进行力学研究，对钢箱梁临时支撑结构刚度进行理论分析，研究横梁刚度变化对支架整体受力的影响规律，得出了支架结构合理的梁柱刚度比，并成功应用于实际工程项目，为后续支架结构设计提供参考。

关键词：钢箱梁 钢管柱 临时支架 梁柱剛度比

中图分类号：U44

Abstract： in engineering construction， the support method is widely used. Whether it is cast-in-situ or assembly construction， it needs to support the upper load. Based on the construction of steel box girder of Baoji Lugang bridge， this paper focuses on the mechanical research of the support structure in the construction of steel box girder by in-situ support method. The stiffness of steel box girder temporary support structure is theoretically analyzed， the influence law of beam stiffness change on the overall stress of the support is studied， and the reasonable beam column stiffness ratio of the support structure is obtained， which has been successfully applied to practical engineering projects， so as to provide reference for the subsequent support structure design.

Key Words： Steel box girder; Steel pipe column; Temporary support; Beam column stiffness ratio

1、钢箱梁架设方法与支架结构形式

陆港渭河大桥主桥双塔双索面斜拉桥的钢箱梁采用支架法大节段吊装施工，钢箱梁施工的主要步骤是：首先，钢箱梁板单元厂内加工后，在施工现场胎架上总拼形成节段梁，之后通过有轨运梁小车将钢箱梁节段运输到桥位区域（设计位置的下一梁段处）;其次，利用两台履带吊抬吊的形式将钢箱梁节段吊装到支架上;再次，在支架上使用三向千斤顶进行横移、纵移精调至设计位置;最后，进行拼装焊接[1]。钢箱梁标准梁段长度为12.0m，宽度为37m，重量达240t，采用钢管支架四点支撑，支架平均高度20.0m。原钢箱梁支架采用φ609×10mm钢管，纵、横向间距均为2.0m，钢管柱之间采用槽钢连接。支架顶部横纵梁采用工40b型钢，长度均为3.0m。钢管柱顶部预留槽口，横向双拼工字钢放置于预留槽口中，纵向工字钢垂直放置于横向工字钢顶部。

2、钢箱梁支架优化

2.1优化原理

通过增加支架顶部纵梁的截面高度，提高其抗弯刚度，减小横力作用下纵梁纵向平面内的弯曲变形，从而减小下部钢管立柱的偏心距，使下部钢管尽可能接近轴心受压，降低下部钢管在外荷载作用下的最大应力，减小下部立柱的材料使用数量，进而减小临时设施的投入费用[2]。

2.2支架结构验算

采用有限元计算软件MIDAS/Civil，对钢箱梁支架进行有限元建模分析。优化前后支架结构见表1所示。

2.2.1模型的建立

采用有限元计算软件MIDAS/Civil，对钢箱梁支架进行有限元建模分析。支架结构全部采用梁单元，模型292共个节点，341个梁单元。支架模型的边界条件是立柱底部固结，考虑到支架钢管柱之间采用节点板和槽钢连接，故将槽钢与钢管柱之间释放梁端约束，采用铰接连接。根据支架受力过程中的最不利工况进行验算，竖向荷载主要为钢箱梁节段自重，单点荷载600kN;水平荷载主要为梁段水平调整时的推力和风荷载作用，根据现场实际情况，水平荷载为360kN[3]。

2.2.2计算结果

分别计算优化前后支架结构的应力、变形和稳定性情况，优化前支架最不利工况情况下，最大组合应力为157.9MPa，优化后最大组合应力为135.9MPa，减小约14%;最大变形减小约2.0mm。优化前后直接验算结果均满足要求。

2.3经济性对比

全桥钢箱梁共39个节段，全桥立柱钢管数量：18×8×37=5328m，优化前后造价对比。

2.3.1 优化后立柱钢管减少量

609钢管重量为147.722kg/m;529钢管重量为127.993kg/m。每延米重量相差19.729kg，全桥累计相差：19.729×5328=105116.112kg=105.116t。

