黃竹江大橋拱肋安裝支撐架設(shè)計(jì)分析

關(guān)鍵詞：箱型肋拱；拱肋安裝；支撐架設(shè)計(jì)；有限元分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U448.22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.040

文章編號(hào)：1673-4874（2025）03-0141-03

0 引言

箱型拱橋是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一種拱橋橋型，此類(lèi)橋在施工時(shí)具有剛度大、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，成橋后為箱形截面，其抗彎、抗扭剛度大1]。采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的箱型拱橋一般沒(méi)有設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力體系，故其設(shè)計(jì)跨徑相對(duì)較小，多應(yīng)用于市政橋梁或小跨徑公路橋梁中。對(duì)于箱型拱橋的施工方法，一般分為現(xiàn)澆施工及預(yù)制安裝施工兩種方式，無(wú)論采用何種施工方法，都需要對(duì)拱圈進(jìn)行臨時(shí)支撐。在施工條件相對(duì)較好的情況下，常用支撐架對(duì)拱圈進(jìn)行支撐，此時(shí)需進(jìn)行支撐架受力分析，以滿足施工要求。

支撐架設(shè)計(jì)應(yīng)滿足拱肋節(jié)段安裝順序的要求，保證每個(gè)節(jié)段安裝時(shí)，均有支撐點(diǎn)滿足拱肋節(jié)段就位。此外，支撐架寬度也應(yīng)與拱肋寬度相匹配。

在加工廠成型，依次運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)后吊裝拼接。單幅主拱圈由8片拱肋組成，每片拱肋分成9段預(yù)制吊裝。吊裝順序?yàn)橄鹊跹b內(nèi)側(cè)靠近舊橋的拱圈，雙向同時(shí)合龍，然后由內(nèi)至外逐一吊裝，對(duì)稱均衡施工。

2.2支撐架承受荷載與實(shí)際相符

工程概況

黃竹江大橋位于防城港市國(guó)門(mén)大道，里程為 K11+ 092～K11+233.6_o 大橋跨越黃竹江，同時(shí)連接防城港市和東興市兩地。該工程為現(xiàn)狀舊橋加寬，拓寬后橋面總寬度為53. 78m 新建加寬橋采用與舊橋一致的跨徑布置，為單跨80m鋼筋混凝土箱型肋拱橋。外側(cè)兩幅新建橋梁與舊橋之間的結(jié)構(gòu)完全分離，橋梁拱軸系數(shù) m= 1.756，計(jì)算矢高 f=10.094m ，計(jì)算跨徑 L=80 728m凈矢跨比為 1/8 ，拱頂預(yù)拱度為0. 1m ，拱肋截面為箱型截面，分邊箱和中箱兩種，高度和寬度均為 1.5m ，相鄰拱圈濕接縫為 10cm 。拱肋截面尺寸如圖1所示。

拱肋截面均為等截面設(shè)計(jì)，但節(jié)段內(nèi)還存在橫隔板、橫隔板倒角等結(jié)構(gòu)，如何在建模時(shí)保證拱肋加載大小與現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際工況較吻合，是提高支撐架模擬分析精確度的關(guān)鍵，以保證支撐架的安全性。

2.3支撐架承載力滿足施工要求

支撐架主要承載拱肋構(gòu)件永久荷載、施工荷載、水流荷載及風(fēng)荷載。作為臨時(shí)結(jié)構(gòu)，支撐架的承載能力主要考慮其強(qiáng)度、剛度及管樁承載力均滿足施工要求2，進(jìn)行驗(yàn)算時(shí)需保證各項(xiàng)荷載均正確進(jìn)行加載，以保證支撐架驗(yàn)算的準(zhǔn)確性。

3支撐架設(shè)計(jì)分析

3.1支撐架布置

拱肋支撐架布置時(shí)，為保證每個(gè)節(jié)段安裝均有支撐點(diǎn)，故在預(yù)制節(jié)段接頭兩側(cè)各設(shè)一排鋼管樁，作為拱肋節(jié)段成拱前的臨時(shí)支撐點(diǎn)。單個(gè)拱肋共有8個(gè)接頭，在順橋向設(shè)置16排鋼管樁即可滿足拱肋逐段安裝的要求。

考慮拱肋節(jié)段就位時(shí)需對(duì)支撐架頂部標(biāo)高進(jìn)行調(diào)節(jié)，且拱肋節(jié)段接頭施工時(shí)也需要一定的作業(yè)空間，故接頭前后兩排鋼管樁間距設(shè)計(jì)為3m。

