摘要 系桿拱橋以其跨越能力大、造型美觀、結(jié)構(gòu)輕便等優(yōu)勢被廣泛使用在橋梁建設(shè)中，文章以張福河大橋蝶形系桿拱支架設(shè)計為研究對象，采用有限元軟件Midas建立支架模型，分析系桿支架在各個工況下的受力性能，結(jié)果表明：張福河大橋跨河支架在實(shí)施過程中支架均滿足受力要求。通過實(shí)例重點(diǎn)就系桿拱鋼結(jié)構(gòu)支架設(shè)計與分析進(jìn)行研究，以供業(yè)內(nèi)人士參考和借鑒。

關(guān)鍵詞 系桿拱；支架；有限元

中圖分類號 TU755.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）02-0129-03

0 引言

隨著橋梁發(fā)展越來越傾向于大跨徑、承載力高、造價低、建養(yǎng)費(fèi)用少的橋梁，系桿拱橋在內(nèi)河城市運(yùn)用較多且長盛不衰。獨(dú)特的橋型施工有不同的支架形式，合理選用支架形式進(jìn)行可靠的安全設(shè)計不僅關(guān)系施工成敗而且直接影響項(xiàng)目的施工成本及進(jìn)度。該文以少支架法分節(jié)段吊裝系桿拱主副鋼結(jié)構(gòu)拱施工案例為背景，研究跨河支架的結(jié)構(gòu)受力情況，通過有限元模型分析結(jié)果對支架進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)。

1 工程概況

主橋采用蝴蝶形系桿拱結(jié)構(gòu)，跨徑105 m，計算跨徑102 m，橋面寬度為12 m，橋梁總寬16 m（含結(jié)構(gòu)構(gòu)造寬）。主拱圈由鋼箱式截面組成（210×140 cm），拱圈矢高h(yuǎn)=20.4 m，矢跨比1/5，主拱外傾角度為10 °，副拱采用90 cm×90 cm箱式斷面進(jìn)行連接，橫向連接桿采用箱式斷面（45×45 cm），主拱、副拱、橫向連接桿組成蝴蝶造型，同時起到風(fēng)撐作用，系桿采用220 cm×200 cm的鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)，全橋共設(shè)19道預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁，中橫梁為T形實(shí)心截面（帶牛腿），牛腿上放置預(yù)制C50空心行車道板。系桿為箱形斷面，系桿頂板、腹板、底板均為30 cm厚，拱腳段系桿與拱腳端橫梁一起澆筑，跨河系桿由中間向兩邊澆筑，兩次澆筑通過1 m濕接頭連接。

2 施工總體思路

張福河大橋上部結(jié)構(gòu)總體采用“先梁后拱”的施工方法，主橋拱腳、端橫梁、系梁，中橫梁采用少支架現(xiàn)澆法施工，總體施工流程如下：①施工主墩，搭設(shè)主橋系梁現(xiàn)澆支架，預(yù)留通航孔，完善臨時導(dǎo)航措施；②施工拱腳、端橫梁、系桿、4#、9#、14#中橫梁，張拉端橫梁N1、中橫梁N2系梁第一批預(yù)應(yīng)力N1、N2；③搭設(shè)主副拱肋支架，完成主副拱安裝、焊接，拆除拱肋支架；④安裝吊桿，完成第一次吊桿張拉；⑤施工剩余中橫梁，張拉中橫梁N2預(yù)應(yīng)力鋼束，張拉第二批系桿預(yù)應(yīng)力鋼束，拆除系梁支架，安裝行車道板、張拉第二批端橫梁、中橫梁預(yù)應(yīng)力鋼束；⑥吊桿第二次張拉，主橋橋面系施工。

3 鋼結(jié)構(gòu)吊裝分段劃分原則

3.1 主副拱分段原則

分段構(gòu)件的幾何尺寸應(yīng)滿足工廠制作條件、運(yùn)輸?shù)脑试S范圍以及現(xiàn)場場地對構(gòu)件?？康囊?。構(gòu)件運(yùn)輸方式采用陸路+水上運(yùn)輸?shù)姆绞?，此批貨物陸上運(yùn)輸最長5.5 m，貨物最寬2 m。分段的吊裝重量不應(yīng)超出吊機(jī)的起重能力，劃分鋼梁應(yīng)清楚每段鋼梁的重量，估算分段重量，避免分段重量超出起重量范圍的情況，其中主副拱肋采用31 m長度的甲板駁船運(yùn)輸至橋位處，采用浮吊船整體垂直起吊，其余節(jié)段采用陸運(yùn)方式運(yùn)輸至橋位處，采用浮吊及汽車吊配合安裝。鋼梁分段焊接接口部分采用Z形接口，接口處以腹板為中心，與頂板、底板各錯開200 mm。

3.2 構(gòu)件分段重量信息表

根據(jù)項(xiàng)目通航要求及現(xiàn)場實(shí)際情況，主橋鋼結(jié)構(gòu)共分成4個拱腳、4個主副拱組合體、4個主拱、4個副拱及若干個橫撐，具體分段尺寸如表1所示。

