主塔下横梁支架结构分析

赵 冉 杨峻熙

(中交二航局第二工程有限公司， 重庆 401121）

在大跨度悬索桥和斜拉桥中，横梁作为主塔重要的连接和传力结构，是设计和施工中的重要环节[1]。下横梁结构具有尺寸较大、高度较高的特点，施工中一般分次浇筑，工艺较多，且分次浇筑时混凝土是否开裂，为避免这一施工情况是否需提前张拉预应力，因此面对诸如施工问题如何利用安全经济的支架系统完成下横梁施工是一项重要的技术课题。文中以东江南支流港湾大桥主塔下横梁支架为例，对支架系统及横梁混凝土应力进行了详细的验算分析。

1 工程概况

东江南支流港湾大桥位于广东省东莞市，跨越东江南支流连接沙田镇阇西村与坭洲岛， 为东南- 西北走向。 主桥为自锚式悬索桥， 桥长60+130+320+130+65=705m。主桥桥塔是由塔柱、横梁组成的门式框架结构，上塔柱为普通钢筋混凝土，横梁和下塔柱为预应力混凝土结构。下横梁为C50 预应力空心箱形截面，梁高6m，宽5m，顶底板标准厚度均为0.8m，腹板厚度为1.2m，标准横梁设三道横隔板，横隔板厚度0.8m。下横梁混凝土方量共625m³，总重约1625t。

下横梁与塔肢异步施工，即塔肢施工过下横梁位置后再进行下横梁施工。下横梁施工采用落地支架法，先对预先施工的塔肢进行凿毛处理，之后混凝土分二次进行浇筑，第一次浇筑高3.0m，混凝土方量320m³，第二次浇筑高3.0m，混凝土方量305m³，浇筑完成待强度达到要求后进行预应力施工。

2 设计概况

下横梁支架形式为钢管少支架+牛腿支架的支撑体系[2]，共设置10 根Ф800×10mm 钢管立柱，钢管支承于承台上；钢管立柱间设置Ф426×6mm 钢管支撑。标准断面处支架上部结构从上至下依次为： 10mm 厚钢面板，横向分配梁采用型钢I25，主纵梁选用型钢I56，主横梁选用型钢3I56，卸荷块为3I25。钢立柱横桥向对应横隔板位置布置，间距为5m+7m+7m+5m，顺桥向间距为4m；钢立柱竖向每8m 设置一道Ф426×6mm 平联，顺桥向平联间设置Ф426×6mm 斜撑；分配梁I25间距0.4m；主纵梁I56 标准间距为1m，腹板处加密至0.5m。下横梁倒角处牛腿支架结构从上至下依次为： 10mm 厚钢面板，横向分配梁采用型钢2[20，三角撑上弦为2[20，腹杆为[20，牛腿采用2I40。分配梁2[20 间距0.3m，横梁单侧设置三角撑及牛腿共三组，三角撑竖向高度为1.1m。支架断面图如下：

图1 下横梁支架断面（单位：cm）

3 荷载及荷载组合

结合施工工艺的要求，为确保结构具有较高的安全性，下横梁支架在设计计算时主要考虑以下几种荷载及荷载组合。

1）混凝土容重：26kN/m3；2）钢材容重：78.5kN/m3；3）施工及人群荷载：2.5kN/m2；4）振捣荷载：2.5kN/m2；6）施工风速：20.0m/s（基本风压W0=0.25kN/m2） ，最大风速：V=35.4m/s（基本风压W0=0.78kN/m2）。

工况1：支架搭设完成，考虑最大设计风速35.4m/s，该工况不进行混凝土浇筑。工况2：待第一次混凝土强度达到要求后进行第二次混凝土浇筑，考虑施工风速20m/s。工况2 时第一次混凝土已形成刚度，第二次混凝土的浇筑荷载主要由第一次混凝土传递至塔肢，因此根据经验支架荷载考虑为第一次浇筑的全部重量加上第二次浇筑重量的40%。根据上述情况对支架的计算进行2 种工况组合[4],工况组合如表1。

表1 支架荷载组合情况统计

4 设计计算

利用Midas Civil 计算软件整体建模，采用整体结构加荷载的形式对下横梁支架的强度及稳定性进行计算[3]。模型中钢板为板单元；横向分配梁、主纵梁、主横梁、三角撑分配梁及上弦杆均为梁单元，钢立柱为梁单元，支撑及三角撑腹杆为桁架单元。材料自重及各种荷载的荷载系数均由软件计入，钢管立柱底部、连墙件及牛腿预埋件处均为固结，主横梁与钢管立柱顶面采用刚性连接（铰接），各层梁系之间采用弹性连接（Z 向弹簧刚度较大，X、Y 向弹簧刚度较小）。根据《钢结构设计标准》规定，支架结构采用以概率理论为基础的极限状态设计方法计算[4]。

