王保良
(中鐵建大橋工程局集團第四工程有限公司 黑龍江哈爾濱 150000)
摘 要:以臺風區(qū)的平潭海峽大練島特大橋新建工程中現(xiàn)澆公路橋的鋼管格構(gòu)支架體系為研究背景,對鋼管格構(gòu)支架穩(wěn)定性進行分析,通過Midas Civil軟件建立鋼管格構(gòu)支架體系空間有限元模型,從不同的肢數(shù)、節(jié)段長度、高度等參數(shù)進行分析,并對四肢格構(gòu)支架進行均勻流風場作用下的風洞試驗。計算結(jié)果表明:當鋼管結(jié)構(gòu)的壁厚與直徑比δ/d一定時,支架結(jié)構(gòu)的臨界屈曲荷載系數(shù)隨著鋼管直徑的增大而增大,整體呈指數(shù)上升趨勢;六肢與四肢鋼管格構(gòu)支架臨界荷載系數(shù)相差不大,四肢鋼管格構(gòu)支架是最經(jīng)濟支架結(jié)構(gòu);當支架總高度小于70 m時,鋼管格構(gòu)支架結(jié)構(gòu)基本能滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求;支架鋼管立柱橫向間距在5~7 m時,其穩(wěn)定性呈現(xiàn)較快的上升趨勢,橫向間距為7 m左右時,支架穩(wěn)定性最好。風洞試驗結(jié)果能反映四肢格構(gòu)支架的實際受力特性,并指導(dǎo)四肢格構(gòu)支架現(xiàn)場實際施工。該分析可為類似鋼管格構(gòu)施工支架的設(shè)計提供參考。
關(guān)鍵詞:臺風區(qū) 公路特大橋 鋼管格構(gòu)支架 穩(wěn)定性 優(yōu)化設(shè)計
鋼管格構(gòu)支架體系在大跨度橋梁施工中有著廣泛的應(yīng)用。然而,當支架結(jié)構(gòu)達到一定高度時,結(jié)構(gòu)體系變得柔性化,其力學性能也較為復(fù)雜。目前,在橋梁施工支架的施工工藝和技術(shù)、設(shè)計計算和工程應(yīng)用方面已取得一些研究成果[1-4]。而在臺風區(qū),由于風荷載作用,柔性鋼管格構(gòu)支架的穩(wěn)定性和安全性也變得非常重要[5]。平潭海峽大練島特大橋新建工程中現(xiàn)澆公路橋梁的鋼管格構(gòu)支架系統(tǒng),由于處于風速14 m/s臺風地區(qū),故主要分析風荷載對鋼管格架支架體系的影響,對鋼管格構(gòu)支架的穩(wěn)定性進行計算,最后建立有限元模型進行主要影響參數(shù)分析,對鋼管格構(gòu)支架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計分析,最后通過風洞試驗進行驗證。
大練島特大橋新建工程,位于平潭海峽中部,距大陸最近點7.85 km。全年風力較大、水道泛涌。大練島特大橋公路部分共五聯(lián),每聯(lián)布置形式為4×40 m+4×40 m+6×40 m+5×40 m+4×32 m的連續(xù)梁橋,共23跨,其中橋墩高度在13~50.5 m之間,主梁采用現(xiàn)澆支架施工?,F(xiàn)澆支架采用“鋼管格構(gòu)支架+貝雷梁”結(jié)構(gòu)體系,D0~D9號鋼管格構(gòu)支架立柱采用φ720×14 mm鋼管,跨中鋼管之間平聯(lián)和斜撐采用φ400×8 mm鋼管聯(lián)結(jié)。D10~D19號鋼管立柱采用φ1200×14 mm鋼管,跨中平聯(lián)采用φ720×14 mm鋼管,斜撐采用φ400×8 mm鋼管。選取最高鋼管格構(gòu)支架D10~D11號段(支架高度為61.702 m)為研究對象,鋼管格構(gòu)支架結(jié)構(gòu)現(xiàn)場布置以及縱橫橋向布置如圖1~圖2所示。
圖1 鋼管格構(gòu)支架現(xiàn)場布置
圖2 鋼管格構(gòu)支架縱橫橋向布置(單位:mm)
對整個支架體系進行結(jié)構(gòu)離散化,桁架節(jié)點、格構(gòu)柱節(jié)點處劃分節(jié)點,結(jié)構(gòu)計算分析特征位置處節(jié)點,與周圍結(jié)構(gòu)或地基連接處設(shè)置節(jié)點,按照實際鋼結(jié)構(gòu)劃分相應(yīng)的單元[6-7]。
采用Midas Civil軟件建立支架整體模型,貝雷梁部分采用桁架單元,支架部分采用梁單元,整體模型劃分為6 993個單元,3 688個節(jié)點,其中貝雷梁部分6 628個單元,橫擔梁104個單元,立柱108個單元,平聯(lián)85個單元,斜撐68個單元。鋼管格構(gòu)支架整體有限元模型如圖3所示。鋼管格構(gòu)支架工作狀態(tài)最大風荷載按8級風考慮,風速為20.7 m/s;非工作狀態(tài)風荷載按十年一遇臺風考慮,風速為45.4 m/s。
圖3 鋼管格構(gòu)支架整體有限元模型
按照混凝土澆筑不同工況對支架強度、剛度和穩(wěn)定性進行分析計算,每種工況對應(yīng)的荷載組合見表1。
