大跨度懸臂澆筑鋼筋混凝土拱橋0#節(jié)段支架設(shè)計(jì)分析

摘要 文章依托劍河錫繡大橋項(xiàng)目，采用有限元軟件對(duì)兩岸現(xiàn)澆支架進(jìn)行仿真分析驗(yàn)算，其中南寨岸支架沿著縱橋向設(shè)四排支架基礎(chǔ)，展留岸沿縱向設(shè)三排鋼管樁基礎(chǔ)，考慮自重、0#節(jié)段等多種荷載組合，分析現(xiàn)澆支架強(qiáng)度和剛度指標(biāo)。計(jì)算結(jié)果表明：支架布置形式是否合理，決定了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布模式，在設(shè)計(jì)中通過減小懸臂端長(zhǎng)度，可以有效避免局部應(yīng)力過大的情況；兩岸支架中軸應(yīng)力、剪應(yīng)力和彎曲應(yīng)力總體結(jié)果滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，可用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工；兩岸支架最大豎向位移分別為?11.25 mm和?5.98 mm，在實(shí)際設(shè)置節(jié)段預(yù)抬值時(shí)需考慮支架變形產(chǎn)生的影響，做出相應(yīng)調(diào)整。

關(guān)鍵詞 鋼筋混凝土拱橋；現(xiàn)澆支架；強(qiáng)度；剛度

中圖分類號(hào) U445.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2023）13-0078-03

0 引言

大跨徑懸臂澆筑混凝土拱橋主拱圈施工過程中，0#號(hào)節(jié)段作為主拱圈施工的起始節(jié)段常采用支架施工工藝。現(xiàn)澆0#號(hào)節(jié)段的主要特點(diǎn)表現(xiàn)為自重大、節(jié)段長(zhǎng)且空間受力較為復(fù)雜。現(xiàn)澆支架既要承受上部豎向施工荷載以及材料下落時(shí)的沖擊力，又要抵抗風(fēng)荷載等水平荷載作用，因此對(duì)于現(xiàn)澆支架的空間穩(wěn)定性、強(qiáng)度和剛度具有較高要求[1-3]。

基于劍河錫繡大橋現(xiàn)澆0#號(hào)節(jié)段支架，依據(jù)兩岸施工現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行支架設(shè)計(jì)并進(jìn)行驗(yàn)算分析，確保兩岸支架滿足受力安全以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，從而指導(dǎo)后期現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)施。

1 工程概況

錫繡大橋全長(zhǎng)377 m，起點(diǎn)樁號(hào)為K0+369.500，終點(diǎn)樁號(hào)為K0+746.500。橋梁主拱圈為等高度懸鏈線鋼筋混凝土箱型截面，凈跨徑288 m，凈矢高48 m，凈矢跨比1/6，拱軸系數(shù)1.98，主拱圈為單箱雙室截面，箱型截面寬9.5 m、高4.6 m，主拱圈采用掛籃懸臂澆筑工藝進(jìn)行施工。拱腳段采用漸變加寬設(shè)計(jì)，拱腳處最大箱寬13.5 m，主拱圈均采用C60混凝土。主拱圈0#支架現(xiàn)澆段底部頂、底板厚由85 cm漸變至45 cm，邊腹板厚由120 cm漸變至60 cm，中腹板厚度由80 cm漸變至50 cm。

2 現(xiàn)澆支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 展留岸支架設(shè)計(jì)

展留岸0#節(jié)段現(xiàn)澆支架，沿橋縱向設(shè)置4排支架基礎(chǔ)，縱向間距（2+3.7+3.517+4.783）m，第一排采用混凝土基礎(chǔ)梁設(shè)計(jì)，后三排設(shè)置鋼管立柱，每排鋼管立柱橫向設(shè)置3根。鑒于0#節(jié)段為寬度漸變段，為了保證更好地明確支架傳力路徑及受力方式，鋼管樁橫向間距根據(jù)拱圈寬度的變化進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

