橋梁主塔下橫梁支架受力分析

賀希英　劉鴿　江曉陽　李福弘　胥雅韌

摘 要：本文以龍?zhí)哆^江通道主橋為工程背景，介紹分析了主塔下橫梁支架結(jié)構(gòu)布置形式、荷載選取及荷載組合形式，并對施工過程中支架剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性進(jìn)行驗算分析，同時利用ANSYS有限元軟件分析了結(jié)構(gòu)局部受力，結(jié)果表明支架各項指標(biāo)可靠，保證主塔施工質(zhì)量并對同類工程施工有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：主塔支架;強(qiáng)度;穩(wěn)定性;局部受力

中圖分類號：U441 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

龍?zhí)哆^江通道位于長江南京段最下游，以橋梁形式跨越長江，該項目是《江蘇省高速公路網(wǎng)規(guī)劃（2017-2035）》“十五射六縱十橫”高速公路網(wǎng)中S47儀征至祿口機(jī)場高速公路過江通道，北岸連接揚州儀征市，南岸連接南京市、鎮(zhèn)江句容市，線路全長7.165 km。龍?zhí)哆^江通道采用公鐵合建、跨江橋跨形式，大橋規(guī)劃建設(shè)四線鐵路，分別是京滬鐵路外繞兩線鐵路和客專聯(lián)絡(luò)線兩線鐵路。龍?zhí)哆^江通道建成后，將實現(xiàn)南京與鹽城間的高速溝通，提升南京首位度 。

1 設(shè)計概況

龍?zhí)哆^江通道主橋主跨為1 560 m的兩塔單跨鋼箱梁懸索橋，其中南塔包含兩個塔柱和上、下橫梁，本文以下橫梁支架為例進(jìn)行分析計算。下橫梁高9.0 m，頂?shù)装搴?.8 m，腹板厚1 m，設(shè)3道壁厚0.8 m的豎向隔板。為結(jié)合景觀效果，在橫梁下緣處設(shè)置了弧形裝飾板，下橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，施工分兩次混凝土進(jìn)行澆筑，裝飾板與第一層混凝土同時澆筑。

（1） 結(jié)構(gòu)布置。下橫梁支架鋼立柱+桁架+牛腿的支撐體系。支架采用18根φ800×10鋼立柱，立柱通過埋件固定在承臺上;鋼立柱之間設(shè)置φ426×6平聯(lián)和2[25a、2[32a斜撐;立柱高度范圍內(nèi)設(shè)置2層φ426×6扶墻與主塔相連;主橫梁采用2HN700×300、3HN700×300、2HM588×300和

HM588×300型鋼;主橫梁上設(shè)置321型貝雷梁與新制桁架;新制桁架位于梁段裝飾塊圓弧段處，一端支撐于2HN700×

300牛腿上，一端支撐于立柱上;貝雷梁位于塔身非圓弧段位置處，中間位置支撐于立柱上，端部支撐于牛腿上;貝雷梁及新制桁架上設(shè)置工25a橫向分配梁。

（2） 設(shè)計難點。1）主塔下橫梁處設(shè)置有2 m厚裝飾塊，且在橫梁兩端呈弧形布置，使得支架設(shè)計較為困難，支架受力不均勻。2）支架結(jié)構(gòu)為落地式支架，支架搭設(shè)時吊裝困難。

2 荷載分析及荷載組合

（1）荷載分析。1）結(jié)構(gòu)自重：由有限元軟件自行計入。2）模板自重：按2.0 kN/m2考慮。3）現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁荷載（G2）。①豎向力。分配梁間距為750mm時，裝飾塊處荷載根據(jù)實際計算施加。計算得：，，。②側(cè)壓力。根據(jù)《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》[1]，新澆筑的混凝土作用于模板的最大側(cè)壓力標(biāo)準(zhǔn)值可按下列公式計算，并取其中的較小值：

根據(jù)規(guī)范查系數(shù)計算得F取122 kN/m2。

4）施工人員及設(shè)備荷載（Q1）：按2.5 kN/m2考慮。5）混凝土傾倒和振搗荷載（Q2）：按2.0 kN/m2考慮。6）風(fēng)荷載（Qw）。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[2]，垂直于建筑物表面上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，計算主要受力結(jié)構(gòu)時，應(yīng)按下列規(guī)定確定：。

（2）荷載組合。按最不利原則，主要考慮以下工況：

工況1（空載工況）：模板安裝完畢、梁體鋼筋安裝前工況，考慮風(fēng)速28.9 m/s作用。工況2（作業(yè)工況）：澆注混凝土工況，考慮風(fēng)速13.8 m/s作用。

