贝雷支架在高排架大跨度渡槽施工中的应用研究.pdf

作者简介郭延辉（），男，高级工程师，主要研究方向：水利工程。贝雷支架在高排架大跨度渡槽施工中的应用研究郭延辉袁晶练尧杰（青海省引大济湟工程建设运行局西宁；中国水利水电第四工程局有限公司西宁；青海大学土木工程学院西宁）摘要：结合青海省引大济湟工程实际，利用贝雷桁架和钢立柱进行离地、高跨度渡槽的槽体施工支撑，采用有限元软件对工程中的贝雷梁施工支架进行数值模拟，通过对贝雷梁施工支架温度敏感性分析、内力分析、稳定性分析、模态分析和可靠度分析等综合分析，得出适应青海高寒高海拔地区高排架大跨度施工的贝雷梁施工支架。该研究解决了高排架大跨度施工中搭建满堂脚手架施工支撑用量大、耗费施工成本、拆装复杂、拖延工期等难题，从而可快速、安全、便捷地完成施工任务。关键词：高寒高海拔；贝雷施工支架；温度敏感性分析；模态分析；线性稳定分析；自振分析；可靠度分析 ，（，；，；，）：，：；青海交通科技 第期引言贝雷片的结构简单，运输方便，安装快捷，载重量大，互换性好，适应性强。在高排架大跨度施工中可很好地代替传统组装繁琐、用量大、成本高、工期长的满堂脚手架施工支撑，从而更加快速、安全、便捷地完成施工任务，大量节约施工成本和时间成本。现以青海省引大济湟工程渡槽贝雷梁支架现浇法施工为例，介绍高寒高海拔地区贝雷梁施工支架在高排架大跨度施工中的应用，为后续相关工程提供借鉴。工程背景工程处于青海省引大济湟工程渡槽 排架柱位置。施工用临时支架主体采用钢管柱加贝雷梁形式。柱顶分配梁规格为 ，长，通过柱头与立柱相连，立柱之间设置稳定联结系。柱顶分配梁上架设贝雷梁，采用加强型贝雷梁，横向共榀，在主梁腹板下方布置有三道贝雷梁。贝雷梁上间隔 设工横向分配梁，上面均布纵向方木，再铺竹胶板。材料参数（）竹胶板：规格 根据 竹编胶合板国家标准，现场采用厚光面竹胶板为类一等品，静弯曲强度，弹性模量 ，密度取 。实际取值见表。表竹胶板材料特性表型号抗拉压弯 抗剪 弹性模量 备注 竹胶板 面板（）木材：的方木为针叶材，类，方木的力学性能指标按公路桥涵钢结构及木结构设计规范中的 类木材并按湿木材的 取值，则：；。实际取值见表。表方木材料特性表型号抗拉压弯 抗剪 弹性模量 备注方木 （）钢结构材料实际取值见表。表钢结构材料特性表型号抗拉压弯 抗剪 弹性模量 剪切模量 备注钢 分配梁钢 贝雷片（）贝雷片的材料采用钢材，弦杆采用槽钢（，间距），腹杆采用工字钢（，）。贝雷片的连接为销接。（）分配梁采用钢材，顶部分配梁采用型钢，底部分配梁采用双拼型钢。截面特性实际取值见表。第期青海交通科技表常用分配梁截面特性（）型号截面积 惯性矩 截面模量 每米长质量 备注 （）钢管柱及支撑截面特性实际取值情况如表所示。表常用钢管立柱截面特性（）型号截面积 截面模量 每米长质量 备注 数值模拟项目的贝雷梁临时支架采用 建立模型，进行数值模拟计算分析，横向分配梁、贝雷架、贝雷架下横向分配梁和钢管柱均采用梁单元模拟。结构体系自重由程序自动计算。边界条件考虑：在分配梁与贝雷梁之间、贝雷梁与双拼分配梁以及钢管柱顶双拼分配梁与钢管柱之间采用弹性连接方式连接。贝雷片每分段销接释放梁端约束。模型建立贝雷梁支架模型结构由弦杆、腹杆、贝雷架上分配梁、贝雷架下分配梁、钢管柱、支撑架、支撑架、钢柱支撑、方木、竹胶板十种材料组成，在不改变结构各项性能指标的基础上，对其进行了如下简化：不考虑支架上的固定细小结构实体，如螺栓，建模过程中用边界条件代替；模型不考虑地基土沉降对模型的影响，建模时将支架与地基连接处全部固结。结构图如图所示。图支架结构计算模型图青海交通科技 第期荷载工况系数的确定自重为恒荷载，系统温度上升荷载，系统温度下降荷载，设计风荷载 ，场地类别，地基土容许承载力为的黏性土壤。