3.3 鋼拱肋支架設(shè)計

根據(jù)系桿拱橋節(jié)段自重及現(xiàn)場地質(zhì)條件，臨時胎架采取鋼管支架。根據(jù)各支承段的受力特點(diǎn)，綜合考慮現(xiàn)場的支承環(huán)境，設(shè)計支撐尺寸不等，該聯(lián)次共1種支架形式，均設(shè)置在系桿拼接位置。

3.4 支架構(gòu)造

支架采用鋼管φ426×8 mm鋼管，橫撐、斜撐沿高度方向約每2 m處設(shè)置，橫撐、斜撐16#a槽鋼，頂部承重分配梁采用雙拼40#a工字鋼，調(diào)節(jié)短柱φ273×8 mm鋼管，支架底部轉(zhuǎn)接板采用800×800×30 mm鋼板，材質(zhì)均為Q235B。

3.5 鋼拱肋支架細(xì)部構(gòu)造

支架底部均為接樁受力，底部鋼管樁直徑為529×8 mm，上部支架鋼管為426×8 mm，支架底部配備800×800×30 mm厚鋼板轉(zhuǎn)換體系。

3.6 最不利工況分析

采用浮吊吊裝施工系桿拱最重53 t，承重構(gòu)件為主拱L2。安裝頂面高度約31 m，單機(jī)吊裝重量約為53 t，采用1臺150 t浮吊吊裝，臂長53 m，作業(yè)半徑31.5 m，起重量70 t。70×0.8=56 t＞53 t，滿足作業(yè)要求。

4 鋼結(jié)構(gòu)支架驗(yàn)算

4.1 設(shè)計荷載

4.1.1 荷載計算

恒載：鋼箱梁、臨時支架及施工措施自重均按實(shí)際重量計。

活載：根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009—2012），淮安市10年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓ω0=0.25 kN/m2。地面粗糙度為B類，臨時支架總高度約25 m，則風(fēng)荷載高度系數(shù)μz=1.52。各桿件體形系數(shù)為μs=1.3。故風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值ωk=μsμzω0=1.3×1.52×0.25=0.49 kN/m2[1]。

4.1.2 荷載組合

荷載組合1（基本組合）：1.3恒載+1.5活載；

荷載組合2（標(biāo)準(zhǔn)組合）：1.0恒載+1.0活載。

其中，組合1用于構(gòu)件強(qiáng)度、內(nèi)力計算，組合2用于結(jié)構(gòu)變形、反力計算和單樁承載力計算。

4.1.3 邊界條件

支架鋼管柱與混凝土基礎(chǔ)采用固定約束，在鋼箱梁分段位置正下方設(shè)置支架立柱，立柱與鋼箱梁間采用只受壓彈性簡支約束。

4.1.4 材料特性和強(qiáng)度設(shè)計值

臨時支架結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用Q235C，橋體構(gòu)件采用Q355MD，材料性能和強(qiáng)度設(shè)計值如下：彈性模量：E =2.06×105 N/mm2；泊松比：γ= 0.3；密度：7.85×103 kg/m3；線膨脹系數(shù)：α=1.2e-5/℃；屈服強(qiáng)度：fy=235 MPa和345 MPa；Q235C材料容許應(yīng)力[σ]=215 MPa，容許剪應(yīng)力[τ]=125 MPa；Q355MD材料容許應(yīng)力[σ]=295 MPa，容許剪應(yīng)力[τ]=170 MPa。

4.2 施工階段工況計算

4.2.1 安裝步驟和支架編號

根據(jù)主橋分段和鋼結(jié)構(gòu)施工步驟，進(jìn)行模擬建模分析，橋梁的施工過程模擬主要分為5個施工階段，分析在施工安裝過程中支架結(jié)構(gòu)的受力情況。

4.2.2 計算模型

采用專業(yè)計算軟件Midas Gen對臨時支架進(jìn)行建模分析，計算模型見圖1。

4.2.3 工況計算結(jié)果

工況1計算結(jié)果：臨時支架最大組合應(yīng)力為σ=50.5 MPa＜[σ]=215 MPa，最大剪應(yīng)力為τ=1.1 MPa＜[τ]=125 MPa，滿足要求。

臨時支架單樁最大反力17.1 kN。

工況2計算結(jié)果：臨時支架最大組合應(yīng)力為σ=129 MPa＜[σ]=215 MPa，最大剪應(yīng)力為τ=27 MPa＜[τ]=125 MPa，滿足要求。

臨時支架單樁支架最大支反力79.6 kN。

工況3計算結(jié)果：臨時支架最大組合應(yīng)力為σ=108 MPa＜[σ]=215 MPa，最大剪應(yīng)力為τ=68 MPa＜[τ]=125 MPa，滿足要求。

臨時支架單樁最大反力276 kN。

工況4計算結(jié)果：臨時支架最大組合應(yīng)力為σ=108 MPa＜[σ]=215 MPa，最大剪應(yīng)力為τ=68 MPa＜[τ]=125 MPa，滿足要求。

臨時支架單樁支架最大支反力282 kN。

工況5計算結(jié)果：臨時支架最大組合應(yīng)力為σ=109 MPa＜[σ]=215 MPa，最大剪應(yīng)力為τ=68 MPa＜[τ]=125 MPa，滿足要求。

