上跨擋土墻橋梁鋼管型鋼支架方案比選研究

摘要：文章以廣西南寧市良慶區金鋼水泥廠1號路與經開區盤嶺路之間跨江橋梁工程上跨擋土墻型鋼支架項目為依托，利用Midas Civil有限元分析軟件進行鋼管型鋼支架架體受力分析，同時采用Midas GTS NX軟件分析支架架體結構對擋土墻結構的影響，并結合結構計算與擋土墻水平位移分析結果，確定了最優方案。

關鍵詞：橋梁工程；鋼管型鋼支架；有限元分析；支架方案比選

0引言

隨著我國市政工程建設項目數量的指數級增長，越來越多的橋梁項目如雨后春筍般遍地開花，其中，現澆橋梁在市政工程中較其他橋型的應用更為普遍。

隨著城市建設的不斷深入，新建市政現澆橋梁需要上跨道路、河流以及既有構造物，采用常規滿堂支架無法滿足跨越要求，因此需要鋼管型鋼支架作為輔助，再在鋼管型鋼支架上方搭設滿堂支架。

張宇等［1］在青島海灣大橋青島端接線工程第12合同段跨河箱梁工程中采用了貝雷梁+鋼管支架跨越河道，上方搭設碗扣支架，隨后再進行沙袋預壓，最終成品達到了理想的要求。

張航等［2］以宜昌市某橋梁為例，提出兩種不同的門式型鋼支架方案，并結合Midas Civil軟件進行了方案比選，得到了各個部件的應力及豎向位移變化的情況，為類似工程設計提供了有利參考。

洪漢江［3］依托深圳市東部沿海高速公路蓮塘至鹽田段現澆橋梁工程，主要針對鋼管型鋼支架H型鋼分配梁接頭進行受力分析研究，為H型鋼接駁提供了可行的方案。

沈委慈［4］針對跨國道小凈空橋梁門洞支架的施工關鍵技術進行了研究，總結出了一套完整的型鋼支架施工工藝，并在項目的實施過程中有效地解決了橋梁下凈空不足的問題，順利地完成了跨路箱梁現澆施工。

大部分研究已經總結出一套完整的型鋼支架施工工藝以及受力分析計算。然而，現有研究大部分基于上跨河道以及既有道路支架，缺乏對上跨擋土墻型鋼支架的分析。此外，既有研究的有限元計算分析大部分基于對鋼管型鋼支架架體結構的分析，忽略了型鋼支架對基礎的影響。

因此，本文以廣西南寧市良慶區金鋼水泥廠1號路與經開區盤嶺路之間跨江橋梁工程上跨擋土墻型鋼支架項目作為依托，在利用Midas Civil軟件進行鋼管型鋼支架架體受力分析的同時，采用Midas GTS NX軟件分析支架架體結構對擋土墻結構的影響，并基于有限元分析結果完成上跨擋土墻鋼管型鋼支架的方案比選。

1 工程概況

廣西南寧良慶區金鋼水泥廠1號路與經開區盤嶺路之間跨江橋梁工程設計起點樁號為K0+0.000，終點樁號為K0+662.161，道路等級為城市次干路，設計車速為30 km/h。跨江橋梁一座，跨越良鳳江，全長270.2 m，斷面寬15～20.9 m，橋梁面積為5 147.1 m2，采用3×37 m+（35+55+35）m+1×25 m預應力混凝土箱梁結構。

位于本項目4#墩處上跨高度14 m的擋土墻建于1996年，根據現場回彈儀的回彈數據顯示，該擋土墻混凝土強度大致為C35，擋墻上方為2010年建造的供水管道。

該擋土墻作為防洪堤，與現有供水管道斜交，供水管道與現有行車道斜交，考慮該施工區域地形復雜，無法搭設滿堂支架，同時由于給水管線與梁底間凈高過低無法設置貝雷梁支架，最終決定采用鋼管型鋼支架。橋梁布置圖如圖1和下頁圖2所示。

2 比選方案

2.1 方案一

方案一設計兩排鋼管型鋼支架平行于給水管道兩側，一排平行于道路走向，上方縱向鋪設型鋼作為施工平臺，間距為60 cm，最上方鋪設I22a分配梁，如圖3、圖4所示。

2.2 方案二

將鋼管型鋼支架全部布置在給水管道內側，可利用既有給水管道樁基的支護作用，在保障安全距離的同時減少對擋墻的土壓力。因此，取消擋土墻外側鋼管支架，保留內側支架，縱梁改為H700×300×24H型鋼。方案二支架布置如圖5、圖6所示。

2.3 方案對比

方案一與方案二均為型鋼支架，但是方案一為三跨連續梁，而方案二為兩跨連續梁。

方案一結構形式為三跨連續梁，單排支架主橫梁受力較為均衡，主橫梁支架承受較小的彎矩，受力條件較方案二更為理想，同時支架可獲得更好的穩定性。但是由于方案一采用三跨連續梁的布置形式，需在擋土墻邊設置一道主橫梁，其距離擋土墻過近，會增大對擋土墻的土壓力。

由于方案二減少了一排支架，導致單跨跨徑進一步增大，縱橋向分配梁由于彎矩增大需要采用更大的型鋼作為分配梁，因此采用了H700型鋼作為縱向分配梁。同時，方案二作為兩跨連續梁，中間主橫梁會出現更大的應力集中，故主橫梁采用2×I45a三拼工字鋼。作為兩跨連續梁，在跨徑增大之后，也會犧牲一定的穩定性。但是，方案二距離擋土墻較遠，雖然兩跨連續梁會造成一定的應力集中，但是對擋土墻的土壓力相對較小。