根据规范和实际的荷载，由于地理环境和主要受力荷载，本文贝雷支架仅考虑自重和各施工荷载的作用。具体工况组合如表所示。表各个荷载工况荷载组合值系数工况自重施工动荷载上弦模板重量、和振捣荷载竖杠模板重量、振捣荷载下杠模板重量、振捣荷载上弦重量 竖杆重量 下弦重量施工阶段一 施工阶段二 施工阶段三 受弯曲作用构件挠度的容许值不宜超过表的规定。表受弯曲作用构件挠度的容许值序号构件类别容许值主体结构的构件 注：为跨度或支点间距离，悬臂构件可取挑出长度的倍；在标准风荷载下，结构柱的横向位移不应大于，为从地基到塔顶的总高度。贝雷梁支架风荷载敏感性分析风荷载标准值指作用于支架上的水平荷载标准值，计算公式为：（）（）式中：为风荷载标准值（）；为高度处的风振系数，本例中按规范取；为风压高度变化系数，本例中取；为支架风荷载体型系数，本例中取；为基本风压（），本例中取。计算得到风荷载标准值，在 程序中将风荷载按节点荷载的方式加载到钢管的节点上，得出应力分布情况如图所示。图第三期荷载工况、最不利荷载工况组合应力图 第期青海交通科技 综合图，得到结构体系在两种工况作用下的最大组合拉应力、压应力，详见表。表结构拉、压应力表类别三期荷载 三期荷载风荷载 增长率 拉应力 压应力 由表可知，贝雷梁结构体系的应力变化值的综合变化率为，由于敏感率均较小，结构体系的抗风敏感性均较强。实际高海拔施工过程中可以不考虑风荷载对结构的影响。但由于该风荷载以静力荷载施加，未考虑风荷载存在的动力特性，敏感性研究有待进一步完善。贝雷梁支架温度荷载敏感性分析该模型的线性热胀率和单元温度的变化（温差）是热变形的函数。由于其为钢结构，具有较高的线性热胀率，因此对其进行温度变化分析十分必要。由于整体受温度的影响比较均匀，所以只考虑了温度的作用。系统温度是对整个建筑物进行整体的升、降。在 软件中，可以对全部的单元进行温度变化的分析，最后的温度（体系温度）必须被输入到程序中。为明确理解不同温度对结构稳定性的影响，参照，本文取现场全年气温为支架实际工作温度，支架使用的临时性规定温度为：、。在最不利荷载工况作用下结构体系的组合最大温度拉、压应力及变化率如图、表所示。图结构体系最不利荷载工况作用下最大温度拉、压应力走势图表结构体系温度拉、压应力表温度 拉应力 变化率 压应力 变化率 由图、表可知：结构以的拉、压应力为基准应力。、拉应力变化率为、，拉应力随温度的上升增加；、拉应力变化率为、，拉应力随温度的下降增加。、压应力变化率为、，压应力随温度的上升增加；、压应力变化率为、，压应力随温度的下降增加。青海交通科技 第期结构拉、压应力随温度上升、下降而增加，温度的上升引起的上升率小于温度下降引起的上升率。总体上，温度下降拉应力变化率大于压应力变化率，温度上升拉应力变化率小于压应力变化率。当温度为时，拉应力变化率为。因此，在高寒地区温度应力对高排架大跨度贝雷梁的影响比较显著，不可忽略不计。贝雷梁支架内力分析荷载取值：（）永久作用：钢材自重计算采用容重：，钢筋混凝土自重计算采用容重：，钢筋混凝土总重，则顺桥向每个分配梁承担荷载为，主要集中于弦杆处，此次计算按 比例分配于弦杆处和横梁处的分配梁单元。（）可变荷载：施工人员、施工料具堆放、运输荷载标准值：，由上述荷载取值和荷载组合向模型施加渡槽施工期荷载，得到最不利荷载工况下，结构上产生最大弯矩、剪力、轴力、应力分布见图（）（）所示。图结构最大弯矩、剪力、轴力、应力分布图 第期青海交通科技 得出结构各方向最大扭矩、弯矩、剪力、轴力，以及其他应力，如表所示。