九堡大桥支架的验算结果.docx

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九堡大桥支架的验算结果

一、顶推施工辅助设施的结构验算

九堡大桥工程第一合同段主桥南边跨顶推施工辅助结构设施的结构验算主要包括：

拼装区顶推墩验算及引桥临时托架的验算。

4.1拼装区顶推墩的验算

北岸拼装区顶推墩共有6个，验算时以受力最不利的ZD6号顶推墩为对象。

利用桥梁结构通用软件Midas/Civil对顶推墩进行结构受力分析，并依据相应的规范对结构的强度、稳定性及刚度进行了验算。

4.1.1分析模型

利用桥梁结构通用软件Midas/Civil对顶推墩进行有限元分析时，采用梁单元模拟顶推墩结构，全结构共有359个节点，463个梁单元。

顶推墩的离散有限元模型如图4.1-1所示。

（a）有限元模型的单元离散图（b）有限元模型的单元渲染图

（c）立柱的截面图（d）平联的截面图（e）斜撑的截面图

（f）墩顶主横梁的截面图（g）墩顶搁置梁的截面图

图4.1-1拼装区顶推墩的有限元模型

4.1.2边界条件

考虑到顶推墩的立柱钢管直接插于80cm厚C30混凝土板中，因此底部钢管桩与支撑板之间按铰接处理，而平联、斜撑与立柱之间按铰接处理，墩顶的主横梁、搁置梁与立柱之间按固结处理。

4.1.3荷载参数

验算拼装区顶推墩时需按以下三项荷载参数：

（1）竖向荷载

主体结构传递到顶推墩的设计最大荷载，即14000kN；

顶推墩的自重，根据截面积和材料密度计算得到，并考虑1.2动力放大系数；

（2）纵向水平荷载

纵向水平荷载主要为顶推时墩顶产生的最大摩擦力，静摩擦系数取为0.08，则摩擦力为0.08×14000=1120kN；

（3）横向水平荷载

横向水平荷载主要为风压荷载，包括上部结构承受的风压值及顶推墩自身的风压值。

根据桥梁施工状况，风压荷载主要考虑两个工况：

其一，静止状态时，按杭州地区50年一遇的风速取值，其相应的风压值1.082kN/m2；

其二，顶推状态时，此时按能满足施工要求的8m/s极限风速进行相应风荷载计算，相应的风压值为0.091kN/m2。

4.1.4荷载组合

根据九堡大桥主桥的施工工艺及荷载参数，在对拼装区顶推墩验算时主要两种荷载组合工况：

（1）工况1——杭州50年一遇风压作用下，主桥结构处于静止状态

相应的荷载组合为：

顶推墩自重+上部结构传递的竖向恒荷载+上部结构传递的横向风荷载+顶推墩自身的横向风荷载。

（2）工况2——在能满足施工要求的8m/s极限风速作用下，主桥结构处于顶推状态

相应的荷载组合为：

顶推墩自重+上部结构传递的竖向恒荷载+上部结构传递的纵向摩阻力+上部结构传递的横向风荷载+顶推墩自身的横向风荷载。

4.1.5验算结果

（一）强度验算

拼装区顶推墩在工况1荷载作用下的应力云图如图4.1-2所示，顶推墩在工况2荷载作用下的应力云图如图4.1-3所示。

拼装区顶推墩在工况1和工况2下计算所得的各构件最大拉压应力结果及强度验算结果如表4.1-1、表4.1-2所示。

结果表明，在工况1荷载作用下，结构的法向应力均均小于容许应力，满足安全要求；但在工况2荷载作用下，即主桥顶推过程中，顶推墩中间立柱顶段与主横梁交接区域以及中间的联系横梁的最大应力超过了钢材的容许应力，强度不能满足，需要加强。

