對高嶺頭水庫特大橋主梁0#塊支架受力性能的研究

董泊寧，馬一躍，屠科彪

（浙江交工集團股份有限公司，浙江 杭州 310000）

預應力混凝土斜拉橋0#塊位于主梁和下塔柱連接處，0#是主梁懸臂澆筑的基礎，通常其混凝土方量大、結構復雜。特別是高塔柱橋梁0#塊離地較高，通常采用非落地式高空支撐懸挑支架，支架搭設和預壓過程復雜，受橫向風力影響大，施工過程存在較大安全隱患。因此，十分有必要對高空0#塊支架受力性能進行系統分析總結。

1 工程概括

高嶺頭水庫特大橋主橋為（140+300+140）m雙塔雙索面、塔墩梁固結體系預應力混凝土斜拉橋。主塔為花瓶型鋼筋混凝土結構，兩個主塔全高分別為203.8m和192.9m。主塔由下塔柱、中塔柱、上塔柱構成，下橫梁0#塊距地面距離超過80m，索塔較高施工難度大。

2 下橫梁支架設計和受力分析

2.1 下橫梁支架設計

主梁0#塊采用支架現澆法施工，因高度較大，支架不采用常見的落地支撐方式，而是采用支撐在主塔塔身上的懸挑支架結構見圖1所示。

圖1 下橫梁懸挑支架結構示意圖（mm）

下橫梁支架采用桁架梁（K梁）+斜支撐的形式，桁架梁采用現有材料，桁架上弦桿上弦桿、下弦桿、拼接板等，弦桿采用鋼板組焊接截面，其板材選用Q420qc；高剪腹桿及端柱采用尺寸140mm×140mm×10mm方管，材質高強鋼DB685；普通腹桿選用尺寸140mm×140mm×8mm方管，材質Q345。桁架上鋪設2HN400×200+2HN600×200分配梁，分配梁上鋪HN400×200型鋼支撐橫梁底模及0#塊盤扣支架。桁架梁（K梁）支承在斜支撐上，斜支撐由3HN600×200型鋼/2HN600×200型鋼支座而成，斜撐側面采用爬錐與索塔相連，爬錐沿索塔間距6.0m，斜撐底部支撐在下塔柱分叉段上，兩斜支撐之間采用同規格水平撐支撐，提高整體承載能力。

2.2 有限元模型建立

采用Midas/Civil2020軟件進行空間結構計算，計算模型中主塔支架構件均采用梁單元模擬，不考慮普通鋼筋參與結構受力，計算模型如圖2。模型中采用梁單元模擬真實的桁架梁重量，采用板單元模擬下橫梁及0#塊底模，底模鋼板與肋梁采用共節點連接以模擬焊接而成的組合鋼模，肋梁與分配梁1、盤扣支架采用一般彈性支撐連接，模擬豎向剛度，減小側向剛度。分配梁1、2、3、4之間采用剛接來模擬剛架效果，斜桿與分配梁4之間為了模擬斜桿底部的交接采用釋放梁端轉角來考慮。為簡化結構計算，斜撐靠在塔壁之上，近似認為斜撐頂為不動點，在支架模型中采用固結點計算。

2.3 荷載工況

0#段塔梁固結段分兩次澆筑，第一次澆筑下橫梁高度方向0～3m（約328方），第二次澆筑下橫梁高度方向3～6m以及兩側0#段π梁（約696方），按照施工流程擬定4個計算工況，見表1所示。

表1 下橫梁支架不同工況下荷載組合

2.4 有限元計算分析

根據MIDAS模擬計算，獲得了0#塊不同施工工況下支架受力特性，支架中的分配梁1、2、3、4，承載梁和K梁的受載情況見表3。根據《鋼結構設計標準》，分配梁1、2、3、4和承重梁的最大壓應力設計標準值為215MPa，最大剪應力設計標準值為125MPa；K梁的最大壓應力和最大剪應力設計標準值分別為492MPa和295MPa。由表3可知，所有梁體的最大壓應力和最大剪應力均滿足設計標準。支架最不利施工工況是工況3，該工況下0#段支架系統承受最大荷載，最不利位置位于分配梁2、3和K梁，最大壓應力為197和467MPa，約達到了設計標準值的92%和95%。承重梁作為0#段荷載與塔柱的連接點（見表2），最大壓應力只承受了設計標準值的70%，說明所設計支架有效分散了荷載。工況3下對應分配梁2、3和K梁最大剪應力為120和66MPa，約達設計標準值的96%和22%，2、3號分配梁作為支架斜撐承受較大剪應力可適當增加截面面積，而K梁主要承擔壓力可適當減小K梁中斜桿截面面積。第二次澆筑混凝土量約是第一次澆筑的兩倍，但除了分配梁4和承重梁最大壓力有明顯增加外，其余梁最大壓應力并未出現明顯增大，說明在第二次澆筑混凝土時第一次澆筑的混凝土已參與整個支架受力。

表2 0#段支架中最大壓應力（最大剪應力）

不同工況下，支架各梁最大撓度見表3所示。分配梁1和K梁在工況三時發生最大撓度分別為44.1和36mm，小于L/400=25500/400=64mm，剛度均滿足規范要求。分配梁1和K梁的最大撓度均隨荷載增加逐漸增加，兩者最大變形主要分布于梁中間部分，整體呈對稱下凹狀。分配梁2、3、4的最大撓度發生在工況二，說明工況三0#塊混凝土全部澆筑完后，抑制了分配梁2、3、4的變形。承重梁在三個工況下發生變形最小，工況時變形最大，最大撓度1.7mm＜L/400=6800/400=17mm剛度滿足要求。

表3 0#段支架系統最大撓度

工況四與工況二相比，增加了第一次澆筑的下橫梁共同承擔，工況二K梁端部豎桿及斜桿應力較大，因此，工況四主要對K梁進行驗算。工況四下K梁最大正應力167.5＜492MPa，最大剪應力為1.09＜295MPa，強度滿足要求；桁架梁最大撓度為11.5mm＜L/400=25500/400=63.75mm，剛度滿足要求。

3 結語

以高嶺頭水庫特大橋為依托，確定了該工程主塔0#塊支架的具體搭設方案。利用Midas軟件，構建了有限元模型，通過計算分析確定了4種不同施工過程荷載對支架的受力影響，以及相對應支架撓度變形。通過本文的研究，確保了該工程支架的安全施工，也為同類工程提供了參考依據。