隨著經(jīng)濟形勢的轉(zhuǎn)變,當前的創(chuàng)新驅(qū)動也改變了常態(tài)。為了能夠順應(yīng)時代的發(fā)展,企業(yè)中出現(xiàn)了財務(wù)會計向管理會計轉(zhuǎn)型的趨勢。這種做法是對財務(wù)部門進行升級的一種模式,也是促進企業(yè)發(fā)展的重要手段。
表1 各工況說明
工況 工況描述 荷載組合 驗算內(nèi)容工況一模板安裝完畢,梁體鋼筋安裝前,非工作狀態(tài)0.9×(②+③+⑦)整體穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性驗算工況二澆筑混凝土,未張拉預(yù)應(yīng)力鋼束,非工作狀態(tài)1.2×(①+②)+0.9×1.4×(③+④+⑤+⑦)支架整體穩(wěn)定性驗算工況三混凝土澆筑完成,支架處于工作狀態(tài)1.2×(①+②)+1.4×(③+⑦) 支架強度驗算工況四 正常使用狀態(tài) ①+② 支架剛度驗算
對貝雷梁、橫梁、立柱、支架聯(lián)接系(平聯(lián)與斜撐)進行驗算,在各工況下,支架中貝雷梁的主弦桿最大軸力為-390.16 kN,豎桿最大軸力為-192.13 kN,斜桿最大軸力為139.15 kN,立柱的最大應(yīng)力為-126.81 MPa,最大位移為21.46 mm。支架聯(lián)結(jié)系剪力最大值為-150.41 kN,應(yīng)力最大值為-84.14 MPa。貝雷梁上、下弦桿的設(shè)計值為510 kN,立柱設(shè)計值193 kN,斜撐設(shè)計值為156 kN,Q235鋼材的抗壓設(shè)計值195 MPa,故實際荷載均小于設(shè)計承載能力,支架的強度滿足設(shè)計要求。
假設(shè)支架立柱是等截面直桿,壓力作用線與截面的形心縱軸線重合且材料是完全均勻、彈性的,由歐拉臨界力公式可求得立柱的臨界荷載[8-9]。將鋼管的壁厚δ與直徑d的比值作為控制參數(shù),通過求解不同直徑不同壁厚立柱的屈曲穩(wěn)定系數(shù),得出最合理的鋼管直徑以及壁厚,不同δ/d的鋼管格構(gòu)支架屈曲穩(wěn)定系數(shù)對比如圖4所示。
1.2 藥劑防治 美國白蛾化學防治通常在幼蟲4 齡前進行。常用的藥劑有:25%滅幼脲3號懸浮劑[1]、20%蟲酰阱懸浮劑、5%氟蟲脲可分散劑、20%丁硫克百威乳油、50%殺螟松乳油等,可視實際情況選擇合適藥劑,利用高射程的林業(yè)用噴霧機如背負式噴霧機或擔架式噴霧機等。最好幾種藥劑交換使用,防止害蟲產(chǎn)生抗藥性[7]。
圖4 不同δ/d的鋼管格構(gòu)支架屈曲穩(wěn)定系數(shù)對比
由圖4可以看出,當鋼管結(jié)構(gòu)的δ/d一定時,結(jié)構(gòu)的臨界屈曲荷載系數(shù)隨著鋼管直徑的增大而增大,并且直徑越大其增長越大,整體呈指數(shù)上升趨勢;當鋼管的直徑為定值時,隨著壁厚的增加,即參數(shù)δ/d變大,支架結(jié)構(gòu)的臨界荷載系數(shù)也相應(yīng)增大,并且直徑越大其變化值越大,說明結(jié)構(gòu)的截面尺寸是影響其穩(wěn)定性的主導(dǎo)因素。
綜上所述,超聲引導(dǎo)下的胸神經(jīng)阻滯可為乳腺癌改良根治術(shù)患者提供良好的術(shù)后鎮(zhèn)痛,減少不良反應(yīng)的發(fā)生,值得臨床推廣應(yīng)用。
按照橋梁鋼管格構(gòu)支架施工設(shè)計圖紙,采用φ1 200 mm鋼管作為立柱,φ720 mm鋼管作為平聯(lián)、φ400 mm鋼管作為斜撐,主要研究支架結(jié)構(gòu)的肢數(shù)對穩(wěn)定性的影響[10-11],通過建立單肢、雙肢、四肢、六肢的有限元模型,得到每種結(jié)構(gòu)的臨界荷載系數(shù),不同肢數(shù)支架結(jié)構(gòu)臨界荷載系數(shù)見表2,不同肢數(shù)支架模型屈曲如圖5所示。
2、建立和加強對民用和軍用核材料安全的信心。各國應(yīng)當將針對軍用材料的安保標準保持在與民用核材料相同或更高的水平。
仿真實踐環(huán)節(jié) 運動控制系統(tǒng)課程實踐性很強,但是也需要從理論知識開始,因此,設(shè)定教學順序為理論教學→仿真實踐教學→實驗教學→案例研討教學。其中,仿真實踐環(huán)節(jié)和實驗教學環(huán)節(jié)是銜接理論教學和案例研討教學的橋梁。在仿真實踐教學環(huán)節(jié),MATLAB的應(yīng)用大大提高了學習質(zhì)量和對理論的理解程度,應(yīng)加大課時分配。在整個課程教學過程中,包括直流部分、交流部分和伺服部分,均可采用MATLAB建立模型和運行仿真。學生通過仿真分析,可以直觀地了解交直流電機和伺服電機的控制效果,特別是理論教學內(nèi)容中關(guān)于電機控制部分,也可以將自己的控制算法寫入程序,驗證控制效果,是提高學生學習興趣和教學質(zhì)量的有力工具。