橫系梁選用2I56a型鋼，其上沿橫橋向布設(shè)8根2I32a型鋼形成三跨連續(xù)縱梁，靠拱座側(cè)通過鋼板做連接板與預(yù)埋型鋼連接，其他通過墊楔形塊直接與系梁焊接。在2I32a型鋼上放置底模分配梁I32a/I22a，沿橋縱向共布置22根，最后在工字鋼上進(jìn)行底模安裝。為適應(yīng)主拱圈弧度的變化，在橫向與縱向型鋼間設(shè)置調(diào)節(jié)塊，以保證底模線形。

2.2 南寨岸支架設(shè)計(jì)

南寨岸0#節(jié)段受限于場(chǎng)地條件，無法布置四排鋼管柱，在有限的拱座前沿設(shè)置鋼管立柱支架，縱向設(shè)置三排鋼管樁，縱向間距為（4+4.5+3.717）m，每排鋼管立柱橫向設(shè)置3根，共設(shè)置9根立柱。

3 有限元模型建立

3.1 計(jì)算參數(shù)擬定

根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況分析，現(xiàn)澆支架主要荷載為混凝土及鋼筋自重，模板荷載，以及施工臨時(shí)荷載等，為了保證荷載的準(zhǔn)確，將拱圈分為倒角、邊腹板、中腹板以及頂、底板區(qū)域進(jìn)行計(jì)算[4-5]。根據(jù)每根分配梁對(duì)應(yīng)的箱梁斷面面積對(duì)斷面進(jìn)行分割，通過cad分別導(dǎo)出每根分配梁對(duì)應(yīng)的面積，包含馬蹄形倒角、腹板位置、腹板馬蹄外的頂?shù)装逦恢萌糠郑峙淞菏茌d寬度為面積對(duì)應(yīng)的箱梁底部長(zhǎng)度方向，相鄰分配梁平均分配，分配梁受載長(zhǎng)度為箱梁寬度方向，計(jì)算所得的荷載乘以0#節(jié)段傾角的余弦值為支架荷載，另一部分荷載由拱座承擔(dān)。

3.2 支架模型建立

依據(jù)展留岸及南寨岸支架設(shè)計(jì)參數(shù)，運(yùn)用Midas軟件建立模型進(jìn)行計(jì)算，支架整體采用梁?jiǎn)卧M，荷載經(jīng)換算后通過線荷載形式施加在分配梁?jiǎn)卧希号c梁之間采用剛性連接，縱梁底部約束平動(dòng)自由度，鋼管柱底為固結(jié)約束，展留岸結(jié)構(gòu)共離散為796個(gè)節(jié)點(diǎn)，759個(gè)單元，南寨岸結(jié)構(gòu)共離散為779個(gè)節(jié)點(diǎn)，761個(gè)單元。

4 支架計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)上述荷載及計(jì)算模型，根據(jù)容許應(yīng)力法進(jìn)行荷載組合，提取結(jié)果，從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度等方面進(jìn)行針對(duì)性分析。

4.1 展留岸支架計(jì)算結(jié)果

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特征以及規(guī)范中要求的指標(biāo)，現(xiàn)提取支架軸應(yīng)力、彎曲應(yīng)力及剪應(yīng)力結(jié)果見圖1～3（展留岸支架應(yīng)力圖/MPa）。由圖中數(shù)據(jù)可以看出，支架軸應(yīng)力最大為?44.68 MPa，出現(xiàn)在第四排鋼管樁位置；彎曲應(yīng)力最大出現(xiàn)在最外側(cè)縱梁與第四排橫梁位置，這是由于縱梁在鋼管樁范圍外留有4.9 m左右的懸挑段，相當(dāng)于豎向荷載作用下的懸臂梁，固結(jié)端結(jié)構(gòu)上緣受到較大的負(fù)彎矩力，在施工過程中需監(jiān)測(cè)此處位置的受力情況。由上述分析可以得出此處剪應(yīng)力也是最不利位置，同時(shí)結(jié)合圖中結(jié)果證實(shí)了這一推斷。