單幅拱肋約重1720t，考慮鋼管支撐架均勻分布其荷載，擬采用 ?530mm×10mm 螺旋鋼管進(jìn)行支撐架搭設(shè)，每根鋼管樁承載荷載 30～40！ ，共需布置48根鋼管樁，均分至16排，每排鋼管樁數(shù)量為3根。

2支撐架設(shè)計(jì)原則

2.1支撐架與安裝過(guò)程協(xié)調(diào)

拱肋安裝施工擬采用鋼管支撐架法施工，拱肋節(jié)段

支撐架總體立面布置如圖2所示。在橋梁立面方向，將16排鋼管樁按接頭編號(hào)分為8組，每組2排鋼管樁，間距為 3m. 。在橋梁橫斷面方向，橋梁寬度為 12.7m 支撐架寬度需考慮橫向限位措施，取13.7m。鋼管樁寬度與內(nèi)外側(cè)2片拱肋形心間距相同，為 11.2m. 考慮拱腳附近鋼管樁受力相對(duì)集中，除靠近拱腳的2組鋼管樁橫向?yàn)榫鶆虿贾?根鋼管樁外，其他6組鋼管樁均為橫向均勻布置3根鋼管樁。

3.2支撐架荷載計(jì)算

采用有限元軟件MidasCivil對(duì)支撐架進(jìn)行驗(yàn)算，在驗(yàn)算時(shí)將拱肋建立為梁?jiǎn)卧市鑼?duì)拱肋梁?jiǎn)卧慕孛鎱?shù)進(jìn)行定義。

采用BIM技術(shù)，通過(guò)Autodeskrevit軟件對(duì)拱肋分節(jié)段進(jìn)行三維建模3，邊箱拱肋節(jié)段一的三維模型如圖3所示。隨后從revit軟件內(nèi)查詢相應(yīng)節(jié)段體積，得出單個(gè)拱肋拱圈混凝土總方量為 V=2×（V1+V2+V3+ V4）+V5=2×（10.964+10.137+7.348+9.262）+ 7. 451 =82 873m³ ，與設(shè)計(jì)圖紙內(nèi)拱圈方量相吻合?；炷寥葜厝?2.6t/m³ ，故單個(gè)拱肋拱圈總重為 215.47t

在MidasCivil軟件內(nèi)對(duì)單個(gè)拱圈進(jìn)行建模，采用“以折代曲\"的方式建立拱肋梁?jiǎn)卧猍4]。拱肋梁?jiǎn)卧孛娌捎玫刃湫徒孛孢M(jìn)行模擬，等效箱型截面高度及寬度與設(shè)計(jì)一致，調(diào)整等效箱型截面底板及肋板厚度，以補(bǔ)充橫隔板重量，使拱肋拱圈重量與設(shè)計(jì)重量一致。單個(gè)拱圈模型在拱腳處采用固定約束，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出拱腳處豎向合力為116. 5×2=233（ 計(jì)算結(jié)果如圖4所示。拱腳處支反力稍大于精確建模重量215.47t，表明可按修改肋板厚度后的等效箱型截面進(jìn)行拱肋拱圈建模，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工況較為相符。

計(jì)算時(shí)需添加至支撐架上的施工荷載、水流荷載及風(fēng)荷載。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009一2012）[5]，施工荷載考慮人群荷載及模板荷載取 3.0kN/m² ，結(jié)合施工所處區(qū)域環(huán)境氣候情況，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值取 wk=1.70× 。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTGD60一2015）計(jì)算水流荷載[%，得出水流最大線性荷載 。

3.3支撐架承載力驗(yàn)算

采用有限元軟件MidasCivil建立拱肋拱圈及支撐架模型，拱肋拱圈采用調(diào)整后等效箱型截面，支撐架采用?530mm×10 mm螺旋鋼管，鋼管樁頂橫梁采用雙拼I45a工字鋼，支撐架橫聯(lián)采用 C20 槽鋼。

支撐架搭設(shè)區(qū)域地質(zhì)覆蓋層依次為填土層、中風(fēng)化砂巖層。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，一般鋼管樁進(jìn)行插打時(shí)能打入中風(fēng)化砂巖1m，不引孔的鋼管樁約束 x，y，z 三個(gè)方向位移，釋放 x，y，z 三個(gè)方向彎矩。為確保支撐架的穩(wěn)定性，對(duì)第3組、第6組部分鋼管樁進(jìn)行引孔，引孔的鋼管樁約束設(shè)置為全約束的一般支承。

