基于MIDAS/Civil的护栏模板设计

张宗保

摘要：在分析护栏模板载荷的基础上，采用有限元软件MIDAS/civil进行护栏模板的设计，介绍护栏模板模型建立的方法及建立的护栏模板整体模型，计算其强度和刚度，最终完成护栏模板的设计。

关键词：护栏模板；设计；MIDAS/Civil

1.工程概况

某高架桥防撞护栏采用SS级加强型钢筋混凝土墙式护栏，混凝土标高为C30，其结构高度最大值为1.52m。护栏的模板基本结构如图1所示，现采用有限元软件MIDAS/civil来进行分析计算，以确定模板面板网格大小和背楞间距，并进行强度和刚度的校核。

2.荷载分析

对护栏模板的荷载包括：①、新浇筑混凝土对侧面模板的压力；②、振捣混凝土时产生的振动荷载2.0kN/m2；

进行检算时，强度取荷载组合①+②,刚度仅取①。

新浇混凝土侧压力取式(1)中的较小值:

(1)

式中，F为新浇筑混凝土对模板的侧压力(kPa)；

γc为混凝土的重力密度(kN/m3)，取25kN/m3；

t0为新浇混凝土的初凝时间(h)，取6h；

v为混凝土浇筑速度(m/h)，取1.52m/h；

H为混凝土侧压力计算位置处至新浇混凝土顶面的总高度(m)，H=1.52m；

β1为外加剂影响修正系数，掺具有缓凝作用的外加剂时，取1.2；

β2为混凝土坍落度影响修正系数，当坍落度140~180mm时，取1.2。

根据式(1)，求得F=38kPa，[min(38，58.6)]，即在护栏结构高度1.52m范围内，混凝土侧压力按线性分布。

3.建模方法

先采用MIDAS/civil软件对面板网格尺寸进行分析计算，以得到满足强度与刚度要求的面板网格最优结构尺寸，以确定横肋的间距与截面尺寸，进而分析计算围檩的间距与截面尺寸，最后建立护栏模板整体模型进行整体结构的强度与刚度分析。

在护栏模板有限元模型中，由于面板与主横肋间均为焊接方式,,对拉杆与围檩采用螺栓连接，故建模时，面板采用板单元，围檩与横肋采用梁单元，对拉杆采用杆单元。根据模板制造工艺要求，建模时横肋与面板采用共线方式，横肋与围檩采用梁单元共节点方式，以实现其刚性连接；对拉杆采用杆单元与围檩共节点方式，以实现其铰接。

模型中各部件截面形式和尺寸，则在MIDAS/civil的截面定义功能中定义。

4.面板和横肋及围檩间距的确定

4.1面板的确定

面板网格的计算采用对面荷载加载的方式。边界条件为对板边采用Z向固定，其余方向自由的约束方式，荷载按最大侧压力施加。

面板网格选择为1000mm×300mm时，计算结果如图1所示。

图1计算结果图

网格内最大垂直于面板的变形为1.7mm,满足相关要求。故面板最大网格可采用1000mm×300mm，面板选用5mmQ235A钢板。

4.2横肋、围檩间距的确定

根据面板网格的大小，建立两跨连续面板模型，在面板网格上采用压力荷载加载，压力荷载大小取荷载组合①+②，计算模型如图2所示；组合应力图如图3所示；变形图如图4所示。

根据计算结果可知，横肋、围檩的最大的变形值为1mm，为满足刚度1/500的相关要求。

而其组合应力为σ=80.4MPa≤［σ］=145MPa，也满足强度要求。所以横肋最大间距可按300mm间距布置，围檩最大间距可按1000mm间距布置。

5.整体模型计算

图2横肋、围檩计算模型

图3横肋、围檩应力图

图4横肋、围檩变形图

图5护栏模板板应力图

图6横肋、围檩应力图

5.1护栏模型计算

护栏模板面板采用5mmQ235A钢板，横肋采用［6.3槽钢，围檩采用［8双背槽钢，接缝处连接法兰为厚10mmQ235A钢板，宽80mm；依照模板设计尺寸，建立护栏模板的整体模型，设定边界条件，施加荷载组合①+②。

5.2计算结果

由于本设计中刚度荷载与强度荷载组合线相差不大，故二者不分别加载，均按强度荷载组合加载。

计算模型中分别采用了板单元与梁单元，二者应力分别显示，板应力图如图5所示。横肋、围檩应力如图6所示。变形图如图7所示。

图7变形图

由计算结果可知，板应力图中显示在模板上方设置斜拉杆铰接位置应力超规范要求，在其位置贴补100mm×100mm的10mm厚的Q235A钢板。

横肋、围檩应力的最大值σ=113.5MPa≤［σ］=145MPa，满足强度要求。

模板最大变形值为3mm，发生在［8双背槽钢围檩的最下部，按高度方向围檩长度为1520mm,依据刚度要求1/500计算，则容许变形值为1520mm/500=3.4mm，故满足刚度要求。

通过检算，表明该模板满足设计及相关规范要求。

6.实际应用情况

通过运用MIDAS/civil软件进行模板的设计，结合现场实际施工的需求与经验，方便快捷的实现了护栏模板的设计、修改与定型。经实际施工检验，设计出的模板安装简便，刚度良好，结合一些辅助措施，创新该类外包护栏施工工法，使护栏施工效率与效益双提升，在某高速公路高架桥SS级加强型钢筋混凝土墙式护栏施工中施工速度是其他类似标段的2~3倍，护栏的质量更好，特别是其中的外观、线型。经业主推广，类似标段已全部采用该工法进行类似护栏施工。

7.结束语

(1)运用MIDAS/civil软件对桥墩模板进行设计和有限元分析,可快速和高效的完成设计、修改与审核工作，其设计质量更高与检算结果更准确，提高施工现场技术管理水平。

(2)对于一些平时手工很难完成的异形模板检算，可借助MIDAS/civil软件方便快捷的实现检算。

参考文献：

[1]交通部第一工程总公司.公路施工手册.桥涵[M].北京:人民交通出版社,2006

[2]成大先.机械设计手册,第五版[M].北京:化学工业出版社,2007

[3]建筑施工手册,第四版[M].北京:中国建筑工业出版社,2003

[4]钢结构设计手册,第三版[M].北京:中国建筑工业出版社,2004

[5]混凝土结构工程施工及验收规范,GB50204-2011[S].北京:中华人民共和国住建部,2011