黃竹江大橋拱肋安裝支撐架設計分析

關鍵詞：箱型肋拱；拱肋安裝；支撐架設計；有限元分析

中圖分類號：U448.22 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.040

文章編號：1673-4874（2025）03-0141-03

0 引言

箱型拱橋是20世紀60年代出現的一種拱橋橋型，此類橋在施工時具有剛度大、穩定性好的特點，成橋后為箱形截面，其抗彎、抗扭剛度大1]。采用鋼筋混凝土結構的箱型拱橋一般沒有設計預應力體系，故其設計跨徑相對較小，多應用于市政橋梁或小跨徑公路橋梁中。對于箱型拱橋的施工方法，一般分為現澆施工及預制安裝施工兩種方式，無論采用何種施工方法，都需要對拱圈進行臨時支撐。在施工條件相對較好的情況下，常用支撐架對拱圈進行支撐，此時需進行支撐架受力分析，以滿足施工要求。

支撐架設計應滿足拱肋節段安裝順序的要求，保證每個節段安裝時，均有支撐點滿足拱肋節段就位。此外，支撐架寬度也應與拱肋寬度相匹配。

在加工廠成型，依次運到施工現場后吊裝拼接。單幅主拱圈由8片拱肋組成，每片拱肋分成9段預制吊裝。吊裝順序為先吊裝內側靠近舊橋的拱圈，雙向同時合龍，然后由內至外逐一吊裝，對稱均衡施工。

2.2支撐架承受荷載與實際相符

工程概況

黃竹江大橋位于防城港市國門大道，里程為 K11+ 092～K11+233.6_o 大橋跨越黃竹江，同時連接防城港市和東興市兩地。該工程為現狀舊橋加寬，拓寬后橋面總寬度為53. 78m 新建加寬橋采用與舊橋一致的跨徑布置，為單跨80m鋼筋混凝土箱型肋拱橋。外側兩幅新建橋梁與舊橋之間的結構完全分離，橋梁拱軸系數 m= 1.756，計算矢高 f=10.094m ，計算跨徑 L=80 728m凈矢跨比為 1/8 ，拱頂預拱度為0. 1m ，拱肋截面為箱型截面，分邊箱和中箱兩種，高度和寬度均為 1.5m ，相鄰拱圈濕接縫為 10cm 。拱肋截面尺寸如圖1所示。

拱肋截面均為等截面設計，但節段內還存在橫隔板、橫隔板倒角等結構，如何在建模時保證拱肋加載大小與現場施工實際工況較吻合，是提高支撐架模擬分析精確度的關鍵，以保證支撐架的安全性。

2.3支撐架承載力滿足施工要求

支撐架主要承載拱肋構件永久荷載、施工荷載、水流荷載及風荷載。作為臨時結構，支撐架的承載能力主要考慮其強度、剛度及管樁承載力均滿足施工要求2，進行驗算時需保證各項荷載均正確進行加載，以保證支撐架驗算的準確性。

3支撐架設計分析

3.1支撐架布置

拱肋支撐架布置時，為保證每個節段安裝均有支撐點，故在預制節段接頭兩側各設一排鋼管樁，作為拱肋節段成拱前的臨時支撐點。單個拱肋共有8個接頭，在順橋向設置16排鋼管樁即可滿足拱肋逐段安裝的要求。

考慮拱肋節段就位時需對支撐架頂部標高進行調節，且拱肋節段接頭施工時也需要一定的作業空間，故接頭前后兩排鋼管樁間距設計為3m。

單幅拱肋約重1720t，考慮鋼管支撐架均勻分布其荷載，擬采用 ?530mm×10mm 螺旋鋼管進行支撐架搭設，每根鋼管樁承載荷載 30～40！ ，共需布置48根鋼管樁，均分至16排，每排鋼管樁數量為3根。

2支撐架設計原則

2.1支撐架與安裝過程協調

拱肋安裝施工擬采用鋼管支撐架法施工，拱肋節段

支撐架總體立面布置如圖2所示。在橋梁立面方向，將16排鋼管樁按接頭編號分為8組，每組2排鋼管樁，間距為 3m. 。在橋梁橫斷面方向，橋梁寬度為 12.7m 支撐架寬度需考慮橫向限位措施，取13.7m。鋼管樁寬度與內外側2片拱肋形心間距相同，為 11.2m. 考慮拱腳附近鋼管樁受力相對集中，除靠近拱腳的2組鋼管樁橫向為均勻布置4根鋼管樁外，其他6組鋼管樁均為橫向均勻布置3根鋼管樁。

3.2支撐架荷載計算

采用有限元軟件MidasCivil對支撐架進行驗算，在驗算時將拱肋建立為梁單元，故需對拱肋梁單元的截面參數進行定義。

采用BIM技術，通過Autodeskrevit軟件對拱肋分節段進行三維建模3，邊箱拱肋節段一的三維模型如圖3所示。隨后從revit軟件內查詢相應節段體積，得出單個拱肋拱圈混凝土總方量為 V=2×（V1+V2+V3+ V4）+V5=2×（10.964+10.137+7.348+9.262）+ 7. 451 =82 873m³ ，與設計圖紙內拱圈方量相吻合。混凝土容重取 2.6t/m³ ，故單個拱肋拱圈總重為 215.47t

