大跨度斜拉橋主塔下橫梁支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

摘要 文章依托G4216線宜金高速公路新市金沙江特大橋，根據(jù)主塔下橫梁的特殊性采用“高懸空+落地式+無(wú)立面斜撐”組合式K形支架分兩次澆筑施工，首先通過(guò)理論計(jì)算初步配置支架桿的型號(hào)及對(duì)應(yīng)數(shù)量，然后采用Midas Civil進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證整體支架的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，應(yīng)重點(diǎn)考慮第二次澆筑混凝土荷載由第一次澆筑混凝土與下橫梁支架共同承受，通過(guò)下橫梁支架與第一次澆筑下橫梁的剛度比確定第二次澆筑混凝土的附加力，較常規(guī)整個(gè)下橫梁自重荷載的加載方式能夠獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益，可為類似建設(shè)工程提供施工經(jīng)驗(yàn)及參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞 斜拉橋；主塔下橫梁；懸空托架；Midas Civil仿真計(jì)算

中圖分類號(hào) U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）17-0152-03

0 引言

隨著我國(guó)基建事業(yè)的快速發(fā)展，橋梁跨越大江、峽谷、大河、海灣等地區(qū)已成為常態(tài)，斜拉橋優(yōu)勢(shì)顯著，而主塔作為核心受力構(gòu)件之一，其施工質(zhì)量決定了橋梁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。主塔下橫梁作為行車支撐面，截面尺寸大、承載力高、橫梁與主塔整體性質(zhì)量要求高，混凝土澆筑體量大、自重大，全是高空作業(yè)，施工作業(yè)困難，因此主塔下橫梁施工成為施工的關(guān)鍵之一。傳統(tǒng)主塔下橫梁支架施工采用落地式支架，材料用量大、費(fèi)用較高，增加了施工成本，且經(jīng)濟(jì)性不強(qiáng)。通過(guò)對(duì)下橫梁的結(jié)構(gòu)分析，采用高懸空“K”形支架施工，對(duì)其可行性進(jìn)行研究以及施工總結(jié)，提出了該支架施工的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，確保了主塔下橫梁的順利施工。

1 工程概況

新市金沙江大橋雙塔雙索面鋼桁梁斜拉橋橋跨布置為3×30 m+（340+680+340） m+16×30 m，橋梁全長(zhǎng)1 867 m，主橋長(zhǎng)1 288 m，橋面寬度為25.5 m；寶瓶形主塔采用C50鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，5#主塔高290.16 m，6#主塔高297.51 m（四川省內(nèi)排名第一），下橫梁長(zhǎng)33 m，寬9 m，高8 m，空心結(jié)構(gòu)[1]，全橋及主塔效果如圖1所示：

2 支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主要荷載

（1）C50鋼筋混凝土自重：26.5 kN/m3；

（2）鋼模板自重：2.5 kN/m2；

（3）混凝土振搗荷載：2.0 kN/m2；

（4）設(shè)備及人員荷載：2.5 kN/m2；

（5）風(fēng)荷載：根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3360—01—2018）[2]，按如下公式計(jì)算：

FH=1 2ρU2 gCHH （1）

Ug=GVUd （2）

Ud=KfKtKhU10 （3）

式中，ρ——空氣密度（kg/m3），取為1.25；CH——主梁的橫向力系數(shù)；H——主梁投影高度（m），支架搞按H=118m考慮；Ug——靜陣風(fēng)風(fēng)速（m/s）；GV——靜陣風(fēng)系數(shù)，地表類別為A，取GV=1.28；Ud——高度Z處的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速（m/s）；Kh——風(fēng)速高度變化修正系數(shù)，地表類別為A，取Kh=1.58；Kf——抗風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，U10=3.27m/s>32.6m/s，R1風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，Kf=1.05；Kt——地形條件系數(shù)，取Kt=1.0；U10——基本風(fēng)速（m/s）。

2.2 荷載組合

荷載組合如表1所示：

2.3 貝雷梁排數(shù)及鋼管立柱根數(shù)確定

單層單排（S.S.）貝雷梁的幾何特性及容許內(nèi)力[3]如表2所示：

初步按4跨（5.5 m+2×9 m+5.5 m）剪支梁設(shè)計(jì)，按最不利工況荷載計(jì)算：

（1）C50鋼筋混凝土第一次澆筑荷載：5.5 m×9 m×26.5 kN/m3=1 311.8 kN/m；

（2）鋼模板荷載：5.5m×2×2.5 kN/m2=27.5 kN/m；

（3）混凝土振搗荷載：9 m×2.0 kN/m2=18.0 kN/m；

（4）設(shè)備及人員荷載：9 m×2.5 kN/m2=22.5 kN/m；

（5）C50鋼筋混凝土第二次澆筑按第一次混凝土澆筑荷載的15%考慮（后期建立整體模型后，再根據(jù)剛度比按實(shí)際情況加載）：1 311.8 kN/m×0.15=196.8 kN/m。

