孫志遠(yuǎn)，李 明*，彭章良

（1.南華大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001；2.中交四公局總承包分公司，北京 100020）

現(xiàn)今我國斜拉橋不僅在數(shù)量上領(lǐng)先世界，在設(shè)計(jì)造型上也千變?nèi)f化、美觀優(yōu)雅，斜拉橋美學(xué)上的追求促進(jìn)著橋梁力學(xué)與施工的研究與優(yōu)化。塔柱既是斜拉橋受壓主構(gòu)件，也影響著橋梁整體的美觀性。異形塔柱合龍段高度超高，又無法利用爬模施工，目前常用超高支架現(xiàn)澆施工，但超高支架的施工周期長、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差的問題亦難以忽略。本文依托項(xiàng)目工程實(shí)際，介紹牛腿支架特點(diǎn)并對(duì)牛腿支架結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值分析。

1 工程概況

斜拉橋主橋全長328 m，為獨(dú)斜塔混合梁斜拉橋，混凝土箱梁長90 m，鋼箱梁長238 m。主塔為“琵琶型”，如圖1、圖2 所示，塔身順橋向從鉛垂面向混凝土箱梁側(cè)傾斜10°，主塔從承臺(tái)頂至塔頂豎向總高度為126 m，塔柱合龍段兩中塔柱內(nèi)側(cè)以半徑50 cm 的圓弧順接。

圖1 斜拉橋橋型布置圖

圖2 塔柱合龍段立面圖

2 塔柱合龍段支架設(shè)計(jì)

2.1 塔柱合龍段支架施工方法

塔柱合龍段施工既是高空作業(yè)，同時(shí)又由于該部分的結(jié)構(gòu)線形而無法運(yùn)用爬模施工，因此只能采用搭設(shè)支架的施工方式。目前根據(jù)施工支架反力提供方式的不同，支架施工方法可分為落地支架法與牛腿支架法。

落地支架法：通過地基或基礎(chǔ)來提供反力，反力支撐體系更穩(wěn)定，但橋塔合龍段支架架設(shè)高，鋼材用量大，其材料的選用與建造的過程中也難免會(huì)存在一定缺陷，結(jié)構(gòu)的非彈性及彈性變形也較大。

牛腿支架法：依靠塔柱提供反力，材料投入相對(duì)較少，結(jié)構(gòu)形式簡單，抗風(fēng)性好，但支撐體系較弱，安裝精度也相對(duì)較高。

綜上再結(jié)合工程實(shí)際，該橋?yàn)樾彼崩瓨?，在無索區(qū)塔柱施工時(shí)，需布置臨時(shí)支撐以抵抗塔身自重對(duì)塔柱底部產(chǎn)生傾覆力矩與拉應(yīng)力，若再采用超高現(xiàn)澆支架會(huì)大大壓縮橋面施工空間，嚴(yán)重影響施工周期，同時(shí)對(duì)于本橋而言，合龍段澆筑時(shí)塔柱的邊界體系相對(duì)穩(wěn)定，故該橋支架設(shè)計(jì)采用牛腿支架法。

2.2 施工支架設(shè)計(jì)方案

塔柱合龍段施工支架立面圖如圖3 所示，支架1-1斷面圖如圖4 所示。該合龍支架自下而上依次為3 對(duì)自制鋼牛腿、可調(diào)卸載塊、2I45 縱向分配梁、由槽鋼縱向連接形成上部整體的6 片支架、三角架外側(cè)2[16 縱向槽鋼主肋、10 cm×10 cm 木枋次肋和18 mm 竹膠板。支架立面圖與1-1 斷面圖中構(gòu)架編號(hào)的材料型號(hào)與規(guī)格見表1。

圖3 支架立面布置圖

圖4 支架1-1 斷面布置圖

表1 圖3 與圖4 支架編號(hào)構(gòu)件材料及規(guī)格型號(hào)

3 施工支架分析方法

3.1 荷載組合

計(jì)算模板、拱架及支架的荷載主要有：①模板、支架等支撐結(jié)構(gòu)及新澆筑混凝土、新砌體等圬工結(jié)構(gòu)物的自重荷載；②施工人材機(jī)運(yùn)輸或堆放荷載；③混凝土傾倒和振搗產(chǎn)生的豎向荷載；④新澆混凝土對(duì)側(cè)模板的壓力；⑤混凝土傾倒產(chǎn)生的水平荷載；⑥混凝土振搗產(chǎn)生的水平荷載；⑦施工中可能產(chǎn)生的其他荷載，像雪荷載、風(fēng)荷載等。

計(jì)算模板、支架和拱架的荷載組合見表2。

表2 模板、支架和拱架的荷載組合

3.2 支架安全評(píng)估

支架支撐安全需進(jìn)行強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性3方面計(jì)算評(píng)估。

強(qiáng)度：現(xiàn)澆支架是一種臨時(shí)結(jié)構(gòu)，通常采用容許應(yīng)力法對(duì)現(xiàn)澆支架強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算。

剛度：根據(jù)現(xiàn)澆支架容許撓度，下沉度或彈性撓度值小于等于L/400（L 為自由跨度）；還要滿足支架容許長細(xì)比：主要受壓桿件的長細(xì)比小于等于100，次要受壓桿件長細(xì)比小于等于150。