拱肋節(jié)段與支撐架樁頂橫梁接觸部分，按釋放側(cè)向平動(dòng)約束和釋放繞 y 方向轉(zhuǎn)動(dòng)約束進(jìn)行模擬。拱肋安裝工況支撐架總體模型如圖5所示。

采用容許應(yīng)力極限狀態(tài)法對(duì)支撐架進(jìn)行驗(yàn)算，拱肋自重、施工荷載、風(fēng)荷載、水流荷載各項(xiàng)荷載組合系數(shù)均為1.0。其驗(yàn)算結(jié)果如表1所示。

從表1計(jì)算結(jié)果可看出，支撐架各構(gòu)件強(qiáng)度及剛度計(jì)算值均小于該工況下的容許值，支撐架強(qiáng)度及剛度滿足設(shè)計(jì)及使用要求。

對(duì)于鋼管樁，還需進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。根據(jù)支撐架整體有限元模型，支撐架在拱肋安裝工況下，最大支反力N=496.3kN ，彎矩""，鋼管樁自由長(zhǎng)度L₀=8 000mm ，回轉(zhuǎn)半徑 i=0.354（d-t）=180.54mm 故 λ=L₀/i=8000/180.34=44.36 根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50017一2017）[7]附表，受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù) φ_×= φy=0.082。

根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)件的穩(wěn)定性計(jì)算分為兩個(gè)方面：（1）彎矩作用平面內(nèi)穩(wěn)定計(jì)算；（2）彎矩作用平面外穩(wěn)定計(jì)算。彎矩作用平面內(nèi)穩(wěn)定性計(jì)算如下：

"57 .25MPa， 表明彎矩作用平面外穩(wěn)定性滿足要求。

3.4鋼管樁單樁承載力計(jì)算

進(jìn)行鋼管樁單樁豎向承載力驗(yàn)算，以驗(yàn)證單樁豎向承載力是否大于拱肋安裝工況下最大豎向支反力。

支撐架搭設(shè)時(shí)，鋼管樁依次穿過(guò)填土覆蓋層、中風(fēng)化砂巖層。結(jié)合工程巖土勘察報(bào)告，第1層為填土，厚5.1m ，樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值 q_ik=40kPa ，承載力基本容許值為 120kPa ；第2層為中風(fēng)化砂巖，厚 16.2m ，樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值 q_ik=250kPa ，承載力基本容許值為 3000kPa

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94一2008）進(jìn)行計(jì)算[8，鋼管樁插打打入中風(fēng)化砂巖層深度取1 m₀"樁端土塞效應(yīng)系數(shù) λp=0 16 h_b/d=0 1 16×1/0 53=0.301 ，鋼管樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值""l_i+λpq_∞A_p=1 496.76kN。單樁豎向承載力特征值Ra=1/K×Quk=1/2×1 496. 76=748.3 KN， gt;N= 496.3kN， 故打入中風(fēng)化砂巖層1m時(shí)的單樁豎向承載力是滿足要求的。

綜上所述，支撐架在拱肋安裝工況下的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性均滿足要求，單樁承載力滿足使用要求。

4結(jié)語(yǔ)

本文依托防城港市國(guó)門(mén)大道控制性工程黃竹江大橋，分析拱肋安裝支撐架的設(shè)計(jì)原則。結(jié)合拱肋分節(jié)段預(yù)制后進(jìn)行安裝的施工工藝，對(duì)支撐架進(jìn)行總體布置。采用Autodeskrevit軟件對(duì)拱肋拱圈進(jìn)行三維建模復(fù)核拱肋重量，通過(guò)在有限元分析軟件Midascivil里采用等效箱型截面模擬拱肋加載，保證了荷載加載的準(zhǔn)確性。對(duì)支撐架進(jìn)行模擬分析，驗(yàn)算其承載力滿足要求。依托項(xiàng)目已按文中支撐架方案實(shí)施完成，拱肋安裝過(guò)程中拱肋及支撐架整體穩(wěn)定性良好。因此，該支撐架方案可為類(lèi)似鋼筋混凝土箱型肋拱橋支架設(shè)計(jì)提供參考。

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