图4.1-2工况1荷载作用下的应力云（搁置状态）

图4.1-2工况2荷载作用下的应力云图（顶推状态）

表4.1-1拼装区顶推墩在工况1下的应力状态及强度验算结果（搁置状态）

构件

结构最大应力（MPa）

材料容许应力（MPa）

验算

立柱

156.8

183

满足

平联

43.1

183

满足

斜撑

108.7

183

满足

墩顶主横梁

160.3

183

满足

墩顶搁置梁

96.3

183

满足

表4.1-2拼装区顶推墩在工况2下的应力状态及强度验算结果（顶推状态）

构件

结构最大应力（MPa）

材料容许应力（MPa）

验算

立柱

222.9

183

不满足

平联

58.1

183

满足

斜撑

147.9

183

满足

墩顶联系主横梁

227.4

183

不满足

墩顶搁置梁

172.1

183

满足

（二）稳定验算

由上述的强度计算结果可知，拼装区顶推墩在工况2作用下的应力均大于工况1的应力，因此稳定验算将针对工况2进行。

由弹性特征值稳定分析，拼装区顶推墩前四十阶失稳模态均为斜撑的失稳，如图4.1-3所示，因此稳定性分析中将以稳定系数最低的斜撑为对象。

对于斜撑，A=7.92E-03m2，I=1.75E-04m4，E=2.06E+08kN/m2,由Midas计算结果得斜撑的稳定系数为10.58，该斜撑最大轴力为1157kN，得构件相当长度为5.4m，长细比为36.3，纵向弯曲系数为0.914。

