大跨度簡支拱橋支架設計＊

張宏博，崔 健，孫中峯

（中建鐵路投資建設集團有限公司路橋公司，山東 青島 266000）

0 引言

隨著現(xiàn)代路橋工程的快速發(fā)展，大跨度簡支拱橋結構日益增多。簡支拱橋屬于壓彎結構，具有抗壓承載力高、柔韌性較好、動力穩(wěn)定性好、施工簡便、工期較短等優(yōu)點[1]。

大跨度簡支拱橋的拱肋截面往往是空間變截面形狀的鋼管混凝土組合體系[2]，混凝土拱橋結構比較笨重，這些因素均導致簡支拱橋支架體系施工復雜[3]。為保證大跨度簡支拱橋的正常使用壽命，橋梁研究者針對拱橋的設計、施工及材料等方面進行一系列探究。本文結合實際工程，提出144m跨簡支拱橋的設計方案，并運用Midas-civil有限元軟件[4]，建立簡支拱橋計算模型，經(jīng)驗算證明144m簡支拱橋支架體系設計的合理性。

1 工程概況

濰坊至萊西高速鐵路（簡稱濰萊高鐵）東接青榮城際鐵路和榮萊高鐵，西連濟青高鐵，是Ⅲ型板式雙線無砟軌道，設計時速350km/h，是山東省內(nèi)“三橫”快速鐵路網(wǎng)的“中部通道”。

跨海青鐵路特大橋承建起止里程DK57+132.6—DK59＋989.08，橋長2 856.48m。該橋于DK58+128.49處跨榮濰高速公路，線路與高速公路斜交，交角為149.42°，跨越形式采用鋼管混凝土簡支拱結構。

跨海青鐵路特大橋簡支拱，橋梁全長144m，該拱橋為濰萊鐵路全線最大跨徑，為全線控制性工程之一?？鐦s濰高速144m簡支拱的BIM建模效果如圖1所示。

圖1 跨榮濰高速144m簡支拱BIM效果

2 簡支拱及其支架設計方案

2.1 簡支拱設計方案

簡支拱橋中上部結構采用簡支拱，下部基礎均采用鉆孔樁基礎，矩形承臺。簡支拱采用先梁后拱法施工，計算跨度144m，拱肋矢跨比為1∶5，拱肋立面投影矢高28.52m，拱肋采用二次拋物線線形，鋼結構材質(zhì)采用Q345qE鋼材。

拱肋在橫橋向內(nèi)傾8°呈提籃式，采用尼爾森吊桿體系。拱頂處兩拱肋中心距為8.884m，拱肋截面采用空間變截面啞鈴形鋼管混凝土組合體系，截面高度4m，鋼管直徑1.3m，壁厚20mm，兩鋼管之間采用厚20mm的腹板連接，拱管內(nèi)灌注C55補償收縮混凝土。拱肋之間設置1道一字撐和6道K撐，一字撐采用外徑1.5m的圓形鋼管，斜撐采用外徑0.9m的圓形鋼管，橫撐鋼管內(nèi)均不填充混凝土。

系梁梁端為實心矩形截面，寬19.3m，高3.0m，兩端實心段各長8.5m；普通段為單箱三室截面，寬18.5m，高3.0m，長131m；箱梁頂板厚35cm，梁端局部加厚至85cm；底板厚35cm，梁端局部加厚至85cm；橫向四腹板，厚35cm，梁端局部加厚至135cm；吊點處設橫梁，橫梁厚40～60cm。

全橋共32對吊桿，組成尼爾森體系。在吊桿平面內(nèi)，吊桿水平夾角在50.8°～73.1°，橫橋向水平夾角為82°；吊桿間距8m，兩交叉吊桿之間橫向中心距為341mm，吊桿均采用127根直徑為0.7cm的高強低松弛鍍鋅平行鋼絲束，索體采用PES（FD）低應力防腐索體；吊桿張拉端設置于拱肋端，吊桿內(nèi)設置磁通量傳感器以便對施工過程及后期吊桿應力進行長期監(jiān)測。

2.2 簡支拱支架設計方案

144m簡支拱橋系梁施工采用梁柱式支架施工方案，鋼管立柱在高度上不同，其中跨高速公路段支架高度最高為8m，高速公路外側支架高度最高為12.5m。簡支拱支架基礎采用條形基礎，根據(jù)設計與施工要求，全橋范圍內(nèi)共布置14排鋼管立柱，其中1，14號立柱位于327，328號承臺基礎上；在承臺施工時預埋700mm×700mm×16mm鋼板，其余鋼管立柱基礎位于換填級配碎石+C30鋼筋混凝土的條形基礎上。鋼管立柱均采用φ529mm×10mm的螺旋焊管，鋼管頂端用20mm厚的鋼板焊接封口，底部與預埋的定位鋼板焊接牢固。鋼管柱頂端安裝砂筒，便于施工完畢后支架拆除。

