龍門大橋東錨體橫梁支架設(shè)計分析

摘"要：文章以龍門大橋東錨體橫梁為例，針對東錨體橫梁澆筑方量大、橫梁截面不規(guī)則難以支撐等難題，對比鋼管落地支架方案和托架方案的特點，確定支架總體方案。通過錨體橫梁荷載分布確定鋼管布置間距及橫梁兩端牛腿形式，完成支架下部結(jié)構(gòu)設(shè)計；針對錨體橫梁多邊形截面形式，設(shè)計斜面支撐體系，完成支架上部結(jié)構(gòu)支撐設(shè)計；采用有限元軟件Midas Civil驗算錨體橫梁支架的承載力與穩(wěn)定性，保證支架實施的可行性。

關(guān)鍵詞：錨體橫梁；支架設(shè)計；有限元計算

中圖分類號：U443.24A421443

0 引言

錨體橫梁是聯(lián)系左右幅散索鞍、增強錨體整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要結(jié)構(gòu)，起到支撐引橋上構(gòu)箱梁的作用。一般在兩側(cè)散索鞍前錨室側(cè)墻完成后進行錨體橫梁的施工，錨體橫梁多采用落地支架作為荷載支撐體系。在目前建成的懸索橋中，錨體橫梁的截面形式均不一致，荷載分布也不盡相同，故本文以龍門大橋東錨體橫梁為例進行設(shè)計驗算，以確定支架施工總體方案。

1 龍門大橋東錨體橫梁概況

龍門大橋東錨碇錨體從功能、受力、施工等方面可分為錨塊、散索鞍支墩、前錨室、后錨室、橫梁等部分，錨體三維構(gòu)造如圖1所示。橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，長度為46.2 m，橫截面為薄壁空腔多邊形，水平寬度為11.66 m，豎直高度為10.43 m，壁厚均為1 m，底面及中間腹板處布置有預(yù)應(yīng)力束，錨體橫梁三維構(gòu)造如圖2所示。

2 支架方案確定與荷載計算

2.1 支架方案確定

對于較大尺寸的橫梁支架設(shè)計，主要影響因素有橫梁跨度及截面尺寸、施工作業(yè)高度、附近既有結(jié)構(gòu)物影響［1］。在國內(nèi)的主塔橫梁及錨體橫梁施工中，橫梁支架的設(shè)計形式主要有大鋼管落地支架、牛腿托架、牛腿桁架片等。

龍門大橋東錨體橫梁結(jié)構(gòu)重約2 865 t，分3層進行澆筑，但橫梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力在全部混凝土澆筑完成后施工，故橫梁支架需承受錨體橫梁全部的混凝土荷載，支架承載力要求高。

若采用牛腿托架或桁架片的形式，通常將其設(shè)計得較為龐大，需要更大吊重的機械設(shè)備進行施工。錨體前錨室為往散索鞍處收攏的異形結(jié)構(gòu)，托架及桁架片需設(shè)計成適應(yīng)錨體前錨室的結(jié)構(gòu)形狀。此外，錨體前錨室側(cè)墻厚度較小（1 m），若僅依靠托架牛腿進行支撐，牛腿處的集中力較大，對混凝土局部承壓不利［2］，會對前錨室側(cè)墻結(jié)構(gòu)帶來不利影響。

綜合以上分析，采用牛腿托架及桁架片的支架形式，存在吊裝設(shè)備要求高、托架設(shè)計難、混凝土局部承壓不利等弊端，故在龍門大橋東錨體橫梁采用大鋼管落地支架進行施工，在橫梁兩端設(shè)置牛腿進行支撐。

2.2 荷載計算

荷載計算采用線荷載計算方式，取錨體橫梁底緣輪廓，以錨體橫梁橫截面厚度變化點為劃分依據(jù)，計算各變化點的混凝土線荷載大小。以平行錨體橫梁截面方向為橫向，以垂直錨體橫梁截面方向為縱向。錨體橫梁橫向荷載分布如圖3所示。

3 錨體橫梁支架設(shè)計

錨體橫梁支架采用大鋼管落地支架，支架分下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)。下部結(jié)構(gòu)主要包括擴大基礎(chǔ)或牛腿、鋼管立柱、主橫梁、楔形塊、主縱梁，上部結(jié)構(gòu)主要包括分配梁及外腹板桁架片。

3.1 支架下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

東錨體橫梁截面為不規(guī)則的單向雙室多邊形形狀，橫向荷載分布主要集中在橫梁底板及中腹板區(qū)域，此區(qū)域混凝土厚度為4.5～10.43 m。故主縱梁及鋼管的橫向布置間距需在橫梁底板和中腹板范圍內(nèi)加密。

考慮橫梁截面的構(gòu)造，底板及中腹板區(qū)域的主縱梁布置間距為0.38～1.0 m，如圖4所示。

鋼管支架立柱采用630 mm×10 mm鋼管，橫向布置6排，每排為4根。鑒于橫梁橫向荷載分布，將鋼管立柱橫向間距在橫梁底板、中腹板處進行加密，邊腹板位置鋼管橫向間距為2.5 m，底板及中腹板處鋼管橫向間距加密至1.5 m。支架的縱向荷載分布一致，故鋼管縱向采用等間距4.0 m布置。鋼管支架聯(lián)系采用雙拼25a槽鋼進行搭設(shè)。

鋼管立柱基礎(chǔ)均落在錨體錨塊第一層混凝土上，采用在錨塊第一層混凝土頂面安裝預(yù)埋鋼板作為鋼管立柱基礎(chǔ)。

在錨體與錨體前錨室相交端頭處，由于錨體為異形結(jié)構(gòu)導(dǎo)致鋼管立柱安裝受限，鋼管立柱無法施工擴大基礎(chǔ)。故在錨體前錨室側(cè)面采用預(yù)埋盒及鋼牛腿設(shè)計，鋼牛腿采用3塊3 cm厚鋼板焊接組成。