表钢立柱各项数据表工况三扭矩（）弯矩（）剪力 轴力 弯应力 剪应力 轴应力 组合应力 局部坐标 局部坐标 局部坐标 注：剪力正面正向为正，反之为负；弯矩、扭矩上拉下压为正，反之为负；轴力、应力拉为正压为负。由运行结果可知：施工阶段三的结构产生最大组合应力产生在弦杆上，最大组合应力为 材料强度设计值，满足强度设计要求。结构产生的最大弯矩产生在第组底部分配梁中间位置，最大剪力产生在第组底部分配梁中间位置，最大轴力产生在、号钢立柱上，最大弯矩为，最大剪力为，最大轴力为，满足强度设计要求。最不利荷载工况下，产生最大位移分布见图。图结构位移分布图（）结构、方向最大位移如表所示。表结构最大位移工况整体坐标 整体坐标 整体坐标 整体坐标和位移 施工阶段三 青海交通科技 第期 由表可知：结构的最大位移产生在弦杆直接与地基搭接至、号立柱搭接位置中间的架空段中间，结构综合整体位移挠度值最大为 （），满足挠度要求。通过对混凝土浇筑过程分析，对贝雷梁结构的应力、位移分层分析，得出结构安全系数均在以上，结构的安全稳定有较大的盈余，远远满足强度、挠度设计值。贝雷梁支架线性稳定分析贝雷梁支架的静态稳定性分析是进行动力稳定性分析的前提。在 有限元中，将一类稳定性问题转化为一类特征值问题，因此，该问题又称为本征值失稳问题。在我国的设计规范中，对一级稳定性系数的要求是超过的。在 模型中，该分析通过提取特征值得到结构的临界失稳模态及荷载。荷载施加工况为（三期荷载），利用研究贝雷梁支架的竖向稳定分析，结构体系的线性稳定分析如表所示。结构体系的 阶模态分析如图所示。表线性稳定分析特征值模态结构特征值 图结构体系 阶模态分析图 第期青海交通科技 由图可知：结构特征值大于，结构体系满足线性稳定规范，从图中可以看出，结构线性稳定破坏是从中间立柱的下层立柱支撑开始向上层立柱支撑传递破坏，再接着钢管支撑上部结构破坏带动上部结构整体破坏。温度对结构线性稳定性的影响：贝雷梁支架的结构对温度的敏感程度很高，对温度的变化也有很大的影响。结合工程区域内的实际气温，确定了整个系统的最高温度为，最低温度极限值为。载荷作用的条件是三期荷载温度荷载。不同温度对结构稳定性的影响：分别对以上种不同温度荷载工况进行线性稳定分析，如图所示。由图可知：结构体系安全稳定系数随着温度的上升而降低，总体上温度上升将降低结构的线性稳定性。结构体系的稳定系数变化明显，同时证实了该结构的温度敏感性较大。为了清楚地知道温度引起的变化，建立稳定系数的变化率如表所示。图一阶模态安全稳定系数表不同温度下稳定系数变化率温度结构体系 由表可知：施工温度为时这个结构体系的安全稳定系数最多下降了，结构体系在无敏感性因数影响下，最小安全系数为结构体系的一阶稳定系数 ，最高温度作业下结构体系的线性稳定系数最小为 ，满足我国设计规范中规定第一类稳定系数的要求。但高温对结构的影响大于低温对结构的影响，该结构施工应避免高温作业。贝雷梁支架自振分析自振频率是指弹性体或弹性系统自身固有的振动频率，又称“固有频率”。是弹性体或弹性系统的固有属性，其数值与初始条件和所受外力的大小无关。对于多质点体系，忽略阻尼影响时，自振频率与自身质量及其分布（刚度）、边界支承条件以及振动形式（称为“振型”）有关。自振频率计算公式：（）（）式中：表示个单位时间（秒）内振动的次数，单位为弧度秒；为体系固有的非常重要的动力特性；为自振频率；为时间。在进行反应谱分析时，必须对特征值进行先进性的特征值分析，并将各有效模态进行综合。特性值分析中的分析控制按照规范的要求，在分析后的振型参与质量达到以上，否则应适当增加次数再对其进行分析以满足要求。本文结构是利用 软件中的多重向量法，多重向量法借鉴了空间迭代法，这种方法可以得到与激励载荷矢量有直接关系的模态。