綜上所述，方案一與方案二各有優點，因此通過計算進行進一步分析對比，最終才可確認最優方案。

3 采用Midas Civil軟件進行兩個方案的架體受力分析與材料統計

3.1 模型的建立

分別對方案一和方案二支架結構進行Midas Civil軟件建模分析，材料均為Q235鋼材，取值采用容許應力法進行計算，即容許最大正應力為145 MPa，最大剪應力為85 MPa。方案一與方案二Midas Civil模型分別如圖7、圖8所示。

3.2 荷載組合

荷載組合采用滿堂支架計算反力加載至橫向分配梁，項目跨線橋第二聯為變截面梁，荷載值如表1所示。加載情況如圖9所示。

3.3 受力分析結果對比

加載后分別運行方案一與方案二模型進行對比計算，結果如表2所示，用鋼量根據模型材料表導出，受力分析結果如表2所示。

由表2可知，兩個方案受力均滿足要求，采用三排支架的方案一受力條件較好，方案二由于跨徑增大，導致支架主橫梁剪應力增加，同時為了滿足跨徑布置要求，相應增大了縱梁，導致用鋼量增大，支架受力工況沒有方案一理想。但是，考慮到支架施工過程中對擋土墻的影響，還需采用Midas GTS NX軟件進行分析，通過擋土墻水平位移分析進一步判定兩個方案對擋土墻結構的影響。

4 采用Midas GTS NX軟件分析兩個方案對擋墻結構的影響

4.1 輸入參數

根據地勘報告與巖土體材料的特性，輸入模型中的材料參數如表3與表4所示。

4.2 荷載組合

荷載組合以Midas Civil軟件模型中的反力為基礎，基礎形式為0.8 m×24 m條形基礎。以壓力荷載的形式加載至Midas GTS NX軟件的實體單元中，建立的模型如下頁圖10～14所示。

4.3 水平位移分析

運行模型分析后，方案一與方案二擋土墻水平位移情況分別如圖15、圖16所示，方案一與方案二擋土墻水平位移對比分析結果如表5所示。

由表5可知，方案一由于在擋土墻邊布置支架，導致擋土墻頂部水平位移增加，方案一墻頂水平位移為方案二的1.5倍，差異＞50%。方案二雖然支架反力較大，但由于已建給水管道在一定程度上起到支護樁的作用，因此墻頂水平位移得到了有效控制。

由于方案一增加了一排支架，給水管道后的反力較小，方案二支架全部布置在已建管道后，支架反力較大，因此造成方案二的擋土墻底部土壓力增大，相應地造成方案二擋土墻底部水平位移大于方案一，兩個方案擋土墻底部水平位移的比值為0.929，差值為7.1%，相比于上述擋土墻頂部水平位移的差異，可判斷兩個方案對擋土墻底部水平位移的影響差異較小。

5 最終施工方案的確定

綜合以上對比結果，兩個方案支架組合應力受力指標較為接近，方案二由于跨徑增大造成剪應力與支反力的增加，并由于少一排支架造成穩定性下降，且由于跨徑增大，需要進一步加大縱梁尺寸以滿足受力要求，造成用鋼量增大。從支架架體本身的穩定性來看，方案一更為理想。

但是，由于該處支架位于擋土墻上方，還需要考慮支架施工對擋土墻的影響，方案一的其中一排支架布置距擋土墻較近，導致擋土墻頂部水平位移較方案二增大明顯，而兩個方案擋土墻底部水平位移差異不大。由于該擋土墻為1996年建成的舊擋土墻，設計資料缺失，無法確認結構是否出現疲勞破壞，考慮到支架對擋土墻的影響，經討論后確定采用方案二。

6 結語

本文以廣西南寧市良慶區金鋼水泥廠1號路與經開區盤嶺路之間跨江橋梁工程的跨江橋梁鋼管型鋼支架方案設計作為依托，針對上跨河堤擋土墻無法布置貝雷梁的支架施工區域設計了兩套方案，并通過Midas Civil軟件與GTS NX軟件進行了分析比選。通過有限元計算了支架架體結構的受力情況與支架施工對河堤擋土墻的影響，確定受力結構穩定且同時對河堤擋土墻影響較小的最優方案。

因此，在未來的工程實踐中，除了重視鋼管型鋼支架本身的受力特性外，還需進一步分析結構對周邊環境的影響。

參考文獻：

［1］張 宇，郝本峰，趙 冬，等.城市高架橋現澆箱梁支撐體系設計及施工［J］.橋梁建設，2012，42（S1）：148-152.

［2］張 航，龔子榮，雷 倩.某現澆橋梁門式型鋼支架方案對比研究［J］.山西建筑，2017，43（26）：147-148.

［3］洪漢江.橋梁現澆箱梁支架中H型鋼的駁接和應用［J］.中國水運（下半月），2012，12（5）：187-189.

［4］沈委慈.跨國道小凈空橋梁門洞支架施工關鍵技術研究［J］.科學技術創新，2021（25）：109-111.

作者簡介：農校東（1975—），工程師，主要從事工程項目現場管理工作。