大跨度下承式鋼管混凝土系桿拱橋支架設計及有限元分析

趙慶賀

(煙臺大學，山東 煙臺 264003)

1 工程簡介

本拱橋設計樁號范圍為DK423+190.560～DK423+321.260，總體布置：跨徑128m，全長 132m。系梁按整體箱形梁布置，采用單箱三室預應力混凝土箱形截面，橋面箱寬19m，梁高2.5m。底板厚度為30cm，頂板厚度30cm，邊腹板厚度為35cm，中腹板厚度為30cm。底板在外側3.0m范圍內上抬0.5m。吊點處設橫梁，橫梁厚度0.4～0.6m。拱腳位置處系梁順橋向8m范圍內設成實體段，橫橋向寬度由19.0m增至20.0m，截面漸變處設倒角或過渡段。

2 支架設計

2.1 設計思路

根據(jù)立體交叉公路通行要求及現(xiàn)場地質條件，經方案比選后，確定系桿拱橋主體采用加強型貝雷梁式支架平臺、鋼管立柱式結構、鋼筋混凝土條形基礎和混凝土鉆孔樁基礎。

2.2 支架設計方案

系桿拱橋主梁支架采用加強型貝雷梁式結構，支架布置方式自上而下為：1.5cm厚竹膠板→8.5cm×8.5cm縱向方木→I12.6工字鋼橫梁→盤扣架→I16工字鋼橫梁→貝雷片(單排單層上下弦桿加強型)→雙拼HN700×300/13/24工字鋼橫擔→鋼管立柱→鋼筋混凝土條形基礎→鉆孔樁基礎?？v向方木間距在中腹板、邊腹板和實心段處滿鋪，其余間距按20cm布置。I12.6工字鋼橫梁間距在橫隔板和拱腳實心段處為60cm，其余均為90cm。盤扣架立桿縱向間距在橫隔板和拱腳實心段處為60cm，其余均為90cm；立桿橫向間距為60cm、90cm、120cm；盤扣架水平桿步距為100cm。I16工字鋼橫梁間距在橫隔板和拱腳實心段處為60cm，其余均為90cm。貝雷片按22.5cm或45cm的間距布置。1#、2#、7#～10#鋼管立柱選用φ609mm鋼管，3#～6#鋼管立柱選用φ800mm鋼管；3#、5#鋼管立柱橫向間距為2.3m，10#鋼管立柱橫向間距為2m和1.5m，其余鋼管立柱橫向間距均為3m；采用16#槽鋼剪刀撐連接，鋼管立柱底在基礎頂預埋1.6cm厚鋼板，基礎內配置鋼筋，施工前進行預壓。3#、5#、6#條形基礎尺寸為3.0m×1.2m，其余條形基礎尺寸為2.5m×1.2m。鉆孔樁直徑為1.25m。

拱肋支架布置方式為：Z6支架上方橫擔采用三拼I36a工字鋼，其余均采用雙拼I36a工字鋼。支架全部采用φ529mm鋼管。拱肋采用分段式安裝，在兩段拱肋拼裝處布置兩排鋼管(4根鋼管)，每組鋼管支架的4根鋼管中，相鄰兩根鋼管橫向間距為2.0m，縱向間距為2.0m或7.5m。在橋面板與底板之間設置粗鋼管傳遞荷載，考慮橋面板與底板共同受力。鋼管立柱在縱向及橫向設置22#槽鋼連接系；鋼管立柱底在基礎頂預埋1.6cm厚鋼板。系桿拱橋支架立面及斷面示意圖分別如圖1和圖2所示。

(a)系桿拱橋主梁支架立面示意圖

(b)拱肋支架立面示意圖圖1 支架立面示意圖

圖2 支架斷面示意圖

3 施工支架檢算

3.1 支架檢算模型

采用Midas Civil建立系桿拱橋現(xiàn)澆支架有限元模型，對現(xiàn)澆支架結構受力情況進行分析。支架有限元模型單元類型采用梁單元，根據(jù)主梁結構特點及實際施工情況，拱橋主梁模型共劃分為139852個節(jié)點、175364個單元；拱肋支架模型共劃分為318個節(jié)點、377個單元。貝雷梁承擔主梁上部結構傳遞的荷載，包括主梁自重、支架、施工人員、堆載荷載。采用Midas/Civil建立I16工字鋼橫梁、貝雷梁組成的空間整體模型，構件均采用梁單元模擬。

I16工字鋼采用Q235鋼材，貝雷梁采用16Mn鋼材。貝雷梁需要在支撐位置采用雙拼10#槽鋼對豎桿進行加強。在兩片貝雷片連接位置釋放梁單元y-y方向旋轉自由度。I16工字鋼橫梁與貝雷梁之間的連接采用彈性連接中的一般連接，取多點支撐的連續(xù)梁體系作為整體的計算圖示，計算全部澆筑完成工況下構件的受力。拱橋主梁支架有限元模型如圖3所示。

圖3 拱橋主梁支架有限元模型

3.2 材料參數(shù)

加強貝雷梁采用16Mn鋼材，其抗拉、抗壓、抗彎強度設計值[σ]=310MPa，抗剪強度設計值[τ]=180MPa；其他鋼材采用Q235鋼材，其抗拉、抗壓、抗彎強度設計值[σ]=215MPa，抗剪強度設計值[τ]=125MPa。

3.3 荷載取值

混凝土容重取為26kN/m3，模板和支架荷載取為1kN/m2，施工人員、堆放荷載取為1kN/m2，傾倒混凝土沖擊荷載取為2kN/m2，振搗混凝土產生的荷載取為2kN/m2。

支架強度荷載組合：1.2×(箱梁自重+模板、支架自重)+1.4×(施工人員、材料及施工機具荷載+傾倒混凝土時產生的荷載+振搗混凝土時產生的沖擊荷載)(kPa)。

支架剛度荷載組合：1.0×(箱梁自重+模板、支架自重)+1.0×(施工人員、材料及施工機具荷載+傾倒混凝土時產生的荷載+振搗混凝土時產生的沖擊荷載)(kPa)

3.4 支架計算結果

3.4.1 支架強度計算

支架強度計算結果如表1所示。

表1 支架最大彎曲應力計算結果(單位：MPa)

3.4.2 支架剛度計算

從有限元分析結果可以看出，拱橋主梁貝雷梁支架最大豎向位移SF1=25.1mm，拱肋支架最大豎向位移SF2=3.9mm。由于SF1

圖4 主梁貝雷梁有限元模型豎向位移

圖5 拱肋支架有限元模型豎向位移

4 結 論

(1)綜合考慮拱橋主梁現(xiàn)澆的不同荷載組合，經有限元軟件分析和計算，加強型貝雷梁式支架滿足規(guī)范的強度、剛度及整體穩(wěn)定性要求。

(2)新建鐵路贛州至深圳鳳凰互通特大橋支架設計，成功地為該工程跨公路現(xiàn)澆梁施工提供了解決方案。