基于数值模拟的现浇箱梁混凝土两次浇筑支架结构优化探讨

基于数值模拟的现浇箱梁混凝土两次浇筑支架结构优化探讨

赵力源 候振坤

中交二航局（福州）建设有限公司  福建福州  350000

摘要：现浇箱梁施工支架常选择满堂支架或钢管贝雷梁式支架，在箱梁混凝土施工采用两次分段浇筑施工工艺，首次浇筑的底板混凝土在二次浇筑混凝土时已达到设计强度，起到支撑第二次浇筑混凝土的作用。本文以厦门国道324复线（同安段）工程同安工业区高架桥为背景，研究了现浇箱梁两次浇筑支架设计优化。以有限元软件 midas-civil 建立满堂支架为例计算模型，对现浇箱梁一次浇注成型和二次浇注成型的支架进行强度、刚度的计算与对比，并对二次浇筑使用的支架材料进行减量优化。结果表明，现浇箱梁第二次浇筑时，结果表明，在现浇箱梁进行二次浇筑时，第一次浇筑的底板混凝土已经充当了支架的支撑作用，在降低施工成本、加快施工进度的同时， 还可以在支架材料用量上减少26%，并能满足承载力。

关键词：现浇箱梁；满堂支架；两次浇筑；Midas Civil；支架优化

收稿日期：2024-01-12

作者简介：赵力源，男，本科，工程师，研究方向：道路桥梁研究

2024年第x期 xxx期刊   1

0引言

目前，随着交通基础设施建设的快速发展，满堂支架因其施工效率高、安全性好、经济等特点是施工时常选择支架结构，钢管贝雷梁式支架因其适应能力强、占地面积小、节省材料等特点成为施工时常选择的另一种支架。为了保证现浇箱梁混凝土施工的质量，采用两次浇筑的方式，可以降低蜂窝麻面、孔洞等混凝土质量问题。

现在现浇箱梁混凝土支架设计，为了保证其安全性，往往实际施工时采用两次浇筑，支架设计时荷载施加采用的是一次加载全部箱梁荷载的方式，造成设计的支架安全冗余度过大，导致施工的效率偏低，支架的材料浪费严重。因此，本文选取了厦门国道324复线（同安段）工程同安工业区高架桥的盘扣满堂支架，结合有限元软件Midas-Civil建模分析，有效的优化了常规盘扣支架结构设计，并在施工现场成功应用。

1 工程概况

国道324复线（同安段）工程同安工业区高架桥位于福建省厦门市同安区，桥梁起止桩号为K5+806～K7+094，全长1288m。共设计了11联，其中9联箱梁为现浇混凝土，2联为钢箱梁。现浇箱梁跨径为4×30m，梁高1.8m，梁宽26m，单箱四室截面，顶板厚度为0.25m，底板厚度为0.25m，腹板厚度为0.4m。

图1 现浇箱梁断面示意图

2 支架原设计方案

2.1支架设计

原设计采用支架设计中常用的布置方式，支架立杆采用φ60.3×3.2毫米钢管，材质Q345，横桥向腹板下间距90cm，在箱室、翼缘板下的间距设置120cm，沿着纵桥向间距设置120cm；横杆采用φ48.3×2.5毫米钢管，材质Q235，竖向间距设置为150cm；斜杆采用φ42×2.5毫米钢管，材质Q195；分配梁采用80×80×3毫米方钢，箱梁的腹板下间距20cm，在箱室、翼缘板下的间距设置25cm，沿顺桥方向布置。主横梁横桥向布置12号工字钢，放置在盘扣支架顶托槽内。底腹板的模板采用15mm厚竹胶板，并在分配梁上方布置。

图2 原设计现浇箱梁架体布置截面示意图

2.2有限元模型建立

为了减少计算量，更直观的对比出支架的强度与刚度，选取4×30m箱梁中的一跨30m作为计算支架计算样例，取标准断面按30m长度进行计算，稳定性计算本次不做考虑。

采用Midas-Civil建立现浇梁满堂支架模型三维模型，支架建立顺桥向、横桥向、竖向分别对应X、Y、Z轴的正方向。

图3原设计支架搭设有限元计算模型

支撑架体、工字钢、方钢采用梁单元模拟，竹胶板使用软件中板单元模拟，立杆底部约束3个方向自由度，根据实际情况设置盘扣支架节点连接方式，在《建筑施工临时支撑结构技术规范》中规定，盘扣支架横杆与斜杆两端释放梁端约束My、Mz刚度为20kNm/rad。立杆与工字钢之间、工字钢与方钢之间、方钢与竹胶板之间均采用弹性连接，其中梁单元25105个，板单元6375个。

