摘"要：文章以龍門(mén)大橋東錨體橫梁為例，針對(duì)東錨體橫梁澆筑方量大、橫梁截面不規(guī)則難以支撐等難題，對(duì)比鋼管落地支架方案和托架方案的特點(diǎn)，確定支架總體方案。通過(guò)錨體橫梁荷載分布確定鋼管布置間距及橫梁兩端牛腿形式，完成支架下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；針對(duì)錨體橫梁多邊形截面形式，設(shè)計(jì)斜面支撐體系，完成支架上部結(jié)構(gòu)支撐設(shè)計(jì)；采用有限元軟件Midas Civil驗(yàn)算錨體橫梁支架的承載力與穩(wěn)定性，保證支架實(shí)施的可行性。

關(guān)鍵詞：錨體橫梁；支架設(shè)計(jì)；有限元計(jì)算

中圖分類(lèi)號(hào)：U443.24A421443

0 引言

錨體橫梁是聯(lián)系左右幅散索鞍、增強(qiáng)錨體整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要結(jié)構(gòu)，起到支撐引橋上構(gòu)箱梁的作用。一般在兩側(cè)散索鞍前錨室側(cè)墻完成后進(jìn)行錨體橫梁的施工，錨體橫梁多采用落地支架作為荷載支撐體系。在目前建成的懸索橋中，錨體橫梁的截面形式均不一致，荷載分布也不盡相同，故本文以龍門(mén)大橋東錨體橫梁為例進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算，以確定支架施工總體方案。

1 龍門(mén)大橋東錨體橫梁概況

龍門(mén)大橋東錨碇錨體從功能、受力、施工等方面可分為錨塊、散索鞍支墩、前錨室、后錨室、橫梁等部分，錨體三維構(gòu)造如圖1所示。橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度為46.2 m，橫截面為薄壁空腔多邊形，水平寬度為11.66 m，豎直高度為10.43 m，壁厚均為1 m，底面及中間腹板處布置有預(yù)應(yīng)力束，錨體橫梁三維構(gòu)造如圖2所示。

2 支架方案確定與荷載計(jì)算

2.1 支架方案確定

對(duì)于較大尺寸的橫梁支架設(shè)計(jì)，主要影響因素有橫梁跨度及截面尺寸、施工作業(yè)高度、附近既有結(jié)構(gòu)物影響［1］。在國(guó)內(nèi)的主塔橫梁及錨體橫梁施工中，橫梁支架的設(shè)計(jì)形式主要有大鋼管落地支架、牛腿托架、牛腿桁架片等。

龍門(mén)大橋東錨體橫梁結(jié)構(gòu)重約2 865 t，分3層進(jìn)行澆筑，但橫梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力在全部混凝土澆筑完成后施工，故橫梁支架需承受錨體橫梁全部的混凝土荷載，支架承載力要求高。

若采用牛腿托架或桁架片的形式，通常將其設(shè)計(jì)得較為龐大，需要更大吊重的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行施工。錨體前錨室為往散索鞍處收攏的異形結(jié)構(gòu)，托架及桁架片需設(shè)計(jì)成適應(yīng)錨體前錨室的結(jié)構(gòu)形狀。此外，錨體前錨室側(cè)墻厚度較?。? m），若僅依靠托架牛腿進(jìn)行支撐，牛腿處的集中力較大，對(duì)混凝土局部承壓不利［2］，會(huì)對(duì)前錨室側(cè)墻結(jié)構(gòu)帶來(lái)不利影響。

綜合以上分析，采用牛腿托架及桁架片的支架形式，存在吊裝設(shè)備要求高、托架設(shè)計(jì)難、混凝土局部承壓不利等弊端，故在龍門(mén)大橋東錨體橫梁采用大鋼管落地支架進(jìn)行施工，在橫梁兩端設(shè)置牛腿進(jìn)行支撐。

2.2 荷載計(jì)算

荷載計(jì)算采用線荷載計(jì)算方式，取錨體橫梁底緣輪廓，以錨體橫梁橫截面厚度變化點(diǎn)為劃分依據(jù)，計(jì)算各變化點(diǎn)的混凝土線荷載大小。以平行錨體橫梁截面方向?yàn)闄M向，以垂直錨體橫梁截面方向?yàn)榭v向。錨體橫梁橫向荷載分布如圖3所示。

3 錨體橫梁支架設(shè)計(jì)