主橫梁采用雙拼I56a，緊貼立柱中心線布置；橫梁之上設置縱梁，縱梁采用貝雷梁，橋位處跨榮濰高速公路范圍內(nèi)垂直布置116組貝雷片，在高速公路外側順橋向布設貝雷片，同跨越高速公路處的貝雷片采用異型貝雷片過渡；為增大貝雷梁部橫向剛度，使貝雷梁均勻受力，縱梁之上設置I12分配梁，間距0.6m，長20m。分配梁之上設置10cm×10cm方木。支架材料除貝雷片采用16Mn鋼材外，其余材料均為Q235鋼材。

橫向立柱之間要設置剪刀撐及橫撐，采用∟75×75焊接安裝，剪刀撐高3m，寬距按照立柱間距執(zhí)行，豎向兩支撐間步距2m。

3 支架驗算荷載設計

荷載是支架設計方案的決定性因素，本文支架系統(tǒng)驗算主要考慮以下荷載[5]。

1）系梁混凝土濕重形成的豎向壓力及側向壓力，其容重取26kN/m3，本文計算支架還應考慮拱肋鋼管、拱肋內(nèi)灌注混凝土以及拱肋支架的荷載作用。

2）支架自重，按照實際尺寸建立支架模型，定義相應的材料特性，由軟件自動計算。

3）模板荷載取2.5kN/m2，木方荷載取0.5kN/m2。

4）施工人員及施工設備荷載取1.5kN/m2，本文計算支架考慮了起重機荷載。

5）振搗混凝土時產(chǎn)生的荷載取2.0kN/m2。

6）澆筑混凝土時產(chǎn)生的荷載取2.0kN/m2。

在進行強度、內(nèi)力驗算時，采用基本組合，支架結構自重、系梁混凝土荷載、拱肋、拱肋內(nèi)灌注混凝土、拱肋支架以及模板等恒荷載的分項系數(shù)取1.2，施工活荷載的分項系數(shù)取1.4；在進行剛度驗算時，采用標準組合，分項系數(shù)均取1.0；在進行穩(wěn)定性分析時，根據(jù)TB 10110—2011《鐵路混凝土梁支架法現(xiàn)澆施工技術規(guī)程》的規(guī)定[6]，施工活荷載分項系數(shù)取0.9×1.4。

4 重力計算

4.1 系梁重力計算

本橋系梁在梁兩端拱腳位置處為實心段，在其余部分梁橫截面為單箱三室截面，沿橋縱向每隔8m布設1個橫隔板。在支座中心線處梁高3m，箱梁段梁高沿橫向變化，兩側高度為2.5m，中間高度為3m。模型中采用在分配梁上施加線荷載的方式來施加混凝土濕重荷載。將系梁在順橋向劃分節(jié)段，將每個節(jié)段的混凝土濕重施加到對應的分配梁上，分配梁沿順橋向的間距為0.6m。根據(jù)設計圖，提取梁體各個截面的凈面積進行計算。

4.2 拱肋及其支架自重計算

本橋為尼爾森系桿提籃拱橋[7]，因此除系梁重量外，還要考慮系梁上拱肋鋼管、拱肋內(nèi)灌注混凝土以及拱肋支架的重量對下部支架的影響。拱肋分節(jié)段吊裝，下部搭設支架，支架支撐于系梁之上，每段拱肋的重量均已知，由此計算出拱肋總重量；拱肋截面為啞鈴形截面，根據(jù)每段拱肋的長度，計算出拱肋內(nèi)灌注混凝土的重量；支架為鋼管格構立柱支架，考慮支架內(nèi)每個構件的長度，根據(jù)鋼材容重7.85t/m3計算出支架重量。上述拱肋、拱肋內(nèi)混凝土以及支架重量均通過支架下部支撐點向梁體傳遞。

4.3 起重機荷載計算

本橋在拱肋施工時需要起重機吊裝，因此應考慮起重機荷載。本橋施工起重機為80t汽車式起重機，其重量為68t，4排16輪。

5 支架應力及撓度驗算

5.1 計算模型

采用有限元軟件Midas-civil建立本橋支架的計算模型[8]，鋼管立柱、橫梁、縱梁和分配梁均采用梁單元模擬。模型中用彈性連接和剛性連接模擬各構件之間的真實連接關系，鋼管立柱底部進行固結處理，通過在分配梁上施加線荷載模擬恒荷載與施工活荷載。簡支拱橋計算模型分為12跨，12跨支架關于橋跨中心線對稱。因篇幅所限，本文僅敘述第1跨應力及撓度驗算。第1跨支架模型共劃分為8 834個單元，7 348個節(jié)點。第1跨支架有限元模型如圖2所示，荷載分布如圖3所示。

