钢箱梁支撑架结构施工安全可靠性分析.pdf

17现 代 工 程 科 技Modern Engineering Technology第 3 卷第 2 期2024 年 1 月Vol.3 No.2Jan.2024钢箱梁支撑架结构施工安全可靠性分析李英鸽中铁十七局集团城市建设有限公司，贵州贵阳 550025摘 要：钢箱梁支撑架结构是一种常见的工程结构，在桥梁、建筑和其他工程中应用广泛。施工安全和可靠性是保证结构质量的重要因素之一。依托实际工程，采用 Midas/Civil 有限元数值模拟软件对钢箱梁支撑架结构的施工安全可靠性进行分析。首先，对钢箱梁支撑架结构荷载进行分析计算并在模拟中施加。然后，针对数值模拟结果进行分析，提出了提高钢箱梁支撑架结构施工安全可靠性的措施和建议。最后，通过实际案例分析验证了所提措施的有效性和可行性。结果表明，钢箱梁支撑架结构的应力、变形位移均满足设计要求。该研究对于指导钢箱梁支撑架结构的施工具有重要意义，为工程实践提供了一定的参考和指导。同时，也为其他类似结构的施工安全可靠性分析提供了一定的借鉴和启示。关键词：钢箱梁；支撑架结构；结构分析；有限元分析中图分类号：U445.4 文献标识码：ASafety and Reliability Analysis of Steel Box Girder Support Structure ConstructionLi YinggeChina Railway 17th Bureau Group Urban Construction Co.,Ltd.,Guiyang,Guizhou 550025Abstract:The steel box girder support structure is a common engineering structure,which is widely used in bridges,buildings,and other engineering projects.Construction safety and reliability are important factors in ensuring structural quality.Based on actual engineering,Midas/Civil finite element numerical simulation software is used to analyze the construction safety and reliability of steel box girder support structures.Firstly,analyze and calculate the load on the steel box girder support structure and apply it in the simulation.Then,based on the analysis of numerical simulation results,measures and suggestions were proposed to improve the safety and reliability of steel box girder support structure construction.Finally,the effectiveness and feasibility of the proposed measures were verified through practical case analysis.The results indicate that the stress and deformation displacement of the steel box girder support structure meet the design requirements.The research in this article is of great significance for guiding the construction of steel box girder support structures,and provides certain reference and guidance for engineering practice.At the same