錨體橫梁支架采用大鋼管落地支架，支架分下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)。下部結(jié)構(gòu)主要包括擴(kuò)大基礎(chǔ)或牛腿、鋼管立柱、主橫梁、楔形塊、主縱梁，上部結(jié)構(gòu)主要包括分配梁及外腹板桁架片。

3.1 支架下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

東錨體橫梁截面為不規(guī)則的單向雙室多邊形形狀，橫向荷載分布主要集中在橫梁底板及中腹板區(qū)域，此區(qū)域混凝土厚度為4.5～10.43 m。故主縱梁及鋼管的橫向布置間距需在橫梁底板和中腹板范圍內(nèi)加密。

考慮橫梁截面的構(gòu)造，底板及中腹板區(qū)域的主縱梁布置間距為0.38～1.0 m，如圖4所示。

鋼管支架立柱采用630 mm×10 mm鋼管，橫向布置6排，每排為4根。鑒于橫梁橫向荷載分布，將鋼管立柱橫向間距在橫梁底板、中腹板處進(jìn)行加密，邊腹板位置鋼管橫向間距為2.5 m，底板及中腹板處鋼管橫向間距加密至1.5 m。支架的縱向荷載分布一致，故鋼管縱向采用等間距4.0 m布置。鋼管支架聯(lián)系采用雙拼25a槽鋼進(jìn)行搭設(shè)。

鋼管立柱基礎(chǔ)均落在錨體錨塊第一層混凝土上，采用在錨塊第一層混凝土頂面安裝預(yù)埋鋼板作為鋼管立柱基礎(chǔ)。

在錨體與錨體前錨室相交端頭處，由于錨體為異形結(jié)構(gòu)導(dǎo)致鋼管立柱安裝受限，鋼管立柱無(wú)法施工擴(kuò)大基礎(chǔ)。故在錨體前錨室側(cè)面采用預(yù)埋盒及鋼牛腿設(shè)計(jì)，鋼牛腿采用3塊3 cm厚鋼板焊接組成。

鋼牛腿長(zhǎng)1.2 m，插入前錨室側(cè)墻的預(yù)埋盒內(nèi)，錨固深度取70 cm，驗(yàn)證鋼牛腿處局部承壓截面尺寸是否滿(mǎn)足要求。根據(jù)規(guī)范，配置間接鋼筋的混凝土構(gòu)件，其局部受壓區(qū)的截面尺寸應(yīng)滿(mǎn)足下列要求［3］：

γ0Fld≤1.3ηsβfcdAln（1）

β=AbAl（2）

將相應(yīng)參數(shù)代入式（1）、式（2）進(jìn)行計(jì)算，得1.3ηsβfcdAln=1.3×1.0×1.36×18.4×63 000=2 049.5 kN＞γ0Fld=1.1×712.9=784.2 kN，混凝土局部承壓截面尺寸滿(mǎn)足要求。

在鋼牛腿上安裝主橫梁及主縱梁，在錨體橫梁兩端處的主橫梁緊貼前錨室側(cè)墻進(jìn)行安裝，防止鋼牛腿出現(xiàn)較長(zhǎng)懸臂而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力超限。錨體橫梁支架下部結(jié)構(gòu)平面、立面見(jiàn)圖5、圖6。

3.2 支架上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)橫梁截面的多邊形設(shè)計(jì)，需對(duì)錨體橫梁外腹板斜面支架進(jìn)行設(shè)計(jì)。常規(guī)外腹板斜面多采用盤(pán)扣支架進(jìn)行滿(mǎn)堂支架搭設(shè)，但對(duì)于錨體橫梁施工，盤(pán)扣支架存在如下弊端：

（1）盤(pán)扣支架立桿的承載力有限，而錨體橫梁外腹板截面混凝土高度較大，若采用盤(pán)扣支架，支架立桿的布置間距將會(huì)非常密，不僅浪費(fèi)材料而且不便于施工。

（2）盤(pán)扣支架主要承載豎向荷載，對(duì)于水平荷載的承載能力較差，需要采取較多措施加強(qiáng)盤(pán)扣支架的整體水平剛度。

（3）盤(pán)扣支架頂部頂托進(jìn)行斜面模板安裝較為繁瑣，施工過(guò)程需耗費(fèi)較多的人工成本。

綜合上述因素考慮，在錨體橫梁外腹板斜面采用桁架片作為支撐。

在支架主縱梁上設(shè)置Ⅰ25工字鋼分配梁，間距75 cm。采用在Ⅰ25分配梁上焊接型鋼及鋼管加工成桁架片的形式，桁架片可作為底板及外腹板的支撐［4］。

桁架片底部橫梁為Ⅰ25工字鋼，豎桿及斜杠為219 mm鋼管，頂層橫桿為140 mm鋼管。桁架片間橫向聯(lián)系采用C10槽鋼。桁架片各節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)位于主縱梁上，承載剛度性能更好，桁架片設(shè)計(jì)如圖7所示。桁架片于后場(chǎng)預(yù)制加工，在現(xiàn)場(chǎng)按間距安裝完成后即可進(jìn)行模板系統(tǒng)施工，施工效率大幅提升。

