蝶形系桿拱跨河支架設計與分析

摘要 系桿拱橋以其跨越能力大、造型美觀、結構輕便等優勢被廣泛使用在橋梁建設中，文章以張福河大橋蝶形系桿拱支架設計為研究對象，采用有限元軟件Midas建立支架模型，分析系桿支架在各個工況下的受力性能，結果表明：張福河大橋跨河支架在實施過程中支架均滿足受力要求。通過實例重點就系桿拱鋼結構支架設計與分析進行研究，以供業內人士參考和借鑒。

關鍵詞 系桿拱；支架；有限元

中圖分類號 TU755.7文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）02-0129-03

0 引言

隨著橋梁發展越來越傾向于大跨徑、承載力高、造價低、建養費用少的橋梁，系桿拱橋在內河城市運用較多且長盛不衰。獨特的橋型施工有不同的支架形式，合理選用支架形式進行可靠的安全設計不僅關系施工成敗而且直接影響項目的施工成本及進度。該文以少支架法分節段吊裝系桿拱主副鋼結構拱施工案例為背景，研究跨河支架的結構受力情況，通過有限元模型分析結果對支架進行調整和改進。

1 工程概況

主橋采用蝴蝶形系桿拱結構，跨徑105 m，計算跨徑102 m，橋面寬度為12 m，橋梁總寬16 m（含結構構造寬）。主拱圈由鋼箱式截面組成（210×140 cm），拱圈矢高h=20.4 m，矢跨比1/5，主拱外傾角度為10 °，副拱采用90 cm×90 cm箱式斷面進行連接，橫向連接桿采用箱式斷面（45×45 cm），主拱、副拱、橫向連接桿組成蝴蝶造型，同時起到風撐作用，系桿采用220 cm×200 cm的鋼筋混凝土箱形結構，全橋共設19道預應力混凝土橫梁，中橫梁為T形實心截面（帶牛腿），牛腿上放置預制C50空心行車道板。系桿為箱形斷面，系桿頂板、腹板、底板均為30 cm厚，拱腳段系桿與拱腳端橫梁一起澆筑，跨河系桿由中間向兩邊澆筑，兩次澆筑通過1 m濕接頭連接。

2 施工總體思路

張福河大橋上部結構總體采用“先梁后拱”的施工方法，主橋拱腳、端橫梁、系梁，中橫梁采用少支架現澆法施工，總體施工流程如下：①施工主墩，搭設主橋系梁現澆支架，預留通航孔，完善臨時導航措施；②施工拱腳、端橫梁、系桿、4#、9#、14#中橫梁，張拉端橫梁N1、中橫梁N2系梁第一批預應力N1、N2；③搭設主副拱肋支架，完成主副拱安裝、焊接，拆除拱肋支架；④安裝吊桿，完成第一次吊桿張拉；⑤施工剩余中橫梁，張拉中橫梁N2預應力鋼束，張拉第二批系桿預應力鋼束，拆除系梁支架，安裝行車道板、張拉第二批端橫梁、中橫梁預應力鋼束；⑥吊桿第二次張拉，主橋橋面系施工。

3 鋼結構吊裝分段劃分原則

3.1 主副拱分段原則

分段構件的幾何尺寸應滿足工廠制作條件、運輸的允許范圍以及現場場地對構件停靠的要求。構件運輸方式采用陸路+水上運輸的方式，此批貨物陸上運輸最長5.5 m，貨物最寬2 m。分段的吊裝重量不應超出吊機的起重能力，劃分鋼梁應清楚每段鋼梁的重量，估算分段重量，避免分段重量超出起重量范圍的情況，其中主副拱肋采用31 m長度的甲板駁船運輸至橋位處，采用浮吊船整體垂直起吊，其余節段采用陸運方式運輸至橋位處，采用浮吊及汽車吊配合安裝。鋼梁分段焊接接口部分采用Z形接口，接口處以腹板為中心，與頂板、底板各錯開200 mm。

3.2 構件分段重量信息表

根據項目通航要求及現場實際情況，主橋鋼結構共分成4個拱腳、4個主副拱組合體、4個主拱、4個副拱及若干個橫撐，具體分段尺寸如表1所示。

3.3 鋼拱肋支架設計

根據系桿拱橋節段自重及現場地質條件，臨時胎架采取鋼管支架。根據各支承段的受力特點，綜合考慮現場的支承環境，設計支撐尺寸不等，該聯次共1種支架形式，均設置在系桿拼接位置。