表2 不同肢數(shù)支架結(jié)構(gòu)臨界荷載系數(shù)
肢數(shù) 臨界荷載系數(shù) 模型圖 備注單肢 0.30 a雙肢 0.31 b 間距9 m四肢 10.83 c 橫橋向9 m、順橋向7.61 m六肢 10.89 d 橫橋向2×9 m、順橋向7.61 m
圖5 不同肢數(shù)支架模型屈曲圖
由表2和圖5支架模型屈曲圖可知,單肢和雙肢鋼管柱的臨界荷載系數(shù)基本相同,說明雙肢格構(gòu)支架與單肢的相比,穩(wěn)定性提高不大,但是當肢數(shù)增加到四肢時,其臨界荷載系數(shù)提高相當大,此時的鋼管格構(gòu)支架穩(wěn)定性較好,同時抵抗外荷載能力較高,當肢數(shù)增加到六肢時,支架臨界荷載系數(shù)反而增加不大,表明四肢鋼管格構(gòu)支架是最經(jīng)濟的選擇。
當支架的高度較高時,一般需要將支架進行分節(jié)[12-13],現(xiàn)對9 m、12 m、15 m、18 m不同的節(jié)段高度,支架總高度為30 m、40 m、50 m、60 m、70 m、80 m的臨界荷載系數(shù)進行分析,得到支架結(jié)構(gòu)前三階屈曲狀態(tài)下的臨界荷載系數(shù)(見表3)。
表3 不同節(jié)段長度支架臨界荷載系數(shù)
節(jié)段高度/m 立柱總高度/m 一階 二階 三階9 30 8.08 8.57 11.61 40 7.89 8.28 11.60 50 7.70 7.69 11.59 60 7.47 7.63 11.59 70 7.17 7.30 11.59 80 6.74 7.02 11.58 12 30 6.77 7.23 10.88 40 6.61 6.99 10.87 50 6.45 6.73 10.86 60 6.28 6.46 10.86 70 6.08 6.18 10.86 80 5.79 5.93 10.85 15 30 5.72 6.14 10.39 40 5.60 5.94 10.37 50 5.47 5.72 9.46 60 5.33 5.51 10.36 70 5.18 5.28 9.66 80 4.99 5.07 9.80 18 30 4.56 4.92 10.02 40 4.77 5.06 10.01 50 4.67 4.90 9.35 60 4.55 4.71 6.62 70 4.44 4.55 8.36 80 4.31 4.34 7.43
從表3中可以看出,無論結(jié)構(gòu)的節(jié)段高度如何變化,其第三階荷載臨界系數(shù)均比前兩階大很多,說明該結(jié)構(gòu)較難達到其三階的失穩(wěn)破壞,破壞形式主要發(fā)生在結(jié)構(gòu)的前兩階。在同一節(jié)段高度下,結(jié)構(gòu)的臨界荷載系數(shù)隨著總高度的增加呈現(xiàn)下降趨勢,說明其穩(wěn)定性越差,但當結(jié)構(gòu)的節(jié)段長度不大于18 m時,結(jié)構(gòu)的臨界荷載系數(shù)能保證大于4.0,基本能滿足結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要求。當支架的總高度一定時,其節(jié)段長度越小,即結(jié)構(gòu)的剛度會變大,整體穩(wěn)定性也隨之增大,故結(jié)構(gòu)臨界荷載系數(shù)越大。但是當支架總高度大于70 m時,結(jié)構(gòu)的一階臨界系數(shù)下降幅度變快。在支架設(shè)計時,可以根據(jù)不同的臨界系數(shù)的要求來選取合理的支架節(jié)段高度和支架總高度。
鋼管格構(gòu)支架縱橫向間距是反映支架支撐面積的重要指標,為了研究縱橫向間距對其穩(wěn)定性的影響,采用節(jié)段高度為12 m,總高度為60 m的鋼管格構(gòu)支架,通過變化不同的縱橫向間距(縱橫向間距取相同值)求得支架的臨界荷載系數(shù)(見表4)。
表4 不同間距荷載臨界系數(shù)
縱橫向布置 支架臨界荷載系數(shù)5 m×5 m 5.66 6 m×6 m 6.20 7 m×7 m 6.39 8 m×8 m 6.38 9 m×9 m 6.26 10 m×10 m 6.09
由表4可知,格構(gòu)柱支架的臨界荷載系數(shù)隨著縱橫向間距的變化呈現(xiàn)拋物線變化趨勢,當間距小于6 m時,其變化較快,接近直線遞增;支架間距在6~7 m時其上升幅度較?。划敻駱?gòu)支架間距達到7 m時,其臨界荷載系數(shù)達到峰值;當間距大于7 m后其值開始平穩(wěn)下降。說明支架縱橫向間距在7 m左右時穩(wěn)定性最好,有利于鋼管格構(gòu)支架的安全性。
