大跨懸索橋橋塔橫梁支架受力性能及加固優(yōu)化分析

摘要 橋塔橫梁支架作為大跨度懸索橋的重要組成部分，其承載能力和穩(wěn)定性對整體結構的安全運行至關重要。文章以某大跨度懸索橋的下橫梁為研究對象，首先在Midas Civil建立模型的基礎上，對下橫梁支架強度、剛度、穩(wěn)定性進行有限元分析研究，然后提出了針對支架不同部位的多種加固方案，涵蓋了橫梁、腹桿等不同位置，最后對加固方案進行了系統(tǒng)研究。研究結果表明，不同部位的加固方案在提高支架穩(wěn)定性和承載能力方面表現(xiàn)出差異性，可為后續(xù)橫梁施工設計提供借鑒參考。

關鍵詞 大跨度懸索橋；Midas Civil；支架加固；強度；剛度

中圖分類號 U445 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）17-0165-03

0 引言

主塔是斜拉橋和懸索橋的標志性結構元素，具有多種形式，如H形、A形、鉆石形等。下橫梁是主塔結構的重要組成部分，其主要功能包括平衡主塔兩側的水平力和連接主塔的雙塔肢，以提高主塔結構的穩(wěn)定性。隨著橋梁跨度的增加，下橫梁的體積也在逐漸增大。此外，為實現(xiàn)橋梁結構的強度和美觀的完美結合，許多專家對下橫梁的施工進行了研究[1-4]。

針對大體量的下橫梁施工難題，該文以某特大橋為工程背景，旨在對支架本身的不同部位進行加固，通過使用Midas Civil軟件對支架進行有限元分析，根據(jù)強度和剛度是否符合其要求，以應力大小作為優(yōu)化結果的評價標準，以確保施工安全。通過該文的研究，以期為其他同類型工程施工方案的制定提供一定的借鑒。

1 工程概況

某特大橋位于跨兩河路水庫，其主橋為650 m雙塔單跨雙邊箱組合梁懸索橋，主纜分跨為120 m+650 m+115 m，兩岸錯錠均為隧道錨。左岸引橋為3×19 m的現(xiàn)澆鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，右岸引橋為2×20 m為現(xiàn)澆鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，橋梁全長748.06 m。橋址區(qū)山高谷深，溝壑縱橫，為構造侵蝕的高山地貌，地形條件復雜。擬建橋梁跨越某江兩河口岸區(qū)，地勢起伏大，相對高差大于200 m。

索塔截面采用箱形截面。索塔設置上下兩道橫梁。索塔由塔座、塔柱、橫梁及塔冠形成鋼筋混凝土的支架結構。下橫梁采用單箱單室矩形截面，高6 m、頂寬5 m、腹板厚0.9 m、頂?shù)装搴?.9 m。支架布置如圖1所示：

圖1 下橫梁現(xiàn)澆支架布置圖

2 下橫梁有限元模型

為研究主塔下橫梁中支架的力學性能，采用Midas Civil有限元分析軟件，建立下橫梁支架模型，按彈性法進行分析。采用梁單元對牛腿、橫梁、縱向分配梁、支撐架、次分配梁進行模擬，根據(jù)實際情況設置相應的邊界條件，考慮結構自重和施工荷載等因素進行計算分析，通過后處理觀察、提取結構構件的應力、變形，進行強度、剛度和穩(wěn)定性驗算。

2.1 有限元模型建立

下橫梁支架采用牛腿支架結構形式，由下至上依次為I45b和I56b牛腿、2HN450×160橫向分配梁、支撐架、貝雷架、I10縱向分配梁?？v向分配梁上鋪設橫向支撐方木，橫向木枋間距為250 mm，方木上鋪設12 mm的竹膠板作為頂板底模。

下橫梁支架中的縱向分配梁、支撐架、牛腿、貝雷梁采用Q235鋼材，貝雷梁花窗部分采用Q345鋼材。各鋼材的材料特性參數(shù)如表1所示：

整個架體采用梁單元創(chuàng)建。牛腿處為固結邊界，所有牛腿處施加DX/DY/DZ方向的位移約束邊界條件，其余結構之間的連接采用彈性連接中的剛接，包括牛腿與橫梁、橫梁與貝雷架、縱向分配梁與支撐架、縱向分配梁與貝雷架、支撐架與方木。下橫梁支架的有限元模型如圖2所示，添加邊界條件后的模型如圖3所示。