4.1 强度计算

强度计算中取基本组合计算，即考虑荷载分项系数影响，其中恒载分项系数为1.35，可变荷载分项系数为1.4。经分析工况1 时支架上部结构受力较小可忽略不计，下部结构构件计算结果统计如表1；工况2 时支架受力较不利，其构件计算结果统计如表1。

表1 下横梁支架各构件计算结构统计

表2 下横梁支架各构件计算结构统计

根据上述计算结果可知：分配梁I25 的组合应力最大，其值为161.7MPa，小于钢材的组合强度设计值 215f = MPa；主横梁3I56 的剪应力最大，其值为50.3MPa，小于钢材的抗剪强度设计值 fv= 125 MPa；各受力构件强度均满足规范要求。该工况下支架最大水水平位移为7.5mm，最大竖向位移为16.2mm，均小于L/400 因此刚度满足要求。

4.2 稳定性计算

根据实际施工过程，对支架在两种工况下进行稳定性验算。取恒载为常量，可变荷载为变量，不考虑上部结构对支架的约束作用，对其进行屈曲分析，算得工况1 下支架失稳为局部失稳，临界失稳荷载系数51.1＞4，结构安全可靠[5]；算得工况2 下支架失稳为局部失稳，临界失稳荷载系数18.4＞4，结构安全可靠。

4.3 预埋件计算

支架预埋件锚板厚均为20mm，锚筋为HRB400Φ25。根据《混凝土结构设计规范》9.7 节对预埋件进行受力计算[6]。柱脚预埋件为受压型预埋件，锚筋仅作为构造作用。锚筋锚固长度不小于15d=375mm，实际长度取500mm，设置12 根锚筋。附墙预埋件主要承受拉、弯、剪载荷。法向拉力N=39.4 kN，弯矩M=72.8kN.m，剪力V=45.3kN。锚筋的总截面面积，实际设置8 根锚筋，其作用面积，锚固长度，实际长度取600mm。牛腿预埋件主要承受压、弯、剪载荷。法向压力N=39.8 kN，弯矩M=115.0kN.m，剪力V=201.2kN。锚筋的总截面面积，实际设置12 根锚筋，其作用面积，锚固长度，实际长度取600mm。综上可知，预埋锚筋的数量及锚固长度均满足规范要求。

5 下横梁混凝土受力分析

第一次下横梁混凝土达到设计强度后进行第二次混凝土浇筑，分析该工况下第一次下横梁混凝土的应力是否满足要求。该工况下需考虑支架与塔肢参与受力，采用Midas Civil 建模分析，下横梁及塔肢均设置为梁单元，两者按刚接连接考虑，塔肢底部固结。因支架参与受力，第一次横梁混凝土处于无应力状态，即考虑刚度，不考虑其自重。第二次混凝土的浇筑荷载以线荷载的形式作用在第一次混凝土的梁单元上。横梁应力如下图2、图三3：

图2 第一次横梁混凝土顶部应力（单位：MPa）

图3 第一次横梁混凝土底部应力（单位：MPa）

由上图可知，下横梁第一次混凝土最大拉应力出现在顶部处，最大拉应力为2.1MPa。

因此浇筑第二次混凝土时已浇筑下横梁的应力满足规范要求，不需要进行预应力张力。该工况

下钢管支反力为169.5t,牛腿支反力为50.7t，总反力为220.2t，因此第二次浇筑混凝土时传递至支架的荷载占比第二次浇筑混凝土荷载总量的比例为28%，本支架实际计算时取第二次混凝土荷载的40%考虑，计算结果偏安全，因此可适当优化支架结构。

6 结束语

下横梁支架安装与下塔肢施工可同步进行，待塔肢施工过下横梁位置后进行下横梁混凝土浇筑，不影响主塔施工进度，保证了施工质量和工期，因此采用落地支架的形式较为合理。通过对东江南支流港湾大桥下横梁支架的计算，支架在各工况荷载组合下支架结构的强度、刚度、稳定性及预埋件受力均满足规范要求，分次浇筑时混凝土应力满足规范要求，结构处于安全状态。通过计算分析优化混凝土荷载取值，合理设计支架结构形式，可节约工程成本，可为今后类似工程提供设计参考。