在MidasCivil軟件內對單個拱圈進行建模，采用“以折代曲\"的方式建立拱肋梁單元[4]。拱肋梁單元截面采用等效箱型截面進行模擬，等效箱型截面高度及寬度與設計一致，調整等效箱型截面底板及肋板厚度，以補充橫隔板重量，使拱肋拱圈重量與設計重量一致。單個拱圈模型在拱腳處采用固定約束，經過計算得出拱腳處豎向合力為116. 5×2=233（ 計算結果如圖4所示。拱腳處支反力稍大于精確建模重量215.47t，表明可按修改肋板厚度后的等效箱型截面進行拱肋拱圈建模，其計算結果與實際工況較為相符。

計算時需添加至支撐架上的施工荷載、水流荷載及風荷載。根據《建筑結構荷載規范》（GB50009一2012）[5]，施工荷載考慮人群荷載及模板荷載取 3.0kN/m² ，結合施工所處區域環境氣候情況，風荷載標準值取 wk=1.70× 。根據《公路橋涵設計通用規范》（JTGD60一2015）計算水流荷載[%，得出水流最大線性荷載 。

3.3支撐架承載力驗算

采用有限元軟件MidasCivil建立拱肋拱圈及支撐架模型，拱肋拱圈采用調整后等效箱型截面，支撐架采用?530mm×10 mm螺旋鋼管，鋼管樁頂橫梁采用雙拼I45a工字鋼，支撐架橫聯采用 C20 槽鋼。

支撐架搭設區域地質覆蓋層依次為填土層、中風化砂巖層。根據施工經驗，一般鋼管樁進行插打時能打入中風化砂巖1m，不引孔的鋼管樁約束 x，y，z 三個方向位移，釋放 x，y，z 三個方向彎矩。為確保支撐架的穩定性，對第3組、第6組部分鋼管樁進行引孔，引孔的鋼管樁約束設置為全約束的一般支承。

拱肋節段與支撐架樁頂橫梁接觸部分，按釋放側向平動約束和釋放繞 y 方向轉動約束進行模擬。拱肋安裝工況支撐架總體模型如圖5所示。

采用容許應力極限狀態法對支撐架進行驗算，拱肋自重、施工荷載、風荷載、水流荷載各項荷載組合系數均為1.0。其驗算結果如表1所示。

從表1計算結果可看出，支撐架各構件強度及剛度計算值均小于該工況下的容許值，支撐架強度及剛度滿足設計及使用要求。

對于鋼管樁，還需進行穩定性驗算。根據支撐架整體有限元模型，支撐架在拱肋安裝工況下，最大支反力N=496.3kN ，彎矩""，鋼管樁自由長度L₀=8 000mm ，回轉半徑 i=0.354（d-t）=180.54mm 故 λ=L₀/i=8000/180.34=44.36 根據《鋼結構設計標準》GB50017一2017）[7]附表，受壓構件穩定系數 φ_×= φy=0.082。

根據設計標準，構件的穩定性計算分為兩個方面：（1）彎矩作用平面內穩定計算；（2）彎矩作用平面外穩定計算。彎矩作用平面內穩定性計算如下：

"57 .25MPa， 表明彎矩作用平面外穩定性滿足要求。

3.4鋼管樁單樁承載力計算

進行鋼管樁單樁豎向承載力驗算，以驗證單樁豎向承載力是否大于拱肋安裝工況下最大豎向支反力。

支撐架搭設時，鋼管樁依次穿過填土覆蓋層、中風化砂巖層。結合工程巖土勘察報告，第1層為填土，厚5.1m ，樁側摩阻力標準值 q_ik=40kPa ，承載力基本容許值為 120kPa ；第2層為中風化砂巖，厚 16.2m ，樁側摩阻力標準值 q_ik=250kPa ，承載力基本容許值為 3000kPa

根據《建筑樁基技術規范》（JGJ94一2008）進行計算[8，鋼管樁插打打入中風化砂巖層深度取1 m₀"樁端土塞效應系數 λp=0 16 h_b/d=0 1 16×1/0 53=0.301 ，鋼管樁單樁豎向極限承載力標準值""l_i+λpq_∞A_p=1 496.76kN。單樁豎向承載力特征值Ra=1/K×Quk=1/2×1 496. 76=748.3 KN， gt;N= 496.3kN， 故打入中風化砂巖層1m時的單樁豎向承載力是滿足要求的。

綜上所述，支撐架在拱肋安裝工況下的強度、剛度及穩定性均滿足要求，單樁承載力滿足使用要求。

4結語

本文依托防城港市國門大道控制性工程黃竹江大橋，分析拱肋安裝支撐架的設計原則。結合拱肋分節段預制后進行安裝的施工工藝，對支撐架進行總體布置。采用Autodeskrevit軟件對拱肋拱圈進行三維建模復核拱肋重量，通過在有限元分析軟件Midascivil里采用等效箱型截面模擬拱肋加載，保證了荷載加載的準確性。對支撐架進行模擬分析，驗算其承載力滿足要求。依托項目已按文中支撐架方案實施完成，拱肋安裝過程中拱肋及支撐架整體穩定性良好。因此，該支撐架方案可為類似鋼筋混凝土箱型肋拱橋支架設計提供參考。

參考文獻

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[6]中交公路規劃設計院有限公司.公路橋涵設計通用規范：JTGD60—2015[S].北京：人民交通出版社，2015：31-32.

[7]中華人民共和國住房和城鄉建設部.鋼結構設計標準：GB50017—2017[S].北京：中國建筑工業出版社，2017：57-78.

[8中國建筑科學研究院.建筑樁基技術規范：JGJ94一2008S.北京：中國建筑工業出版社， 2008;30-42