鋼牛腿長1.2 m，插入前錨室側(cè)墻的預(yù)埋盒內(nèi)，錨固深度取70 cm，驗證鋼牛腿處局部承壓截面尺寸是否滿足要求。根據(jù)規(guī)范，配置間接鋼筋的混凝土構(gòu)件，其局部受壓區(qū)的截面尺寸應(yīng)滿足下列要求［3］：

γ0Fld≤1.3ηsβfcdAln（1）

β=AbAl（2）

將相應(yīng)參數(shù)代入式（1）、式（2）進行計算，得1.3ηsβfcdAln=1.3×1.0×1.36×18.4×63 000=2 049.5 kN＞γ0Fld=1.1×712.9=784.2 kN，混凝土局部承壓截面尺寸滿足要求。

在鋼牛腿上安裝主橫梁及主縱梁，在錨體橫梁兩端處的主橫梁緊貼前錨室側(cè)墻進行安裝，防止鋼牛腿出現(xiàn)較長懸臂而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力超限。錨體橫梁支架下部結(jié)構(gòu)平面、立面見圖5、圖6。

3.2 支架上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對橫梁截面的多邊形設(shè)計，需對錨體橫梁外腹板斜面支架進行設(shè)計。常規(guī)外腹板斜面多采用盤扣支架進行滿堂支架搭設(shè)，但對于錨體橫梁施工，盤扣支架存在如下弊端：

（1）盤扣支架立桿的承載力有限，而錨體橫梁外腹板截面混凝土高度較大，若采用盤扣支架，支架立桿的布置間距將會非常密，不僅浪費材料而且不便于施工。

（2）盤扣支架主要承載豎向荷載，對于水平荷載的承載能力較差，需要采取較多措施加強盤扣支架的整體水平剛度。

（3）盤扣支架頂部頂托進行斜面模板安裝較為繁瑣，施工過程需耗費較多的人工成本。

綜合上述因素考慮，在錨體橫梁外腹板斜面采用桁架片作為支撐。

在支架主縱梁上設(shè)置Ⅰ25工字鋼分配梁，間距75 cm。采用在Ⅰ25分配梁上焊接型鋼及鋼管加工成桁架片的形式，桁架片可作為底板及外腹板的支撐［4］。

桁架片底部橫梁為Ⅰ25工字鋼，豎桿及斜杠為219 mm鋼管，頂層橫桿為140 mm鋼管。桁架片間橫向聯(lián)系采用C10槽鋼。桁架片各節(jié)點設(shè)計位于主縱梁上，承載剛度性能更好，桁架片設(shè)計如圖7所示。桁架片于后場預(yù)制加工，在現(xiàn)場按間距安裝完成后即可進行模板系統(tǒng)施工，施工效率大幅提升。

4 錨體橫梁支架驗算

4.1 支架有限元分析驗算

通過Midas Civil軟件對東錨體橫梁支架進行建模并分析計算，計算模型如圖8所示。模型建立完成后，結(jié)合計算得到的線荷載與桁架片布置間距，在桁架片對應(yīng)位置添加混凝土荷載及施工荷載等。

基于結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)原理，對東錨體橫梁支架進行組合驗算，如表1所示為支架下部結(jié)構(gòu)（包括630 mm鋼管、主橫梁、主縱梁、鋼管聯(lián)系、牛腿）驗算結(jié)果，如表2所示為支架上部結(jié)構(gòu)（包括分配梁、桁架片各構(gòu)件）及整體變形驗算結(jié)果。

支架整體最大位移為10.685 mm，澆筑跨度為5 m，根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG T 3650-2020）相應(yīng)變形計算要求，支架容許最大位移為5 000/400=12.5 mm，容許最大位移大于最大位移。對比表格中的驗算值與容許值，東錨體橫梁支架結(jié)構(gòu)各構(gòu)件正應(yīng)力、剪應(yīng)力及變形值均滿足要求。

4.2 鋼管立柱局部驗算

對支架鋼管進行單樁穩(wěn)定性計算，根據(jù)有限元模型計算結(jié)果，東錨體橫梁支架最大反力為1 536 kN，故支架鋼管最大軸向力為1 536 kN。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017-2017），支架鋼管回轉(zhuǎn)半徑i=113.2、自由長度L=1 500 mm、截面面積A=19 478 mm2，計算得鋼管長細(xì)比λ=L/i=13.26，所以鋼管的軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)ψ=1.02-0.55×（（λ+20）/100）2=0.959。

故支架鋼管容許壓力：［N］=0.5×ψ×A×［σ］=0.5×0.959×19 478×215 MPa=2 008.37 kN，gt;1 536 kN，滿足局部承壓要求。

5 結(jié)語

本文以龍門大橋東錨碇橫梁支架為例，對影響橫梁支架設(shè)計的因素進行分析，確定采用大鋼管支架作為東錨碇橫梁支撐系統(tǒng)，并進行錨體橫梁荷載分布的計算。通過錨體橫梁荷載的分布，進行支架下部結(jié)構(gòu)設(shè)計，并驗算端部鋼牛腿錨固深度滿足要求。通過分析盤扣支架的弊端，采用桁架片形式對橫梁外腹板進行支撐，完成支架上部結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過Midas Civil軟件進行支架建模驗算，驗證支架各項指標(biāo)滿足要求，并從有限元模型得出鋼管立柱反力進行局部承壓計算，計算結(jié)果滿足規(guī)范要求。龍門大橋東錨碇橫梁已采用本文所設(shè)計支架施工完成，方案安全可行。參考文獻(xiàn)：

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