3.4 支架構造

支架采用鋼管φ426×8 mm鋼管，橫撐、斜撐沿高度方向約每2 m處設置，橫撐、斜撐16#a槽鋼，頂部承重分配梁采用雙拼40#a工字鋼，調節短柱φ273×8 mm鋼管，支架底部轉接板采用800×800×30 mm鋼板，材質均為Q235B。

3.5 鋼拱肋支架細部構造

支架底部均為接樁受力，底部鋼管樁直徑為529×8 mm，上部支架鋼管為426×8 mm，支架底部配備800×800×30 mm厚鋼板轉換體系。

3.6 最不利工況分析

采用浮吊吊裝施工系桿拱最重53 t，承重構件為主拱L2。安裝頂面高度約31 m，單機吊裝重量約為53 t，采用1臺150 t浮吊吊裝，臂長53 m，作業半徑31.5 m，起重量70 t。70×0.8=56 t＞53 t，滿足作業要求。

4 鋼結構支架驗算

4.1 設計荷載

4.1.1 荷載計算

恒載：鋼箱梁、臨時支架及施工措施自重均按實際重量計。

活載：根據《建筑結構荷載規范》（GB50009—2012），淮安市10年重現期基本風壓ω0=0.25 kN/m2。地面粗糙度為B類，臨時支架總高度約25 m，則風荷載高度系數μz=1.52。各桿件體形系數為μs=1.3。故風荷載標準值ωk=μsμzω0=1.3×1.52×0.25=0.49 kN/m2[1]。

4.1.2 荷載組合

荷載組合1（基本組合）：1.3恒載+1.5活載；

荷載組合2（標準組合）：1.0恒載+1.0活載。

其中，組合1用于構件強度、內力計算，組合2用于結構變形、反力計算和單樁承載力計算。

4.1.3 邊界條件

支架鋼管柱與混凝土基礎采用固定約束，在鋼箱梁分段位置正下方設置支架立柱，立柱與鋼箱梁間采用只受壓彈性簡支約束。

4.1.4 材料特性和強度設計值

臨時支架結構構件采用Q235C，橋體構件采用Q355MD，材料性能和強度設計值如下：彈性模量：E =2.06×105 N/mm2；泊松比：γ= 0.3；密度：7.85×103 kg/m3；線膨脹系數：α=1.2e-5/℃；屈服強度：fy=235 MPa和345 MPa；Q235C材料容許應力[σ]=215 MPa，容許剪應力[τ]=125 MPa；Q355MD材料容許應力[σ]=295 MPa，容許剪應力[τ]=170 MPa。

4.2 施工階段工況計算

4.2.1 安裝步驟和支架編號

根據主橋分段和鋼結構施工步驟，進行模擬建模分析，橋梁的施工過程模擬主要分為5個施工階段，分析在施工安裝過程中支架結構的受力情況。

4.2.2 計算模型

采用專業計算軟件Midas Gen對臨時支架進行建模分析，計算模型見圖1。

4.2.3 工況計算結果

工況1計算結果：臨時支架最大組合應力為σ=50.5 MPa＜[σ]=215 MPa，最大剪應力為τ=1.1 MPa＜[τ]=125 MPa，滿足要求。

臨時支架單樁最大反力17.1 kN。

工況2計算結果：臨時支架最大組合應力為σ=129 MPa＜[σ]=215 MPa，最大剪應力為τ=27 MPa＜[τ]=125 MPa，滿足要求。

臨時支架單樁支架最大支反力79.6 kN。

工況3計算結果：臨時支架最大組合應力為σ=108 MPa＜[σ]=215 MPa，最大剪應力為τ=68 MPa＜[τ]=125 MPa，滿足要求。

臨時支架單樁最大反力276 kN。

工況4計算結果：臨時支架最大組合應力為σ=108 MPa＜[σ]=215 MPa，最大剪應力為τ=68 MPa＜[τ]=125 MPa，滿足要求。

臨時支架單樁支架最大支反力282 kN。

工況5計算結果：臨時支架最大組合應力為σ=109 MPa＜[σ]=215 MPa，最大剪應力為τ=68 MPa＜[τ]=125 MPa，滿足要求。

臨時支架單樁最大支反力287 kN。

綜上所述，施工過程中臨時支架各個工況的應力如表2所示。

計算表明，施工過程中格構柱臨時支架應力最大值出現在第2施工階段，即在拱腳L0安裝完成后，在箱梁加寬段靠近過渡墩支架應力最大，此后最大應力點均在該處，施工過程中臨時支架強度滿足安全要求。