4 錨體橫梁支架驗(yàn)算

4.1 支架有限元分析驗(yàn)算

通過(guò)Midas Civil軟件對(duì)東錨體橫梁支架進(jìn)行建模并分析計(jì)算，計(jì)算模型如圖8所示。模型建立完成后，結(jié)合計(jì)算得到的線荷載與桁架片布置間距，在桁架片對(duì)應(yīng)位置添加混凝土荷載及施工荷載等。

基于結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)原理，對(duì)東錨體橫梁支架進(jìn)行組合驗(yàn)算，如表1所示為支架下部結(jié)構(gòu)（包括630 mm鋼管、主橫梁、主縱梁、鋼管聯(lián)系、牛腿）驗(yàn)算結(jié)果，如表2所示為支架上部結(jié)構(gòu)（包括分配梁、桁架片各構(gòu)件）及整體變形驗(yàn)算結(jié)果。

支架整體最大位移為10.685 mm，澆筑跨度為5 m，根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG T 3650-2020）相應(yīng)變形計(jì)算要求，支架容許最大位移為5 000/400=12.5 mm，容許最大位移大于最大位移。對(duì)比表格中的驗(yàn)算值與容許值，東錨體橫梁支架結(jié)構(gòu)各構(gòu)件正應(yīng)力、剪應(yīng)力及變形值均滿(mǎn)足要求。

4.2 鋼管立柱局部驗(yàn)算

對(duì)支架鋼管進(jìn)行單樁穩(wěn)定性計(jì)算，根據(jù)有限元模型計(jì)算結(jié)果，東錨體橫梁支架最大反力為1 536 kN，故支架鋼管最大軸向力為1 536 kN。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017-2017），支架鋼管回轉(zhuǎn)半徑i=113.2、自由長(zhǎng)度L=1 500 mm、截面面積A=19 478 mm2，計(jì)算得鋼管長(zhǎng)細(xì)比λ=L/i=13.26，所以鋼管的軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)ψ=1.02-0.55×（（λ+20）/100）2=0.959。

故支架鋼管容許壓力：［N］=0.5×ψ×A×［σ］=0.5×0.959×19 478×215 MPa=2 008.37 kN，gt;1 536 kN，滿(mǎn)足局部承壓要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以龍門(mén)大橋東錨碇橫梁支架為例，對(duì)影響橫梁支架設(shè)計(jì)的因素進(jìn)行分析，確定采用大鋼管支架作為東錨碇橫梁支撐系統(tǒng)，并進(jìn)行錨體橫梁荷載分布的計(jì)算。通過(guò)錨體橫梁荷載的分布，進(jìn)行支架下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并驗(yàn)算端部鋼牛腿錨固深度滿(mǎn)足要求。通過(guò)分析盤(pán)扣支架的弊端，采用桁架片形式對(duì)橫梁外腹板進(jìn)行支撐，完成支架上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)Midas Civil軟件進(jìn)行支架建模驗(yàn)算，驗(yàn)證支架各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足要求，并從有限元模型得出鋼管立柱反力進(jìn)行局部承壓計(jì)算，計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足規(guī)范要求。龍門(mén)大橋東錨碇橫梁已采用本文所設(shè)計(jì)支架施工完成，方案安全可行。參考文獻(xiàn)：

參考文獻(xiàn)：

［1］盧新宇，韋苡松.懸索橋主塔上橫梁支架形式對(duì)比分析［J］.西部交通科技，2022，（11）：16-17，68.參考文獻(xiàn)：

［2］劉 鴿，江曉陽(yáng)，彭 鵬，等.龍?zhí)堕L(zhǎng)江大橋南塔上橫梁支架設(shè)計(jì)與施工［J］.施工技術(shù)（中英文），2023，52（18）：90-94.參考文獻(xiàn)：

［3］JT/G 3362-2018，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.參考文獻(xiàn)：

［4］李曉平，談 超，彭云涌，等.組合式支架體系在水上現(xiàn)澆箱梁施工中的應(yīng)用［J］.建筑施工，2016，38（10）：1 404-1 407.20240428