各工況荷載組合如表1所示：

3 計算模型及結(jié)果

采用MIDAS有限元分析軟件進(jìn)行建模計算。邊界條件如下：鋼立柱在承臺埋件處固結(jié)，牛腿在主塔埋件處固結(jié)，扶墻在主塔埋件處鉸結(jié)。橫梁與鋼立柱，貝雷梁與橫梁、墊梁，新制桁架與牛腿、橫梁均采用鉸結(jié)。支架主要計算結(jié)果如表2所示：

根據(jù)模型計算結(jié)果可知：鋼立柱φ800×10組合應(yīng)力最大，為180 MPa，小于鋼材組合應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計值215 MPa;主橫梁3HN700×300剪應(yīng)力最大，為94 MPa，小于鋼材剪應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計值125 MPa;以上工況下支架最大順橋向位移為29 mm，小于L/250;支架各構(gòu)件強(qiáng)度和剛度均滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

4 構(gòu)件穩(wěn)定性驗算

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[3]進(jìn)行構(gòu)件的穩(wěn)定性驗算。提取模型計算結(jié)果φ800×10鋼立柱，φ426×6扶墻，新制桁架HM588×300等結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算構(gòu)建穩(wěn)定性系數(shù)均小于1，穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

5 連接計算

（1）鋼立柱埋件。主橋承臺采用C40混凝土。提取模型計算結(jié)果，埋件處反力設(shè)計值為：拉力，剪力，彎矩。

按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010-2010）計算如下：

計算得：

故設(shè)計擬采用18根直徑為32 mm的HRB400錨筋，鋼筋面積As=14 476 mm2，滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010-2010）8.3.1計算錨筋長度。取徑為32 mm的HRB400錨筋取錨固長度1 050 mm，滿足規(guī)范及設(shè)計要求。

（2）鋼立柱埋件錨板。錨板單位面積的壓應(yīng)力計算：

錨板按三邊簡支，計算其單位寬度上的最大彎矩。

按最大彎矩計算錨板厚度，取（t>16 mm

～40 mm）。，故取錨板板厚t=25 mm。

（3）耳板及銷軸。扶墻處耳板厚度為25 mm，加強(qiáng)板厚度為12 mm，材質(zhì)為Q345B，開孔，根據(jù)前面計算，扶墻處最大拉力設(shè)計值。

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017-2017）進(jìn)行吊耳及銷軸計算。

銷軸孔凈截面處的抗拉強(qiáng)度，板端部截面抗拉（劈開）強(qiáng)度，耳板抗剪強(qiáng)度，軸承壓強(qiáng)度，銷軸抗剪、抗彎強(qiáng)度均滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

6 分配梁計算

分配梁采用工25a型鋼，按簡支梁進(jìn)行計算，驗算橫隔板（荷載最大）和靠近主塔（跨徑最大）兩處的分配梁。

（1）橫隔板處。橫隔板處的分配梁計算跨徑;分配梁自重q1=0.381 kN/m;梁段荷載q2=0.175.5 kN/m;模板荷載q3=2.0 kN/m;混凝土傾倒和振搗荷載q4=2.0 kN/m。

最大內(nèi)力值：

，

最大應(yīng)力：

，

由計算結(jié)果可知橫隔板處分配梁滿足要求。

（2）靠近主塔處。靠近主塔處的分配梁計算跨徑。分配梁自重q1=0.381 kN/m;梁段荷載q2=58.0 kN/m;模板荷載q3=2.0 kN/m;混凝土傾倒和振搗荷載q4=2.0 kN/m。

最大內(nèi)力值：，

最大應(yīng)力：，

由計算結(jié)果可知靠近主塔處分配梁滿足要求。

7 局部受力計算

（1）鋼立柱柱腳混凝土局部受壓承載力計算。按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》知配置間接鋼筋的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其局部受壓區(qū)的截面尺寸應(yīng)符合：。

式中，─局部受壓面上作用的局部壓力設(shè)計值，。計算得，計算結(jié)果滿足要求。

（2）鋼立柱柱頂計算。用ANSYS建立鋼立柱柱頂局部模型，柱頂卸荷塊處反力設(shè)計值為3 528 kN，鋼立柱在底部固結(jié)，算分析可知鋼立柱柱頂最大組合應(yīng)力為188 MPa，小于215 ?MPa，滿足使用及規(guī)范要求。

8 結(jié)論

主塔下橫梁支架安裝與塔身施工可同步進(jìn)行，待塔身施工過下橫梁位置后進(jìn)行下橫梁混凝土澆筑，不影響主塔施工進(jìn)度，保證了施工質(zhì)量和工期，因此采用落地支架的形式較為合理。通過對龍?zhí)哆^江通道主塔下橫梁支架計算分析可知，各工況荷載組合下支架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性均滿足規(guī)范及設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。通過計算分析可以優(yōu)化混凝土荷載取值，合理設(shè)計支架結(jié)構(gòu)形式，節(jié)約工程成本，為今后類似工程提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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[2]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017-2017）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2018.

[3]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50010-2010）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2019.

[4]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010-2010）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.