由于鋼管格構(gòu)支架尺寸較大,足尺模型風洞試驗很難實現(xiàn),故采用縮尺模型進行風洞試驗。試驗?zāi)P瓦x取四肢格構(gòu)支架為研究對象,模型縮尺比1∶150,材料選用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)。支架模型風洞試驗在哈爾濱工業(yè)大學土木工程學院風洞與浪槽聯(lián)合實驗室中進行,大氣邊界層流場模擬為A類地貌風場,試驗流場的參考風速主要通過TFI眼鏡蛇三維脈動風速測量儀來測量和監(jiān)控。數(shù)據(jù)測試采集系統(tǒng)由六分量高頻測力天平、α角攻角變化機構(gòu)、A/D轉(zhuǎn)換器及數(shù)據(jù)采集處理用計算機等組成。四肢格構(gòu)支架模型風洞試驗及風向角示意如圖6所示。
圖6 四肢格構(gòu)支架模型風洞試驗及風向角示意
通過格構(gòu)支架風洞試驗獲得均勻流風場下支架的廣義位移值,同時利用Midas Civil軟件計算得到格構(gòu)支架在0°、45°和90°風向角下最大位移值,支架位移風洞試驗值與有限元計算值對比見表5。
表5 支架位移風洞試驗值與有限元計算值對比
風向角/(°) 0 45 90風洞試驗總位移/m 0.181 0.169 0.389有限元計算結(jié)構(gòu)/m 0.169 0.173 0.324有限元計算誤差/% 6.6% 2.4% 16.7%
由表5可以看出,四肢格構(gòu)支架在均勻流風場作用下,風洞試驗結(jié)果與有限元仿真分析存在一定誤差,但最大誤差為16.7%,在容許的范圍內(nèi)。試驗結(jié)果表明:風洞試驗?zāi)芊从乘闹駱?gòu)支架的實際受力特性,同時可指導(dǎo)四肢格構(gòu)支架實際施工,保障橋梁工程的安全施工。
對臺風區(qū)公路特大橋施工現(xiàn)場鋼管格構(gòu)支架體系進行有限元的靜力分析,確保支架在最不利荷載工況下其強度能滿足要求。將鋼管格構(gòu)支架格構(gòu)柱部分簡化為雙向壓彎構(gòu)件,并對支架的穩(wěn)定性進行計算,結(jié)果表明滿足支架的穩(wěn)定性要求。進一步對支架結(jié)構(gòu)進行參數(shù)分析,考慮支架鋼管直徑、肢數(shù)、節(jié)段長度、支架總高度和縱橫向間距等因素對支架結(jié)構(gòu)臨界荷載系數(shù)的影響,得出支架最優(yōu)設(shè)計,經(jīng)風洞試驗及現(xiàn)場成功實踐表明:
(1)當格構(gòu)柱的壁厚δ與直徑d的比值為定值時,其臨界荷載系數(shù)會隨著d的變大而迅速增長,相同情況下結(jié)構(gòu)的δ/d越大,結(jié)構(gòu)也越穩(wěn)定。
(2)四肢鋼管格構(gòu)支架穩(wěn)定能力較雙肢和單肢的高很多,但是和六肢的承載能力相差不多,四肢鋼管格構(gòu)支架是最經(jīng)濟合理支架。
(3)當鋼管格構(gòu)支架總高度保持不變時,其節(jié)段高度越小,結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定,但總高度不要超過70 m。當總高度大于70 m時,結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性維持在較低的水平??紤]到用料的經(jīng)濟性,其節(jié)段高度最大應(yīng)不超過其設(shè)置聯(lián)結(jié)系長度的3倍,可有效保證支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
當前,高校英語數(shù)字化教學資源共建共享的管理機制不健全,呈現(xiàn)破碎化特點,既缺乏明確的指導(dǎo)思想和整體規(guī)劃,又缺乏專門的組織管理機構(gòu),出現(xiàn)多頭管理,有教務(wù)處、圖書館、現(xiàn)代教育技術(shù)中心及英語教學系部。這些部門各自為政,部門之間缺乏溝通和協(xié)作,沒有形成合力,存在著重復(fù)交叉開發(fā)數(shù)字化教學資源的現(xiàn)象,這不僅增加組織機構(gòu)運行的成本,也阻礙了英語數(shù)字化教學資源的整合。
(4)當支架的縱橫向間距在5~7 m時,其穩(wěn)定性呈現(xiàn)較快的上升趨勢,間距在7 m附近達到峰值,當間距大于7 m時,支架穩(wěn)定性隨間距增大而降低。
(5)風洞試驗?zāi)芊从乘闹駱?gòu)支架的實際受力特性并指導(dǎo)工程實踐,保障橋梁建設(shè)的安全性。
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Analysis on Stability and Optimization Design of Steel Pipe Lattice Support in Typhoon Area