結(jié)合圖4支架變形結(jié)果針對(duì)結(jié)構(gòu)剛度方面進(jìn)行評(píng)判，由圖4可知，從整體來看，結(jié)構(gòu)支架以第三排為變形轉(zhuǎn)折點(diǎn)，越靠近懸臂端變形越大，最大值為11.35 mm，結(jié)構(gòu)剛度滿足要求。同時(shí)，在實(shí)際施工過程中，為了保證節(jié)段澆筑后的線形滿足要求，需要在設(shè)計(jì)預(yù)抬值上考慮支架變形影響，保證節(jié)段整體線性滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[6]。

4.2 南寨岸支架計(jì)算結(jié)果

南寨岸支架由于現(xiàn)場(chǎng)施工條件的限制，無法布置四排鋼管樁，同時(shí)前端懸挑部分長(zhǎng)度較大，因此在設(shè)計(jì)上通過在端部位置設(shè)計(jì)斜撐以及橫梁聯(lián)系作為一部分承力結(jié)構(gòu)。其支架計(jì)算結(jié)果如圖5～7所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：

（1）南寨岸鋼管立柱相較于展留岸，軸應(yīng)力最大位置變?yōu)榈谝慌配摴芪恢茫瑢?duì)應(yīng)最大應(yīng)力增加約27.1%，結(jié)構(gòu)布置形式影響了荷載傳力的分布模式。

（2）南寨岸最大彎曲應(yīng)力出現(xiàn)在第一、二排鋼管樁的縱梁位置，結(jié)合力學(xué)結(jié)構(gòu)模型，可以看出減小懸臂端的長(zhǎng)度，降低了端部縱梁彎矩受力大小，最大彎曲應(yīng)力減小了19.2%。

（3）剪應(yīng)力結(jié)果分布情況與彎曲應(yīng)力分布基本一致，結(jié)構(gòu)效度大小相對(duì)于展留岸支架也得到了一定改善。由此可以看出合理化的傳力構(gòu)件與承力結(jié)構(gòu)布置形式，一定程度上決定了結(jié)構(gòu)的受力特性，提高了使用期間的安全性。

從圖8中的變形來看，兩岸支架最大位移出現(xiàn)位置都處于縱梁端部位置，南寨岸支架變形分布相較于展留岸更加均勻，各跨之間變形沒有較大的突變之處，變形最大處為5.98 mm，絕大多數(shù)變形處于2 mm以下，大大減小了對(duì)于模板標(biāo)高控制的影響。

5 結(jié)論

該文基于現(xiàn)場(chǎng)施工條件，對(duì)兩岸現(xiàn)澆支架設(shè)計(jì)不同布設(shè)方式，并采用有限元軟件建模計(jì)算分析支架的受力安全性以及穩(wěn)定性，計(jì)算結(jié)論如下：

（1）依據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩岸支架軸向應(yīng)力、剪應(yīng)力、彎曲應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)剛度均滿足規(guī)范要求，可用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工。

（2）兩岸支架采取不同的布置形式影響了荷載傳遞方式，展留岸最大軸向應(yīng)力位置發(fā)生在最前沿鋼管樁基礎(chǔ)位置，為?44.68 MPa；南寨岸最大軸應(yīng)力位置發(fā)生在第一排鋼管樁位置，為?56.79 MPa。

（3）南寨岸支架布置形式較展留岸支架相比，豎向最大變形為?5.98 mm，明顯低于南寨岸的?11.25 mm，且南寨豎向變形分布較為均勻，支架大多處變形低于2 mm，因此現(xiàn)澆支架合理布置形式，可大大減小對(duì)模板標(biāo)高控制的要求。

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