臨時支架單樁最大支反力287 kN。

綜上所述，施工過程中臨時支架各個工況的應(yīng)力如表2所示。

計算表明，施工過程中格構(gòu)柱臨時支架應(yīng)力最大值出現(xiàn)在第2施工階段，即在拱腳L0安裝完成后，在箱梁加寬段靠近過渡墩支架應(yīng)力最大，此后最大應(yīng)力點(diǎn)均在該處，施工過程中臨時支架強(qiáng)度滿足安全要求。

4.3 計算結(jié)論

綜合以上計算結(jié)果可知，張福河大橋施工過程中臨時支架的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性均滿足要求。

4.4 拱肋吊裝分析

根據(jù)張福河大橋分段圖和施工步驟圖，L1和L6分段結(jié)構(gòu)類似，取較重L1分段作為典型分段做吊裝分析；L2和L4分段結(jié)構(gòu)類似，取較重L2分段作為典型分段做吊裝分析。考慮吊裝1.2倍動荷載系數(shù)。

4.4.1 拱肋L1吊裝分析

吊裝分段最大組合應(yīng)力為σ=51 MPa＜[σ]=295 MPa，最大剪應(yīng)力為τ=12 MPa＜[τ]=170 MPa，滿足要求。

吊裝分段最大變形為22 mm＜L/400=22 000/400=55 mm，滿足要求。

4.4.2 拱肋L2吊裝分析

吊裝分段最大組合應(yīng)力為σ=14 MPa＜[σ]=295 MPa，最大剪應(yīng)力為τ=3 MPa＜[τ]=170 MPa，滿足要求。

吊裝分段最大變形為1 mm＜L/400=20 000/400=50 mm，滿足要求。由上述分析可知，吊裝過程中鋼拱肋滿足設(shè)計要求。

4.5 鋼管樁驗(yàn)算

由以上計算可知：工況5臨時支架單樁支架最大支反力282 kN。

另：Φ529 mm，δ=8 mm鋼管樁自重；1.028 kN/m。

4.5.1 鋼管樁入土深度計算

根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTG D63—2007）規(guī)定，容許承載力計算公式Ra=1/2×U×qik×li+度計算：通航孔處河底標(biāo)高為7.53 m，河底淤泥以50 cm計，為方便計算，取7 m標(biāo)高為支墩鋼管樁入土深度控制依據(jù)。鋼管樁樁頂標(biāo)高18.2 m，入土深度按7 m計算，樁底標(biāo)高為0 m，單根鋼管樁長18.2 m。

Qd=1/2×1.662×[62×2+40×2.8+55×2.2]=316.6 kN＞282+1.028×18.2=300.7 kN，滿足要求。

（2）陸上支墩鋼管樁入土深度計算：取原地面12.2 m標(biāo)高為6#支墩鋼管樁入土深度控制依據(jù)，6#支墩鋼管樁樁頂標(biāo)高18.2 m，入土深度按7 m計算，樁底標(biāo)高為6.2 m，單根鋼管樁長12 m。

Qd=1/2×1.662×[45×2.2+55×2.7+62×2.1]=313.86 kN＞282+1.028×12.007=294.3 kN，滿足要求。

4.5.2 鋼管樁穩(wěn)定性驗(yàn)算

鋼管樁在施工過程中，相鄰兩樁之間采用剪刀撐進(jìn)行連接，能夠有效地確保下部支墩的穩(wěn)定性。由上述計算可知水中支墩單根鋼管樁設(shè)計承載力為最大：N=282 kN，直徑Φ529 mm鋼管柱，壁厚δ=8 mm，則有回轉(zhuǎn)半徑：

i==184.2 mm

（1）桿件長細(xì)比計算：

鋼管樁自由長度：l=18.506?7.53=10.976 m；

鋼管計算長度：l0=2l=2×10.976=21.952 m；

λ=l0/i=21.952/0.184 2=119＜150，滿足要求。

（2）穩(wěn)定性計算：

鋼管樁受最大軸向力為N=282 kN，由λ=119，查軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)表，得φ=0.458。

An==1.3×10?2 m2

σ=47.3 MPa＜[ f ]=215 MPa

滿足要求。

5 結(jié)語

該文以蝶形系桿拱橋?yàn)檠芯繉ο?，采用Midas軟件建立全橋支架模型，分析張福河大橋鋼結(jié)構(gòu)在支架施工中各個工況的受力分析，結(jié)果表明：各支架受力性能滿足要求，同時驗(yàn)證了該橋支架結(jié)構(gòu)體系的合理性，支架在強(qiáng)度、剛度上均能滿足設(shè)計要求，同時在強(qiáng)度上留有安全儲備，為類似項(xiàng)目的施工和設(shè)計提供了參考。

參考文獻(xiàn)

[1]建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范： GB 50009—2012[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2012.

[2]公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范： JTG D63—2007[S]. 北京：人民交通出版社， 2007.

收稿日期：2023-11-21

作者簡介：安蔚（1987—），男，本科，工程師，研究方向：道路橋梁施工。