在整个结构系、方向上的静力载荷和惯性力以及非线性耦合单元的剪力。用特征值分析法求出了级的振动频率及振型，结构体系计算结果如表所示。青海交通科技 第期表振型参与质量模态号 质量 合计 质量 合计 质量 合计 由表可知：方向的振型参与质量在第阶模态达到了，方向的振型参与质量在第阶模态达到了，方向的振型参与质量在第阶模态达到了，贝雷梁支架的纵向（）、横向（）、竖向（）的累积参与质量均大于。从阶模态的振型参与质量可以判断、方向可以获得结构动力反应的主要特征。结构的基本周期为。贝雷梁支架特征值分析的各方向第一振型的特征值和模态如表和图、所示。表振型的特征值表振型类型模态号频率周期（）（）（）结构的基本振型纵向（）代表振型 竖向（）代表振型 横向（）代表振型 第期青海交通科技图第阶模态振型图第阶模态振型图第阶模态振型 由图、可知：第阶模态的主要变形为边界钢管支柱方向振动变形，牵引上部贝雷梁方向振动变形；第阶模态的主要变形位置在两个钢立柱支撑之间局部贝雷梁结构的方向振动变形；第阶模态的主要变形是搭接在地基处局部贝雷梁结构的、方向的组合振动变形，方向的振动变形是主导变形。得出结构体的基本自振频率，前三阶振青海交通科技 第期型没有出现扭转振动，说明结构质心的偏差较小，结构较完善，没有明显结构布置缺陷。结构体系各个方向的质量参与系数都达到比较大的值（规范里），能保证反应谱分析反映出合理的振动响应。自振分析为后续做振型分解反应谱分析，考察结构地震、风振响应做准备。结论运用 版有限元软件对结构的应力应变、线性稳定、自振特性等研究验算进行结构的可靠性分析，得出以下结论：对结构体系进行了抗风稳定分析，结构体系的抗风敏感性均较强，抗倾覆能力较强。对结构体系进行了温度敏感性分析，结构体系最高温度作业下结构体系的线性稳定系数最小为 ，满足我国设计规范中规定第一类稳定系数的要求。高温对结构的影响大于低温对结构的影响，该结构施工应避免高温作业。通过对混凝土浇筑过程分析，对贝雷梁结构的应力、位移分层分析，得出结构安全系数均在以上，结构的安全稳定有较大的盈余，远远满足强度、挠度设计值。结构体系的一阶稳定系数 ，满足我国设计规范中规定第一类稳定系数的要求。结构体系的基本自振频率，前三阶振型没有出现扭转振动，说明结构的质心偏差较小，结构较完善，没有明显结构布置缺陷。结构体系各个方向的质量参与系数都达到比较大的值（规范里），能保证反应谱分析反映出合理的振动响应。自振分析为后续做振型分解反应谱分析，考察结构地震、风振响应做准备。结构体系可靠度标志值为。因此，贝雷梁施工支架在高排架大跨度施工中满足传统满堂支架所具有的所有优点，而且还具有自身重量轻、模块化、安装便捷的特点，在高寒高海拔地区交通施工中值得推广应用。致谢研究得到了“高排架大跨度渡槽贝雷梁应用研究”项目的资助，作者真诚地感谢相关专家的建议和意见，在此深表谢意。参考文献金?，杜引光“”贝雷钢桥结构的优化及其力学性能分析浙江交通职业技术学院学报，（）：彭静，刘云龙，汤宇，等贝雷架模板支撑体系的施工技术及结构稳定性分析矿业工程研究，（）：钟海燕贝雷片在受限空间内高大挡墙单侧支模中的应用科技创新与应用，（）：李海宁，吕志强，海英，等一种预应力空腹桁架拱设计施工方法，肖冰，祝可为基于 钻孔钢平台结构设计与研究东莞理工学院学报，（）：韩雨基于 的桥梁抗震安全性能验算科学技术创新，（）：曾蜜蜜独塔斜拉倒虹吸管的整体稳定性分析西宁：青海大学，李云中，吝江峰，李涛板厚对闸门结构自振频率的影响中国水能及电气化，（）：叶勇，郝艳华，张昌汉基于的结构可靠性分析机械工程与自动化，（）：许安俊，孙斌基于的球形封头压力容器的可靠性分析化工装备技术，（）：第期青海交通科技