（6）邊跨荷載：1.3×（1 311.8+27.5+196.8）+1.5×（18.0+22.5）=2 037.8 kN/m

中跨荷載：1.3×（1 311.8+27.5+196.8）/5.5+1.5×（18.0+22.5）=420.3 kN/m。

按以上荷載加載，如圖2所示，得出最大剪力、彎矩和支座反力分別為6 517.2 kN，5 340.3 kN·m和8 772.8 kN。

貝雷梁排數(shù)：Max{6 517.2/245.2，5 340.3/788.2}=26.6排，取27排。

鋼管立柱根數(shù)：8 772 800 N/29 807 mm2/[215 MPa×（0.5～0.6）]=2.7根，再考慮桿件長(zhǎng)細(xì)比的折減系數(shù)及風(fēng)荷載產(chǎn)生的彎矩，每排取4根。

2.4 支架構(gòu)造

高懸空支架主要由預(yù)埋支撐件和鋼板、下部型鋼或鋼管構(gòu)成的桁架支撐體系、承重梁、卸落裝置、分配梁等組成，兩側(cè)為三角托架式，中間為落地式。下橫梁支架立桿平面布置3根（順橋向）×4根（橫橋向），設(shè)三道附墻水平橫聯(lián)，貝雷梁布置5×20 cm+27.5 cm+2×（45 cm+90 cm）+2×45 cm+2×（90 cm+45 cm）+27.5 cm+5×20 cm。下橫梁支架立面布置如圖3所示，主要材料如表3所示。

3 支架計(jì)算

3.1 荷載計(jì)算

支架鋼結(jié)構(gòu)自重按實(shí)際構(gòu)件重量1.05倍取值。

工作狀態(tài)（6級(jí)風(fēng)）：

Ud=KfKtKhU10=1.05×1.0×1.58×13.8=22.9 m/s

Ug=GVUd=1.28×22.9=29.3 m/s

非工作狀態(tài)（10級(jí)風(fēng)）：

Ud=KfKtKhU10=1.05×1.0×1.58×28.4=47.1 m/s

Ug=GVUd=1.28×47.1=60.3 m/s

貝雷梁迎風(fēng)面積按全斷面考慮，單片貝雷片迎風(fēng)面積為1.2 m2，橫橋向中間按10片貝雷計(jì)，總面積為12 m2；橫橋向兩端各按1片貝雷計(jì)，風(fēng)載阻力系數(shù)CH=1.3，則6級(jí)風(fēng)時(shí)貝雷梁風(fēng)壓FH/H=1 2ρU2 gCHH=1 2×1.25×

29.32×1.3=0.7（kPa）；10級(jí)風(fēng)時(shí)風(fēng)壓FH/H=1 2ρU2 gCHH=

1 2×1.25×60.32×1.3=3.0（kPa），相應(yīng)構(gòu)件所受風(fēng)荷載的計(jì)算結(jié)果如表4所示：

第一次澆筑完成后，張拉下橫梁的鋼絞線，張拉100%設(shè)計(jì)荷載，此時(shí)混凝土最大拉應(yīng)力為1.5 MPa<1.83 MPa[4]，最大壓應(yīng)力為1.3 MPa<22.4 MPa，不會(huì)出現(xiàn)混凝土開(kāi)裂現(xiàn)象，然后澆筑剩余部分的下橫梁，第一次澆筑的支架位移為15.0 mm，第二次澆筑的位移為1.1 mm。

第二次澆筑混凝土荷載由第一次澆筑的下橫梁與下橫梁支架共同承受[5-6]，建立模型進(jìn)行分析得到：下橫梁支架跨中的最大位移為15.0 mm，第二次下橫梁的最大位移為1.1 mm，故在第二次澆筑混凝土?xí)r，下橫梁支架承受二次澆筑的附加荷載為1 689 t×1.1/（1.1+15.0）=115.4 t，按均布面荷載3.9 kN/m2加載于底模系統(tǒng)。

3.2 計(jì)算成果

用Midas Civil 2021建立的模型如圖4所示，分配梁與鋼管間采用鉸接進(jìn)行連接，即上層分配梁不傳遞彎矩至下層分配梁，模型邊界也如圖4所示。

將工況Ⅰ、工況Ⅱ進(jìn)行包絡(luò)計(jì)算，得到貝雷梁的計(jì)算結(jié)果如表5所示，型鋼強(qiáng)度、剛度計(jì)算結(jié)果如表6所示，受壓桿件穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如表7所示。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)計(jì)算，主塔下橫梁采用“高懸空+落地式+無(wú)立面斜撐”的組合式支架體系，承載能力強(qiáng)，支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性均滿足受力要求。預(yù)埋件采用成品加工件，連接質(zhì)量有保障，材料組裝方便，安裝與拆除速度快，周轉(zhuǎn)性強(qiáng)。支架設(shè)計(jì)時(shí)相對(duì)于采用整個(gè)橫梁自重，該文充分考慮第一次已澆筑混凝土張拉后與支架共同承擔(dān)第二次澆筑混凝土的自重，在混凝土不發(fā)生開(kāi)裂情況下大幅度減少了支架材料用量，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

參考文獻(xiàn)

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