圖2 第1跨支架有限元模型

圖3 第1跨支架荷載分布

5.2 位移分析

考慮混凝土系梁的濕重以及拱肋、拱肋內(nèi)灌注混凝土、拱肋支架的重量，將這幾個重量統(tǒng)稱為系梁重量。在標準組合作用（1.0×系梁重量+1.0×支架和模板結構自重）下，各主要構件的最大豎向位移或撓度如表1所示，表中鋼管立柱的壓縮值為最大豎向位移值，橫梁、縱梁（貝雷梁）、分配梁的撓度值均為最大位移值減去相應支點位移值。

參考TB 10110—2011《鐵路混凝土梁支架法現(xiàn)澆施工技術規(guī)程》，可知支架受彎構件的彈性撓度，為相應結構計算跨度的1/400，各個構件的撓跨比均小于1/400，符合規(guī)范要求。

表1 第1跨支架系統(tǒng)豎向位移驗算匯總 mm

5.3 應力分析

考慮混凝土系梁濕重及拱肋、拱肋內(nèi)灌注混凝土、拱肋支架重量，在基本組合作用（1.2×支架結構恒荷載+1.4×支架結構施工荷載）下，第1跨支架系統(tǒng)各部位彎曲組合應力和剪切應力驗算匯總如表2，3所示（組合應力是指軸力產(chǎn)生的應力加上彎矩產(chǎn)生的應力）。

表2 第1跨支架系統(tǒng)彎曲組合應力驗算匯總 MPa

表3 第1跨支架系統(tǒng)剪切應力驗算匯總 MPa

各主要構件材質(zhì)除貝雷片（支架縱梁）采用16Mn鋼材外，其余均為Q235鋼材。16Mn鋼材拉、壓及彎曲強度設計值為310MPa（板件厚度小于16mm），抗剪強度設計值為180 MPa。Q235鋼材拉、壓及彎曲強度設計值為215MPa（板件厚度小于16mm），抗剪強度設計值為125MPa。驗算結果如下。

1）鋼管立柱的最大彎曲組合應力為-112.97MPa（壓），最大豎向剪切應力為-3.19MPa，滿足強度要求。

2）橫梁的最大彎曲組合應力為124.64MPa（拉），最大豎向剪切應力為68.78MPa，滿足強度要求。

3）縱梁（貝雷梁）的最大彎曲組合應力為-165.88MPa（壓），最大豎向剪切應力為42.03MPa，滿足強度要求。

4）分配梁的最大彎曲組合應力為-120.50MPa（壓），最大豎向剪切應力為-46.16MPa，滿足強度要求。

5.4 驗算結論

1）鋼管立柱最大撓跨比為1/3 005，小于規(guī)范規(guī)定的1/400；最大彎曲組合應力為-112.97MPa（壓），小于Q235鋼的（拉壓彎曲）強度設計值215MPa；最大剪切應力為-3.19MPa，小于抗剪強度設計值125MPa，以上驗算均滿足規(guī)范要求。

2）對于橫梁，最大撓跨比為1/2 759，小于規(guī)范規(guī)定的1/400；最大彎曲組合應力為124.64MPa（拉），小于Q235鋼的（拉壓彎曲）強度設計值215MPa；最大剪切應力為68.78MPa，小于抗剪強度設計值125MPa，以上驗算均滿足規(guī)范要求。

3）對于縱梁（貝雷梁），最大撓跨比為1/2 679，小于規(guī)范規(guī)定的1/400；最大彎曲組合應力為-165.88MPa（壓），小于16Mn鋼的（拉壓彎曲）強度設計值310MPa；最大剪切應力為42.03MPa，小于抗剪強度設計值180MPa，以上驗算均滿足規(guī)范要求。

4）對于分配梁，最大撓跨比為1/1 810，小于規(guī)范規(guī)定的1/400；最大彎曲組合應力為-120.50MPa（壓），小于Q235鋼的（拉壓彎曲）強度設計值215MPa；最大剪切應力為-46.16 MPa，小于抗剪強度設計值125MPa，以上驗算均滿足規(guī)范要求。

綜上所述，第1跨支架系統(tǒng)滿足強度、剛度要求。其他跨度應力及撓度，經(jīng)過驗算均滿足設計要求。

6 結語

本文結合144m大跨度簡支拱橋的工程概況，綜合考慮拱肋截面是空間變截面形狀的鋼管混凝土組合體系、簡支拱橋支架體系施工復雜困難、混凝土拱橋結構比較笨重等因素，提出了大跨度簡支拱橋及其支架的設計方案。并采用了Midas-civil有限元軟件，建立簡支拱橋支架的計算模型，通過支架應力及撓度驗算，確定了支架系統(tǒng)各部位變形、應力、應變滿足規(guī)范設計強度、剛度的要求，進一步確定大跨度簡支拱橋支架設計的合理性，可為類似工程設計提供參考。