大跨度懸臂澆筑鋼筋混凝土拱橋0#節段支架設計分析

摘要 文章依托劍河錫繡大橋項目，采用有限元軟件對兩岸現澆支架進行仿真分析驗算，其中南寨岸支架沿著縱橋向設四排支架基礎，展留岸沿縱向設三排鋼管樁基礎，考慮自重、0#節段等多種荷載組合，分析現澆支架強度和剛度指標。計算結果表明：支架布置形式是否合理，決定了結構的應力分布模式，在設計中通過減小懸臂端長度，可以有效避免局部應力過大的情況；兩岸支架中軸應力、剪應力和彎曲應力總體結果滿足設計指標，可用于現場實際施工；兩岸支架最大豎向位移分別為?11.25 mm和?5.98 mm，在實際設置節段預抬值時需考慮支架變形產生的影響，做出相應調整。

關鍵詞 鋼筋混凝土拱橋；現澆支架；強度；剛度

中圖分類號 U445.4 文獻標識碼 A 文章編號 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#號節段作為主拱圈施工的起始節段常采用支架施工工藝?，F澆0#號節段的主要特點表現為自重大、節段長且空間受力較為復雜?，F澆支架既要承受上部豎向施工荷載以及材料下落時的沖擊力，又要抵抗風荷載等水平荷載作用，因此對于現澆支架的空間穩定性、強度和剛度具有較高要求[1-3]。

基于劍河錫繡大橋現澆0#號節段支架，依據兩岸施工現場條件進行支架設計并進行驗算分析，確保兩岸支架滿足受力安全以及結構穩定，從而指導后期現場施工實施。

1 工程概況

錫繡大橋全長377 m，起點樁號為K0+369.500，終點樁號為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行施工。拱腳段采用漸變加寬設計，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 現澆支架結構設計

2.1 展留岸支架設計

展留岸0#節段現澆支架，沿橋縱向設置4排支架基礎，縱向間距（2+3.7+3.517+4.783）m，第一排采用混凝土基礎梁設計，后三排設置鋼管立柱，每排鋼管立柱橫向設置3根。鑒于0#節段為寬度漸變段，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拱圈寬度的變化進行相應調整。

橫系梁選用2I56a型鋼，其上沿橫橋向布設8根2I32a型鋼形成三跨連續縱梁，靠拱座側通過鋼板做連接板與預埋型鋼連接，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，最后在工字鋼上進行底模安裝。為適應主拱圈弧度的變化，在橫向與縱向型鋼間設置調節塊，以保證底模線形。

2.2 南寨岸支架設計

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

3 有限元模型建立

3.1 計算參數擬定

根據實際現場情況分析，現澆支架主要荷載為混凝土及鋼筋自重，模板荷載，以及施工臨時荷載等，為了保證荷載的準確，將拱圈分為倒角、邊腹板、中腹板以及頂、底板區域進行計算[4-5]。根據每根分配梁對應的箱梁斷面面積對斷面進行分割，通過cad分別導出每根分配梁對應的面積，包含馬蹄形倒角、腹板位置、腹板馬蹄外的頂底板位置三部分，分配梁受載寬度為面積對應的箱梁底部長度方向，相鄰分配梁平均分配，分配梁受載長度為箱梁寬度方向，計算所得的荷載乘以0#節段傾角的余弦值為支架荷載，另一部分荷載由拱座承擔。

3.2 支架模型建立

依據展留岸及南寨岸支架設計參數，運用Midas軟件建立模型進行計算，支架整體采用梁單元模擬，荷載經換算后通過線荷載形式施加在分配梁單元上，梁與梁之間采用剛性連接，縱梁底部約束平動自由度，鋼管柱底為固結約束，展留岸結構共離散為796個節點，759個單元，南寨岸結構共離散為779個節點，761個單元。

4 支架計算結果分析

根據上述荷載及計算模型，根據容許應力法進行荷載組合，提取結果，從結構強度、剛度等方面進行針對性分析。

4.1 展留岸支架計算結果

根據結構受力特征以及規范中要求的指標，現提取支架軸應力、彎曲應力及剪應力結果見圖1～3（展留岸支架應力圖/MPa）。由圖中數據可以看出，支架軸應力最大為?44.68 MPa，出現在第四排鋼管樁位置；彎曲應力最大出現在最外側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，相當于豎向荷載作用下的懸臂梁，固結端結構上緣受到較大的負彎矩力，在施工過程中需監測此處位置的受力情況。由上述分析可以得出此處剪應力也是最不利位置，同時結合圖中結果證實了這一推斷。

結合圖4支架變形結果針對結構剛度方面進行評判，由圖4可知，從整體來看，結構支架以第三排為變形轉折點，越靠近懸臂端變形越大，最大值為11.35 mm，結構剛度滿足要求。同時，在實際施工過程中，為了保證節段澆筑后的線形滿足要求，需要在設計預抬值上考慮支架變形影響，保證節段整體線性滿足設計標準[6]。

4.2 南寨岸支架計算結果

南寨岸支架由于現場施工條件的限制，無法布置四排鋼管樁，同時前端懸挑部分長度較大，因此在設計上通過在端部位置設計斜撐以及橫梁聯系作為一部分承力結構。其支架計算結果如圖5～7所示。

根據計算結果可知：

（1）南寨岸鋼管立柱相較于展留岸，軸應力最大位置變為第一排鋼管位置，對應最大應力增加約27.1%，結構布置形式影響了荷載傳力的分布模式。

（2）南寨岸最大彎曲應力出現在第一、二排鋼管樁的縱梁位置，結合力學結構模型，可以看出減小懸臂端的長度，降低了端部縱梁彎矩受力大小，最大彎曲應力減小了19.2%。

（3）剪應力結果分布情況與彎曲應力分布基本一致，結構效度大小相對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件與承力結構布置形式，一定程度上決定了結構的受力特性，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，絕大多數變形處于2 mm以下，大大減小了對于模板標高控制的影響。

5 結論

該文基于現場施工條件，對兩岸現澆支架設計不同布設方式，并采用有限元軟件建模計算分析支架的受力安全性以及穩定性，計算結論如下：

（1）依據仿真計算結果發現，兩岸支架軸向應力、剪應力、彎曲應力以及結構剛度均滿足規范要求，可用于現場實際施工。

（2）兩岸支架采取不同的布置形式影響了荷載傳遞方式，展留岸最大軸向應力位置發生在最前沿鋼管樁基礎位置，為?44.68 MPa；南寨岸最大軸應力位置發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，因此現澆支架合理布置形式，可大大減小對模板標高控制的要求。

參考文獻

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[6]中華人民共和國住房和城鄉建設部. 鋼結構設計規范： GB50017-2017[S]. 北京：中國計劃出版社， 2017.