穩(wěn)定性：目前支架穩(wěn)定性分析方法可分為2 種，一種是利用靜力平衡法、能量法或動(dòng)力法這種解析求解其相應(yīng)的屈曲荷載（臨界荷載）；另一種為近似法，常用的為有限單元法，即構(gòu)建矩陣平衡方程，將屈曲分析問題轉(zhuǎn)化為特征值問題，進(jìn)而求得結(jié)構(gòu)的臨界荷載系數(shù)與對(duì)應(yīng)的屈曲模態(tài)。

4 Midas 三維模型建立

4.1 支架有限元模擬

根據(jù)上述施工支架設(shè)計(jì)方案，在Midas/Civil 中選擇鋼材、自定義方木與竹膠板材料，之后對(duì)材料及截面形式賦予完成的相應(yīng)構(gòu)件，以彈性連接的形式構(gòu)建三維有限元支架模型。在支架下方每個(gè)牛腿位置采用節(jié)點(diǎn)支撐模擬支架邊界條件。

支架荷載施加考慮合龍段施工中支架受力最不利狀態(tài)，即圖3 中第二次澆筑時(shí)支架所受荷載，包含模板支架與混凝土自重荷載、豎向施工人員機(jī)械及混凝土振搗荷載和風(fēng)荷載。模型荷載見表3。

表3 模型荷載

4.2 自制牛腿有限元模擬

由支架建模計(jì)算可知牛腿的最大反力，為檢驗(yàn)施工過程中承載工字鋼梁的可靠性，現(xiàn)利用Midas/FEA nx 對(duì)自制牛腿進(jìn)行建模分析。自制牛腿主要包括上頂板、隔板、下底板3 部分，上頂板尺寸：59 cm×33 cm×45 cm×1.5 cm，下底板尺寸：52 cm×26 cm×24 cm×1.5 cm，隔板尺寸：45 cm×24 cm×35 cm×2 cm，由于鋼板最大厚僅有2 cm，故采用板單元進(jìn)行模擬，用面網(wǎng)格進(jìn)行劃分。鋼牛腿焊接在塔身埋件上，固接觸面按固定約束，其他不受約束。

根據(jù)支架設(shè)計(jì)方案，反力需要通過卸載塊傳遞給牛腿，故擬將反力以均布荷載的方式加載在牛腿頂面中央。牛腿最大受力F=535.4 kN，受力面積A=95 700 mm2，壓力值為

5 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)有限元模擬計(jì)算得到組成支架各部分構(gòu)件的組合應(yīng)力與剪應(yīng)力，見表4。根據(jù)表4 可知，各構(gòu)件的最大組合應(yīng)力與剪應(yīng)力計(jì)算值均小于其容許應(yīng)力值，即各構(gòu)件強(qiáng)度儲(chǔ)備充足，滿足使用要求。

表4 支架各部分構(gòu)件的組合應(yīng)力與剪應(yīng)力

標(biāo)準(zhǔn)組合下，支架變形如圖5 所示，牛腿局部變形如圖6 所示。根據(jù)圖5、圖6 可知，支架最大綜合變形出現(xiàn)在連接6 片支架的縱向主脅上，值為2.09 mm 小于撓度容許值7 630/400=19.075 mm，牛腿最大變形出現(xiàn)在翼緣位置，值為0.75 mm 小于容許值2×450/180=5 mm，均滿足規(guī)范要求。

圖5 支架變形圖

圖6 牛腿局部變形圖

牛腿支架高度小且無長細(xì)比過大的構(gòu)件，支架結(jié)構(gòu)相對(duì)更穩(wěn)定。本文采用Midas 屈曲分析模擬，由所得的臨界荷載系數(shù)（前5 階）表（表5）可知，其臨界荷載系數(shù)均遠(yuǎn)大于6，支架滿足穩(wěn)定性要求。

表5 前5 階屈曲臨界荷載系數(shù)表

6 結(jié)束語

1）牛腿支架法與超高支架法相比，牛腿支架法雖然反力支撐體系弱，但其構(gòu)件材料用量少，施工空間占用量小，能夠節(jié)約施工時(shí)間，增加施工經(jīng)濟(jì)效益。故對(duì)現(xiàn)澆支架跨度與施工荷載相對(duì)較小，塔柱及現(xiàn)有的邊界體系能夠提供穩(wěn)定的反力支撐的工程，牛腿支架法無疑是更好的選擇。

2）經(jīng)過施工驗(yàn)算及數(shù)值分析，可以發(fā)現(xiàn)牛腿支架法穩(wěn)定性好，而支架受力不利位置出現(xiàn)在大跨度構(gòu)件及反力牛腿上。因此在對(duì)牛腿支架設(shè)計(jì)及驗(yàn)算中要重點(diǎn)注意相對(duì)細(xì)長構(gòu)件的剛度、強(qiáng)度與穩(wěn)定性。

3）本文通過Midas/Civil、Midas/Fea nx 有限元軟件對(duì)現(xiàn)澆支架整體和承重牛腿局部建模數(shù)值分析，并結(jié)合規(guī)范材料自身允許應(yīng)力與結(jié)構(gòu)允許位移，論證了該現(xiàn)澆支架設(shè)計(jì)是合理的。同時(shí)也表明有限元法能夠有效地分析支架整體協(xié)同變形與局部應(yīng)力特性，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。