2.2 荷載工況定義

作用在下橫梁支架上的荷載分為架體自重荷載F1（程序自動加載）、混凝土澆筑荷載F2（面積分配法）、施工人員、機具荷載、模板荷載和振搗荷載F3（取4.5 kN/m2 ），以及風荷載（取0.827 5 kN/m2 ）。荷載組合取值如表2、表3所示。

2.3 支架強度有限元分析結果

按《鋼結構設計標準》（GB 50017—2017）第4.4.1條規(guī)定：鋼材的設計用強度指標，應根據(jù)鋼材牌號、厚度或直徑采用表4所示的設計值。

對整體支架組合應力和剪力進行有限元分析，在最不利荷載組合作用下，整體支架的最大組合應力如圖4所示，其最值為?531.3 MPa（壓應力）位于貝雷架處，其組合應力值遠大于310.00 MPa；整體支架最大剪應力如圖5所示，其最值為?162.3 MPa（壓應力）位于橫梁處，不滿足剪力小于125 MPa的要求。因此，需對支架進行加固。

3 不同支架加固對比

3.1 增加橫梁

在處理貝雷架上豎桿應力值超過設計要求的問題時，采取在牛腿與貝雷架的連接處引入四個額外的分配梁，分別位于左右兩側。這一設計的目的是通過增加貝雷架與牛腿之間的受力面積，有效地分散并緩解豎桿的應力集中問題。

這四個分配梁的作用是在貝雷架上承擔一部分豎向受力，從而減輕豎桿的負擔。通過增加受力面積，系統(tǒng)在承受外部壓力時能夠更均勻地傳遞負荷，降低了豎桿所承受的局部應力。這種優(yōu)化設計有助于提高整體結構的穩(wěn)定性和耐久性，同時確保貝雷架在實際使用中能夠滿足安全和性能要求。

在牛腿與貝雷架中增加四個分配梁（左右各兩個），其整體支架的最大組合應力如圖6所示，其最值為?330.3 MPa（壓應力）位于貝雷架處，雖然對比原模型的?532.5 MPa降低了37.9%，但其組合應力仍比要求的310 MPa大；整體支架最大剪應力如圖7所示，其最值為?131.7 MPa（壓應力）位于貝雷架處，不滿足剪力小于125 MPa的要求。

3.2 加強腹桿

應力最大值總是出現(xiàn)在貝雷架的腹桿處，可對腹桿進行剛度加強，即在工字鋼兩側連接兩塊鋼板，其整體支架的組合應力如圖8所示，其最值為?262.5 MPa（壓應力）位于貝雷架處，其組合應力小于要求的310 MPa；整體支架的最大剪應力如圖9所示，其最值為?126.1 MPa（壓應力）位于貝雷架處，其組合應力小于要求的180 MPa。

整體支架滿足條件后，對牛腿、橫梁、貝雷架、分配梁、支撐架進行單獨的組合應力及剪力分析，均滿足規(guī)范要求。

4 總結

該研究以某特大橋下橫梁為研究對象，對支架加固優(yōu)化的方法進行分析，采用Midas Civil有限元軟件建立了整體支架的三維有限元模型，以強度為例進行了詳細的分析驗算，得出以下結論：

（1）對于貝雷架上豎桿應力值超過設計要求的問題，在牛腿與貝雷架中增加了四個分配梁（左右各兩個）。通過增大貝雷架與牛腿之間的受力面積，可以減小貝雷架豎桿之間的應力。

（2）對于貝雷架腹桿內部應力值超過設計要求的問題，對腹桿進行增強。腹桿采用工字鋼的同時，在工字鋼兩側連接兩塊鋼板，用以增強腹桿剛度。

參考文獻

[1]沈偉，呂丕根，楊旭.深水海域索塔下橫梁支架設計與施工關鍵技術[J].施工技術，2020（S1）：1132-1134.

[2]李春江.石首長江公路大橋主塔下橫梁施工技術[J].鐵道建筑技術，2019（6）：79-83.

[3]潘博，劉愛林，王令俠.蕪湖長江三橋2號橋塔下橫梁支架設計與施工[J].世界橋梁，2021（6）：34-39.

[4]盛建軍，盧靖宇，嚴春明，等.大跨度懸索橋橋塔橫梁施工優(yōu)化方法研究[J].施工技術（中英文），2023（23）：74-79+108.