2.3.2 纵向工字钢增加量

单根长度3.0m，重量73.878kg/m。增加数量：37×2×3=222m。

增加重量为：222×73.878=16400.916kg=16.401t。

2.3.3 总体节省钢材

105.116-16.401t=88.715t。

按每吨钢管原材3500元/t，运输费300元/t，安装拆除费用500元/t，合计4300元/t。合计节约成本88.715×4300=381474.861元=38.1474万元。

3、支架合理梁柱刚度比确定

3.1梁柱线刚度比

采用梁、柱弹性线刚度的比值k来反映梁、柱刚度的相对关系[4]，即：

式中：为钢材的弹性模量;为构件的截面惯性矩;为构件计算长度;称刚度比。、分别表示梁、柱的弹性线刚度;k为梁、柱线刚度比。

为便于分析，本文仅考虑单侧钢管结构，即由钢管柱、顶部型钢横梁组成的框结构进行研究。因柱的截面尺寸对轴压比、结构的侧向刚度和水平位移等参数的影响较大，所以本文调整刚度比时，在保证柱截面尺寸不变（取为529×10mm）的前提下，对顶部型钢横梁的截面尺寸做相应的调整[5]。通过增加梁截面尺寸（选择不同的型钢截面）逐级提高梁、柱线刚度比k。本文共分析了六种不同线刚度比。详细参数见表2。

根据上表中列出的六种不同的梁柱线刚度比，利用结构分析软件Midas civil对结构的强度、刚度和稳定性进行分析计算。计算模型立柱高度取10m，横梁长度2.0m，荷载为跨中集中力100kN，柱底固结，横梁两端释放梁段约束50%。

3.2梁、柱线刚度比对立柱结构的影响分析

在保持柱截面不变的情况下，调整柱顶横梁的截面面积，从结构强度、变形、稳定性等方面研究梁、柱线刚度比k对立柱结构受力情况的影响。

3.2.1 强度分析

根据上述6种不同的梁柱线刚度比，分别计算相同荷载和边界条件下，立柱组合应力的变化情况，结果见图1所示。

由图1可知，随着梁柱线刚度比的变化，立柱最大组合应力逐渐减小，说明提高线刚度比在一定程度上可以降低立柱的应力水平，提高结构的承载力。值得注意的是，这种强度随刚度比增长的关系并非呈线性关系。当最初刚度比由0.68提高至1.06时，立柱最大应力降低约9%;最后阶段刚度比由3.08提高至4.42时，立柱最大应力降低约11%[6]。

3.2.2 变形分析

根据上述6种不同的梁柱线刚度比，分别计算相同荷载和边界条件下，立柱最大变形的变化情况，结果见图2所示。

由图2可知，随着梁柱线刚度比的变化，立柱最大变形数值逐渐减小，说明提高线刚度比对结构的变形能力也有一定程度的削弱作用。

4 结语

通过对陆港渭河大桥主桥钢箱梁支架系统的详细计算，定量对比分析优化前后支架的结构受力情况和经济投入大小，表明通过增加支架顶部横梁的刚度，支架结构安全度和经济效果显著。对比不同梁柱线刚度比的情况下，支架体系的受力狀况，表明梁、柱线刚度比的提高对支架立柱结构的承载力具有明显的增强效应，对结构的变形能力也有一定程度的削弱作用。

参考文献

[1] 董祥图，丁春梅.桥梁暨市政工程施工常用计算实例[M].成都：西南交通大学出版社， 2018.

[2] 钢结构设计标准：GB 50017-2017[S].中国建筑工业出版社，2017-12-12.

[3] Anthony Quansah. 梁柱刚度比对二维框架动力性能的影响[D]. 杭州：浙江科技学院，2019.

[4] 章斌，左翼，王昌喜，等.嘉鱼长江公路大桥钢箱梁施工关键技术研究[J].中外公路，2021，41（3）：165-170.

[5] 张敏，雷栋，张金福.舟岱跨海大桥钢箱梁支架设计与施工[J].施工技术，2020，49（15）：38-40，60.

[6] 杨刚.芜湖长江公铁大桥江南接线高架桥钢箱梁施工若干关键技术研究[D]，合肥：合肥工业大学，2021.

3938500338233