，斜撑的稳定性满足要求。

图4.1-3斜撑失稳

4.2临时托架的验算

北岸引桥桥墩处的临时托架共有3个，验算时以受力最不利的临时托架为对象。

利用桥梁结构通用软件Midas/Civil对临时托架进行结构受力分析，并依据相应的规范对结构的强度、稳定性及刚度进行了验算。

4.2.1分析模型

利用桥梁结构通用软件Midas/Civil对临时托架进行有限元分析时，采用梁单元模拟临时托架结构，全结构共有1021个节点，1096个梁单元。

临时托架的离散有限元模型如图4.2-1所示。

（a）有限元模型的单元离散图

（b）有限元模型的单元渲染图

（c）钢立柱的截面图（d）辅助钢立柱的截面图（e）平联的截面图

（f）斜撑的截面图（g）主横梁的截面图（h）联系横梁的截面图

图4.2-1临时托架的有限元模型

4.2.2边界条件

考虑到临时托架的立柱钢管直接插于承台中，因此底部钢管桩与承台之间按固结处理，平联、斜撑与立柱之间也按铰接处理，而柱顶的主横梁、搁置梁与立柱之间处理为固结。

4.2.3荷载参数

验算临时托架时需以下三项荷载参数：

（1）竖向荷载

主体结构传递到临时托架的设计最大荷载，每侧15000kN，共30000kN；

临时托架的自重，根据截面积和材料密度计算得到，并考虑1.2动力放大系数；

（2）纵向水平荷载

纵向水平荷载主要为顶推时架顶产生的最大摩擦力，静摩擦系数取为0.08，则摩擦力为0.08×30000=2400kN；

（3）横向水平荷载

横向水平荷载主要为风压荷载，包括上部结构承受的风压值及临时托架自身的风压值。

根据桥梁施工状况，风压荷载主要考虑两个工况：

其一，静止状态时，按杭州地区50年一遇的风速取值，其相应的风压值1.082kN/m2；

其二，顶推状态时，此时按能满足施工要求的8m/s极限风速进行相应风荷载计算，相应的风压值为0.091kN/m2。

4.2.4荷载组合

根据九堡大桥主桥的施工工艺及荷载参数，在对临时托架验算时主要两种荷载组合工况：

（1）工况1——杭州50年一遇风压作用下，主桥结构处于静止状态

相应的荷载组合为：

临时托架自重+上部结构传递的竖向恒荷载+上部结构传递的横向风荷载+临时托架自身的横向风荷载。

（2）工况2——在能满足施工要求的8m/s极限风速作用下，主桥结构处于顶推状态

相应的荷载组合为：

临时托架自重+上部结构传递的竖向恒荷载+上部结构传递的纵向摩阻力+上部结构传递的横向风荷载+临时托架自身的横向风荷载。

4.2.5验算结果

（一）强度验算

临时托架在工况1荷载作用下的应力云图如图4.2-2所示，顶推墩在工况2荷载作用下的应力云图如图4.2-3所示。

临时托架在工况1和工况2下计算所得的各构件最大拉压应力结果及强度验算结果如表4.2-1、表4.2-2所示。

结果表明，在工况1荷载作用下，结构的法向应力均均小于容许应力，满足安全要求；但在工况2荷载作用下，即主桥顶推过程中，顶推设备下方的斜撑钢管的最大应力超过了钢材的容许应力，强度不能满足，需要加强。

图4.2-2工况1荷载作用下的应力云图（搁置状态）

图4.2-3工况2荷载作用下的应力云图（顶推状态）

表4.2-1临时托架在工况1下的应力状态及强度验算结果（搁置状态）

构件

结构最大应力（MPa）

材料容许应力（MPa）

验算

钢立柱

139.1

183

满足

辅助钢立柱

11.8

183

满足

平联

67.8

183

满足

斜撑

97.1

183

满足

主横梁

56.7

183

满足

联系横梁

105.8

183

满足

附墙

163.1

183

满足

表4.2-2临时托架在工况2下的应力状态及强度验算结果（顶推状态）

构件

结构最大应力（MPa）

材料容许应力（MPa）

验算

钢立柱

136.5

183

满足

辅助钢立柱

12.5

183

满足

平联

107.7

183

满足

斜撑

217.9

183

不满足

主横梁

168.1

183

满足

联系横梁

131.9

183

满足

附墙

165

183

满足

（二）稳定验算

由上述的强度计算结果可知，临时托架在工况2作用下的应力均大于工况1的应力，因此稳定验算将针对工况2进行。

根据Midas弹性特征稳定的分析结果，V型托架在工况2作用下立柱、顶部水平联（HN800及槽25）最易失稳，三构件的最小失稳系数分别均为46、25.5、37.9，相应的失稳模态为如图4.2-3~4.2-5所示。

在工况2荷载作用下，立柱、顶部水平联（HN800、槽25）各构件的有效长度及纵向弯曲系数值见表4.2-3，各构件的稳定性验算结果如下：

立柱：

。

顶部水平联（HN800）：

。

顶部水平联（槽25）：

。

由此可见，临时托架各构件的稳定性均满足安全要求。

表4.2-3工况2下临时托架各构件的有效长度及纵向弯曲系数

构件

稳定系数

轴力（kN）

临界轴力（kN）

相当长度（m）

截面积（m2）

惯性矩（m4）

长细比

λ

纵向弯曲系数

Φ1

立柱

46

5662

260452

8.67

5.30E-02

9.64E-03

20.34

0.97

顶部水平联HN800

25.5

981

25016

3.09

2.67E-02

1.17E-04

46.62

0.87

顶部水平联槽25

37.9

11.7

443

3.23

3.95E-03

2.28E-06

134.64

0.365

图4.2-4立柱失稳模态

图4.2-5顶部水平联（HN800）失稳模态

图4.2-6顶部水平联（槽25）失稳

4.3辅助设施的分析小结

通过对九堡大桥主桥南边跨顶推过程中拼装区顶推墩及引桥临时托架的验算，可以得到以下一些结论：

（1）拼装区顶推墩及临时托架的稳定性均能满足施工安全要求；

（2）拼装区顶推墩中间立柱顶段与主横梁交接区域以及中间立柱顶端的联系横梁的最大应力均超过了钢材的容许应力，强度不能满足，需要加强。

（3）临时托架位于顶推设备下方的斜撑钢管的最大应力超过了钢材的容许应力，强度不能满足，需要加强。