2.3荷载条件

G1为竹胶板、方钢、工字钢、支架自重荷载；钢筋混凝土荷载为G2，根据箱梁截面换算成面荷载一次全部施加在板单元上，钢筋混凝土容重取26kN/m3；人员机具产生的荷载设置为Q3，取2.5kN/m2，用面荷载的方式施加在板单元上。支架强度验算荷载分项系数：恒载取1.3，活载取1.5，即1.3×（G1+ G2）+1.5 ×Q3；支架刚度验算荷载分项系数：恒载取1，活载取1，即1×（G1+ G2）+1×Q3。

图4 优化前支架立杆应力（MPa）

图5 优化前支架分配梁应力（MPa）

图6 优化前支架主横梁应力（MPa）

图7 优化前支架分配梁变形（mm）

图8 优化前支架主横梁变形（mm）

2.4支架强度分析

如图4-6强度分析结果，工12主横梁承受分配梁传递的荷载并且将荷载传递给支架，有限元软件模拟主横梁最大组合应力值为6

8.86MPa，小于规范规定的应力允许值205MPa；80×80×3mm方钢分配梁的最大的组合应力值为81.85 MPa，小于规范规定的应力允许值205MPa；竖向荷载最终传递个立杆，立杆最大组合应力为141.95 MPa，小于规范规定的容许应力值300MPa。根据软件模拟结果满堂支架的强度设计满足要求。

2.5支架强度分析

分析刚度的目的是得出支架体系能够抵抗变形的能力并且直观的分析出结果，才能采取相关的措施控制现浇箱梁外观质量。如图7-8刚度分析结果，分配梁最大变形值为2.895mm，主横梁最大变形值为2.638mm，根据规范规定，主横梁与分配梁最大允许变形值为3mm（L/400，对应L=1200mm）。根据软件模拟结果满堂支架的刚度设计满足要求。

根据数值模拟分析，原设计支架强度及刚度满足要求，但是安全冗余度较大，可以对原设计支架进行优化。

3 支架优化设计方案

3.1支架设计

根据第一次浇筑的底板有支撑能力优化后的支架布置方式为：支架立杆采用φ60.3×3.2毫米钢管，材质Q345，横桥方向腹板下的间距为120cm，在箱室、翼缘板下的间距设置150cm，沿着纵桥向间距设置150cm；横杆采用φ48.3×2.5毫米钢管，材质Q235，竖向间距为150cm；斜杆采用φ42×2.5毫米钢管，材质Q195；分配梁采用60×60×3毫米方钢，箱梁的腹板下间距设置25cm，在箱室、翼缘板下的间距设置30cm，沿顺桥方向布置。10号工字钢为主梁，横桥向布置放置在盘扣支架顶托槽内。底腹板的模板采用15mm厚竹胶板，并在分配梁上方布置。

3.2有限元模型建立与荷载条件

优化支架的有限元模型的建立方式、荷载条件的施加均与原设计相同，第一次浇筑的箱梁混凝土底板采用板单元模拟，厚度为250mm，优化设计共建立梁单元16035个，板单元8400个。

图9结构优化后支架的有限元计算模型

3.3优化支架仍然一次加载全部荷载

图10 优化支架后仍然一次加载荷载分配梁应力（MPa）

图11 优化支架后仍然一次加载荷载主横梁应力（MPa）

优化支架一次加载全部荷载后，工12主横梁最大组合应力值为259.56MPa，大于规范规定的应力允许值205MPa；60×60×3mm方钢分配梁的最大组合应力为259.17 MPa，大于规范规定的应力允许值205MPa，故优化后支架不能满足荷载一次全部加载的要求。