time,it also provides certain reference and inspiration for the construction safety and reliability analysis of other similar structures.Keywords:steel box girder;support frame structure;structural analysis;finite element analysis作者简介：李英鸽（1984），男，中铁十七局集团城市建设有限公司项目副经理、工程师，研究方向为路基桥梁施工技术。在桥梁工程领域中，钢箱梁支撑架结构是一种常见且重要的施工形式。该结构具有承载能力强、刚性好、施工速度快等优点，因此在桥梁、高架路等工程中得到广泛应用。然而，由于施工过程中存在许多风险和不确定因素，如梁体安装不稳定、支撑结构强度不足等，钢箱梁支撑架结构施工的安全可靠性问题备受关注。为了确保钢箱梁支撑架结构施工的安全可靠性，对其进行全面的分析和评估至关重要1。有众多学者针对钢箱梁支撑架结构开展了研究，李先发2依托实际工程，从高效、经济和安全这几个方面对支撑架结构进行了分析，其对安全只是从理论验算进行了分析。王鹏飞3利用建筑信息模型（Building Infor-mation Modeling，BIM）软件对桥梁架设施工过程进行分析。学者们4-5多数都是对施工过程进行分析，少有利用有限元软件对支撑架结构的施工安全可靠性进行分析。针对钢箱梁支撑架结构的现有研究成果很多，但是多数都是针对现场施工流程和理论计算方面，对其数值仿真计算的研究较少。因此，本文采用Midas/Civil有限元数值仿真软件开展钢箱梁支撑架结构施工的安全可靠性分析。1 工程概况在贵安新区新民路及支线道路工程中的桥梁以钢箱梁为主，本文以第一联桥为依托工程，钢箱梁安装182024 年 1 月第 3 卷第 2 期现 代 工 程 科 技18桥梁设置范围为K3+988.240K4+148.160，第一联桥跨（32+56+32）m钢桥，单幅桥宽21.25m。该桥梁的边跨型钢箱梁采用直角异形钢板，其高1.81.94m，上部为横向斜坡，下部为横向斜坡。顶板宽度是21.1m，底板宽度是15.66m，截面是单箱6室的形状，两侧悬臂宽度是3m和2.5m，箱室宽度为边室1.58m，中室宽度为3.11m。顶板的厚度是16mm，底板和腹板的厚度是20mm，一般的间隔板的厚度是16mm，支架间隔板的厚度是25mm，端部密封板的厚度是12mm。为了提高顶底板的刚性、断面的有效宽度及断面的面积，采用了板筋及U型筋做纵筋。主跨梁截面为组合桁梁结构，高1.4m的正交异形钢箱梁作为桁梁的上弦杆，腹杆采用0.5m0.8m的矩形截面，板厚为16mm，下弦杆为1.0m1.6m的矩形截面，板厚为20mm。上弦杆之间采用大小横梁连接，下弦杆顶板也采用大小横梁连接，大小横梁板厚均为16mm。翼缘板采用板肋和U肋作为纵向加劲，以此增加局部刚度来承担车田河大桥人行和车道功能。钢箱梁支撑架结构现场施工如图1所示，本文模型将参照现场支撑结构进行 建模。图1现场施工图2支撑架结构分析2.1设计荷载组合（1）钢结构自重。根据杆件截面确定，程序自动计算，安全系数1.2，顶部平台梁节点活荷载：210kN（考虑了动力系数1.4），立柱节点活荷载：5kN（考虑一定的施工荷载及风荷载的综合）。确定荷载分项系数和钢的力学参数，恒载分项系数G为1.2，活载分项系数Q为1.4。（2）材料力学参数。结构用钢力学参数见表1，钢材强度设计指标见表2。（3）荷载组合计算。荷载名称见表3，荷载组合见表4。表1结构用钢力学参数密度弹性模量泊松比热膨胀系数屈服强度7850kg/m32.06105N/mm20.31.2E-05235MPa表2钢材强度设计指标钢材牌号状态钢管壁度拉、压剪切局部承压Q235B第 1 组 16mm215MPa125MPa325MPaQ345B第 1 组 16mm310MPa180MPa400MPa表3荷载名称荷载编号荷载名称荷载类型（1）钢结构自重恒载（2）顶部平台梁节点活荷载活载（3）立柱节点活荷载活载表4荷载组合sLCB1sLCB2sLCB3sLCB41.35(1)+0.98(2)+(3)1.2(1)+1.4(2)+(3)1.0(1)+1.4(2)+(3)1.0(1)+1.0(2)+(3)2.2结构分析2.2.1三位数值模型为能够有效模拟钢箱梁支撑结构的受力状态，本文采用能够进行复杂结构的静力、动力和地震分析，并给出准确可靠的计算结果的Midas/Civil有限元数值仿真软件。