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(duì)整體結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。文章以某大跨度懸索橋的下橫梁為研究對(duì)象，首先在Midas Civil建立模型的基礎(chǔ)上，對(duì)下橫梁支架強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性進(jìn)行有限元分析研究，然后提出了針對(duì)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(duì)加固方案進(jìn)行了系統(tǒng)研究。研究結(jié)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(shè)計(jì)提供借鑒參考。

關(guān)鍵詞 大跨度懸索橋；Midas Civil；支架加固；強(qiáng)度；剛度

中圖分類(lèi)號(hào) U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）17-0165-03

0 引言

主塔是斜拉橋和懸索橋的標(biāo)志性結(jié)構(gòu)元素，具有多種形式，如H形、A形、鉆石形等。下橫梁是主塔結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其主要功能包括平衡主塔兩側(cè)的水平力和連接主塔的雙塔肢，以提高主塔結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和美觀的完美結(jié)合，許多專(zhuān)家對(duì)下橫梁的施工進(jìn)行了研究[1-4]。

針對(duì)大體量的下橫梁施工難題，該文以某特大橋?yàn)楣こ瘫尘?，旨在?duì)支架本身的不同部位進(jìn)行加固，通過(guò)使用Midas Civil軟件對(duì)支架進(jìn)行有限元分析，根據(jù)強(qiáng)度和剛度是否符合其要求，以應(yīng)力大小作為優(yōu)化結(jié)果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以確保施工安全。通過(guò)該文的研究，以期為其他同類(lèi)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(kù)，其主橋?yàn)?50 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(cuò)錠均為隧道錨。左岸引橋?yàn)?×19 m的現(xiàn)澆鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，右岸引橋?yàn)?×20 m為現(xiàn)澆鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，橋梁全長(zhǎng)748.06 m。橋址區(qū)山高谷深，溝壑縱橫，為構(gòu)造侵蝕的高山地貌，地形條件復(fù)雜。擬建橋梁跨越某江兩河口岸區(qū)，地勢(shì)起伏大，相對(duì)高差大于200 m。

索塔截面采用箱形截面。索塔設(shè)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(jié)構(gòu)。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(xué)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(jìn)行分析。采用梁?jiǎn)卧獙?duì)牛腿、橫梁、縱向分配梁、支撐架、次分配梁進(jìn)行模擬，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置相應(yīng)的邊界條件，考慮結(jié)構(gòu)自重和施工荷載等因素進(jìn)行計(jì)算分析，通過(guò)后處理觀察、提取結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力、變形，進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性驗(yàn)算。

2.1 有限元模型建立

下橫梁支架采用牛腿支架結(jié)構(gòu)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(shè)橫向支撐方木，橫向木枋間距為250 mm，方木上鋪設(shè)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(gè)架體采用梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)?chuàng)建。牛腿處為固結(jié)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(jié)構(gòu)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(dòng)加載）、混凝土澆筑荷載F2（面積分配法）、施工人員、機(jī)具荷載、模板荷載和振搗荷載F3（取4.5 kN/m2 ），以及風(fēng)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(qiáng)度有限元分析結(jié)果

按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017—2017）第4.4.1條規(guī)定：鋼材的設(shè)計(jì)用強(qiáng)度指標(biāo)，應(yīng)根據(jù)鋼材牌號(hào)、厚度或直徑采用表4所示的設(shè)計(jì)值。

對(duì)整體支架組合應(yīng)力和剪力進(jìn)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(yīng)力如圖4所示，其最值為?531.3 MPa（壓應(yīng)力）位于貝雷架處，其組合應(yīng)力值遠(yuǎn)大于310.00 MPa；整體支架最大剪應(yīng)力如圖5所示，其最值為?162.3 MPa（壓應(yīng)力）位于橫梁處，不滿(mǎn)足剪力小于125 MPa的要求。因此，需對(duì)支架進(jìn)行加固。

3 不同支架加固對(duì)比

3.1 增加橫梁

在處理貝雷架上豎桿應(yīng)力值超過(guò)設(shè)計(jì)要求的問(wèn)題時(shí)，采取在牛腿與貝雷架的連接處引入四個(gè)額外的分配梁，分別位于左右兩側(cè)。這一設(shè)計(jì)的目的是通過(guò)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(yīng)力集中問(wèn)題。

這四個(gè)分配梁的作用是在貝雷架上承擔(dān)一部分豎向受力，從而減輕豎桿的負(fù)擔(dān)。通過(guò)增加受力面積，系統(tǒng)在承受外部壓力時(shí)能夠更均勻地傳遞負(fù)荷，降低了豎桿所承受的局部應(yīng)力。這種優(yōu)化設(shè)計(jì)有助于提高整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性，同時(shí)確保貝雷架在實(shí)際使用中能夠滿(mǎn)足安全和性能要求。

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

3.2 加強(qiáng)腹桿

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

整體支架滿(mǎn)足條件后，對(duì)牛腿、橫梁、貝雷架、分配梁、支撐架進(jìn)行單獨(dú)的組合應(yīng)力及剪力分析，均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4 總結(jié)

該研究以某特大橋下橫梁為研究對(duì)象，對(duì)支架加固優(yōu)化的方法進(jìn)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(qiáng)度為例進(jìn)行了詳細(xì)的分析驗(yàn)算，得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)于貝雷架上豎桿應(yīng)力值超過(guò)設(shè)計(jì)要求的問(wèn)題，在牛腿與貝雷架中增加了四個(gè)分配梁（左右各兩個(gè)）。通過(guò)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(yīng)力。

（2）對(duì)于貝雷架腹桿內(nèi)部應(yīng)力值超過(guò)設(shè)計(jì)要求的問(wèn)題，對(duì)腹桿進(jìn)行增強(qiáng)。腹桿采用工字鋼的同時(shí)，在工字鋼兩側(cè)連接兩塊鋼板，用以增強(qiáng)腹桿剛度。

參考文獻(xiàn)

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