WANG Baoliang
(China Railway Construction Bridge Engineering Bureau Group 4th Engineering Co.Ltd.,Harbin Heilongjiang 150000,China)
Abstract:Based on the research background of steel pipe lattice support system of cast-in-place highway bridge in the new construction project of Pingtan Strait Dalian Island Bridge in typhoon area,the stability of steel pipe lattice support is analyzed.The spatial finite element model of steel pipe lattice support system is established by Midas Civil software,and the parameters such as different limb number,segment length and height are analyzed,and the wind tunnel test under the action of uniform flow field is carried out on the four limbs lattice support.The calculation results show that the critical buckling load coefficient of the support structure goes up with the increase of the diameter of the steel pipe when the ratio of wall thickness to diameter of steel pipe structure is constant,and the whole structure shows an exponential upward trend.There is no significant difference in the critical load coefficient of the six limbs and four limbs steel tube lattice support,and the four limbs steel pipe lattice support is the most economical support structure.When the total height of the support is less than 70 m,the steel pipe lattice support structure can basically meet the structural stability requirements.When the transverse spacing of the steel pipe column is 5~7 m,the stability of the support shows a rapid upward trend,when the transverse spacing is about 7 m,the support is the most stable.The results of wind tunnel test can reflect the actual stress characteristics and guide the field construction of four-limb steel pipe lattice support.The analysis could provide a theoretical basis for the design of similar steel pipe lattice construction support.
Key words:typhoon area;highway super-bridge;steel pipe lattice support;stability;optimization design
中圖分類號:U445.35
文獻標識碼:A
DOI:10.3969/j.issn.1009-4539.2020.01.008
收稿日期:20191110
基金項目:中國鐵建大橋工程局集團有限公司科技開發(fā)項目(Cr13gK-2014-17)
作者簡介:王保良(1976),男,黑龍江齊齊哈爾人,高級工程師,主要從事鐵路施工工作;E-mail:314626005@qq.com