4.3 計算結論

綜合以上計算結果可知，張福河大橋施工過程中臨時支架的強度、剛度和穩定性均滿足要求。

4.4 拱肋吊裝分析

根據張福河大橋分段圖和施工步驟圖，L1和L6分段結構類似，取較重L1分段作為典型分段做吊裝分析；L2和L4分段結構類似，取較重L2分段作為典型分段做吊裝分析。考慮吊裝1.2倍動荷載系數。

4.4.1 拱肋L1吊裝分析

吊裝分段最大組合應力為σ=51 MPa＜[σ]=295 MPa，最大剪應力為τ=12 MPa＜[τ]=170 MPa，滿足要求。

吊裝分段最大變形為22 mm＜L/400=22 000/400=55 mm，滿足要求。

4.4.2 拱肋L2吊裝分析

吊裝分段最大組合應力為σ=14 MPa＜[σ]=295 MPa，最大剪應力為τ=3 MPa＜[τ]=170 MPa，滿足要求。

吊裝分段最大變形為1 mm＜L/400=20 000/400=50 mm，滿足要求。由上述分析可知，吊裝過程中鋼拱肋滿足設計要求。

4.5 鋼管樁驗算

由以上計算可知：工況5臨時支架單樁支架最大支反力282 kN。

另：Φ529 mm，δ=8 mm鋼管樁自重；1.028 kN/m。

4.5.1 鋼管樁入土深度計算

根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG D63—2007）規定，容許承載力計算公式Ra=1/2×U×qik×li+度計算：通航孔處河底標高為7.53 m，河底淤泥以50 cm計，為方便計算，取7 m標高為支墩鋼管樁入土深度控制依據。鋼管樁樁頂標高18.2 m，入土深度按7 m計算，樁底標高為0 m，單根鋼管樁長18.2 m。

Qd=1/2×1.662×[62×2+40×2.8+55×2.2]=316.6 kN＞282+1.028×18.2=300.7 kN，滿足要求。

（2）陸上支墩鋼管樁入土深度計算：取原地面12.2 m標高為6#支墩鋼管樁入土深度控制依據，6#支墩鋼管樁樁頂標高18.2 m，入土深度按7 m計算，樁底標高為6.2 m，單根鋼管樁長12 m。

Qd=1/2×1.662×[45×2.2+55×2.7+62×2.1]=313.86 kN＞282+1.028×12.007=294.3 kN，滿足要求。

4.5.2 鋼管樁穩定性驗算

鋼管樁在施工過程中，相鄰兩樁之間采用剪刀撐進行連接，能夠有效地確保下部支墩的穩定性。由上述計算可知水中支墩單根鋼管樁設計承載力為最大：N=282 kN，直徑Φ529 mm鋼管柱，壁厚δ=8 mm，則有回轉半徑：

i==184.2 mm

（1）桿件長細比計算：

鋼管樁自由長度：l=18.506?7.53=10.976 m；

鋼管計算長度：l0=2l=2×10.976=21.952 m；

λ=l0/i=21.952/0.184 2=119＜150，滿足要求。

（2）穩定性計算：

鋼管樁受最大軸向力為N=282 kN，由λ=119，查軸心受壓構件穩定系數表，得φ=0.458。

An==1.3×10?2 m2

σ=47.3 MPa＜[ f ]=215 MPa

滿足要求。

5 結語

該文以蝶形系桿拱橋為研究對象，采用Midas軟件建立全橋支架模型，分析張福河大橋鋼結構在支架施工中各個工況的受力分析，結果表明：各支架受力性能滿足要求，同時驗證了該橋支架結構體系的合理性，支架在強度、剛度上均能滿足設計要求，同時在強度上留有安全儲備，為類似項目的施工和設計提供了參考。

參考文獻

[1]建筑結構荷載規范： GB 50009—2012[S]. 北京：中國建筑工業出版社， 2012.

[2]公路橋涵地基與基礎設計規范： JTG D63—2007[S]. 北京：人民交通出版社， 2007.

收稿日期：2023-11-21

作者簡介：安蔚（1987—），男，本科，工程師，研究方向：道路橋梁施工。