所构建的三维数值模型具体表现在图2中，支撑结构的平面尺寸为3m3m，高度为9m，其中每节高度为3m，支撑架立杆选择了圆管P2458，材质为Q235B；选择了P1406圆钢管，材料为Q235B；斜腹板选用的是P1086圆形钢管，材料是Q235B；顶部的台架设计采用了图3的HW3003001015型。2.2.2荷载加载根据钢箱梁支撑结构的现实受力形式，在数值仿真计算中模拟支撑结构受力，其荷载施加示意图如图4所示。在顶部的四个支点施加竖向的力，在实际工程中，由于支撑结构大多数是处于偏心受力的状态，可能会造成横向力的存在。19李英鸽：钢箱梁支撑架结构施工安全可靠性分析建造科技2.2.3 结果分析计算结果如图5所示，最大应力为0.25，主要出现在竖杆、和的位置处，横向杆和斜向杆的应力较小，但均满足设计规范要求。由上述分析可知，钢箱梁支撑结构中承受主要荷载的是竖向杆，在施工过程中应加强竖杆、和的防护。图2钢箱梁支撑结构三维数值模型图(a)截面示意图(b)支撑架顶部截面放大示意图图3钢箱梁支撑结构截面示意图 (a)荷载施加示意图 (b)荷载放大示意图图4钢箱梁支撑结构荷载施加示意图图5钢箱梁支撑结构应力计算云图钢箱梁支撑结构的变形位移验算对于安全施工具有很重要的意义，其位移计算结果如图6所示，其位移变形主要分为水平位移与挠度，水平位移dy最大变形和最大挠度均分布在钢箱梁支撑结构的斜上方的横杆和斜杆，最大水平位移为2.5mm；最大挠度dz最大变形为2.6mm，均满足设计要求。虽然其变形验证满足设计要求，但最大水平位移和挠度均发生同一个位置，会造成该位置位移变形复杂。因此，为高效安全施工，应对水平应力和挠度都较大的地方进行加固。（a）Dy变形位移云图202024 年 1 月第 3 卷第 2 期现 代 工 程 科 技20（b）Dz变形位移云图图6钢箱梁支撑结构变形位移计算云图钢箱梁支撑结构支座反力的验算对于施工安全具有重要意义，支座反力是指支座所承受的力，它直接影响结构的稳定性和安全性。验算支座反力的目的是确保结构在正常使用和极限状态下能够承受荷载并保持稳定。支座反力根据三维方向分为Fx，Fy和Fz，其验算结果如图7所示，最大支座反力Fx值为1.58MPa，产生在节点7；最大支座反力Fy值为15.58MPa，产生在节点1；最大支座反力Fz值为350.10MPa，产生在节点5。（a）支座反力Fx （b）支座反力Fy（c）支座反力Fz图7支座反力计算结果图支撑架杆件应力比如图8所示，支撑架杆件应力比最大值为0.251.0。撑架柱顶最大水平位移为2.5mm9800/500=19.6mm，挠度最大位移为2.6mm3000/400=7.5mm。故该规格和尺寸支撑架可以满足使用需要，安全可靠。图8支撑架杆件应力比柱状图3结语本文依托实际工程，依据现场受力得出所受荷载，采用Midas/Civil有限元计算软件对钢箱梁支撑结构受力进行模拟计算，针对计算结果对钢箱梁支撑结构的施工安全可靠性进行分析验证，并对其提出提高钢箱梁支撑架结构施工安全可靠性的措施和建议，主要结论 如下。（1）通过计算分析，钢箱梁支撑结构的最大应力为0.25，主要出现在竖杆、和的位置处；最大水平位移为2.5mm，最大挠度dz最大变形为2.6mm；大支座反力Fx值为1.58MPa，产生在节点7；最大支座反力Fy值为15.58MPa，产生在节点1；最大支座反力Fz值为350.10MPa，产生在节点5。（2）该钢箱梁支撑结构的应力、位移和支座反力均满足设计要求，但最大水平位移和挠度均发生同一个位置，建议对水平应力和挠度都较大的地方进行加固。参考文献1 张磊,钟伟斌,吴彬,等.钢箱梁桥面吊装关键技术J.施工技术(中英文),2021,50(20):61-65.2 王鹏飞.高架桥连续钢箱梁架设施工过程的BIM实施及力学分析D.太原:太原理工大学,2022.3 刘艳华,文华明,吴立忠,等.重型钢箱梁式旋转楼梯的制作与安装J.建筑施工,2017,39(4):495-497.4 郁龙清.顶推工艺在下承式梁拱组合桥施工中的应用J.城市道桥与防洪,2021(1):140-142,16.5 周华林.上海世博浦西综艺大厅改建工程中的抽柱托梁施工技术J.建筑施工,2009,31(5):344-346.