3.4优化支架荷载分两次加载

图12 优化设计第一次加载支架立杆应力（MPa）

图13 优化设计第一次加载支架分配梁应力（MPa）

图14 优化设计第一次加载支架主横梁应力（MPa）

图15 优化设计第一次加载支架主横梁变形（mm）

图16 优化设计第一次加载支架分配梁变形（mm）

如图12-14强度分析结果，工10主横梁最大组合应力值为171.01MPa，小于规范规定的应力允许值205MPa；60×60×3mm方钢分配梁的最大组合应力为180.78 MPa，小于规范规定的应力允许值205MPa；支架立杆最大的组合应力值计算为99.54 MPa，比规范规定的应力容许值 300MPa 要小。根据软件模拟结果优化设计的满堂支架的强度设计满足要求。

如图15-16刚度分析结果，分配梁最大变形值为3.65mm，主横梁最大变形值为3.366mm，根据规范规定，主横梁与分配梁最大允许变形值为3.75mm（L/400，对应L=1500mm）。根据软件模拟结果优化设计的满堂支架的刚度设计满足要求。

图17 优化设计第二次加载支架立杆应力（MPa）

图18 优化设计第二次加载支架分配梁应力（MPa）

图19优化设计第二次加载支架主横梁应力（MPa）

图20 优化设计第二次加载支架主横梁变形（mm）

图21 优化设计第二次加载支架分配梁变形（mm）

顶板钢筋绑扎完成后开始第二次浇筑，第一次已经浇筑的箱梁混凝土底板回弹显示已经达到设计强度。在Midas-Civil软件中采用内置的板单元模拟第一次浇筑的箱梁底板，再使用面荷载加载第二次浇筑的箱梁顶板、腹板及活荷载产生的荷载。

如图17-19强度分析结果，工10主横梁最大组合应力值为11.4MPa，小于规范规定的应力允许值205MPa；60×60×3mm方钢分配梁的最大组合应力为2.99 MPa，小于规范规定的应力允许值205MPa；支架立杆最大的组合应力值计算为36.34 MPa，比规范规定的容许应力值300MPa小很多。根据软件模拟结果优化设计的满堂支架的强度设计满足要求。

如图20-21刚度分析结果，分配梁最大变形值为0.962mm，主横梁最大变形值为0.96mm，根据规范规定，主横梁与分配梁最大允许变形值为3.75mm（L/400，对应L=1500mm）。根据软件模拟结果优化设计的满堂支架的刚度设计满足要求。

3结语

使用 Midas-Civil 软件进行计算分析，以盘扣满堂支架为例得出如下结论。

（1）施工现浇箱梁采利用两次混凝土浇筑施工，设计优化后支架的强度、刚度满足规范及施工现场要求，第二次混凝土浇筑主横梁及分配梁受力和变形明显降低，主要承受上部荷载的为第一次浇筑的底板混凝土，施工采用箱梁混凝土两次浇筑支架设计时能满足第一次浇筑时荷载的承载力要求即可。

（2）经过同安工业区高架桥现场运用优化后的现浇箱梁支架得出，优化后一联箱梁与原设计相比可为项目节省26%的支架材料、工期及成本投入等。

（3）根据本文分析计算结果可推广到钢管贝雷梁式支架设计中，为现浇箱梁两次混凝土浇筑施工提供工程经验。

参考文献：

[1] 于安文,谷亚陆．《阜溧高速软基区曲线现浇箱梁支架选型及力学特性研究》．河南科技大学学报（自然科学版），2023年10月．

[2] 张斌,刘洋．《基于Midas Civil的钢管贝雷组合支架优化设计》．港工技术，2023年2月．

[3] 赵宁宁,叶柏兴．《基于数值模拟的现浇箱梁桥施工支架优化》．低温建筑技术，2020年6月．

[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑施工承插型盘扣式钢管脚手架安全技术标准∶JGJ/T 231-2021.

[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑施工临时支撑结构技术规范∶JGJ 300-2013

收稿日期：2024-01-12

作者简介：赵力源，男，本科，工程师，研究方向：道路桥梁研究

2024年第x期 xxx期刊   1

收稿日期：2024-01-12

作者简介：赵力源，男，本科，工程师，研究方向：道路桥梁研究