桥梁主塔下横梁支架受力分析

贺希英　刘鸽　江晓阳　李福弘　胥雅韧

摘 要：本文以龙潭过江通道主桥为工程背景，介绍分析了主塔下横梁支架结构布置形式、荷载选取及荷载组合形式，并对施工过程中支架刚度、强度、稳定性进行验算分析，同时利用ANSYS有限元软件分析了结构局部受力，结果表明支架各项指标可靠，保证主塔施工质量并对同类工程施工有一定的借鉴意义。

关键词：主塔支架;强度;稳定性;局部受力

中图分类号：U441 文献标识码：A

0 引言

龙潭过江通道位于长江南京段最下游，以桥梁形式跨越长江，该项目是《江苏省高速公路网规划（2017-2035）》“十五射六纵十横”高速公路网中S47仪征至禄口机场高速公路过江通道，北岸连接扬州仪征市，南岸连接南京市、镇江句容市，线路全长7.165 km。龙潭过江通道采用公铁合建、跨江桥跨形式，大桥规划建设四线铁路，分别是京沪铁路外绕两线铁路和客专联络线两线铁路。龙潭过江通道建成后，将实现南京与盐城间的高速沟通，提升南京首位度 。

1 设计概况

龙潭过江通道主桥主跨为1 560 m的两塔单跨钢箱梁悬索桥，其中南塔包含两个塔柱和上、下横梁，本文以下横梁支架为例进行分析计算。下横梁高9.0 m，顶底板厚0.8 m，腹板厚1 m，设3道壁厚0.8 m的竖向隔板。为结合景观效果，在横梁下缘处设置了弧形装饰板，下横梁为预应力混凝土结构，施工分两次混凝土进行浇筑，装饰板与第一层混凝土同时浇筑。

（1） 结构布置。下横梁支架钢立柱+桁架+牛腿的支撑体系。支架采用18根φ800×10钢立柱，立柱通过埋件固定在承台上;钢立柱之间设置φ426×6平联和2[25a、2[32a斜撑;立柱高度范围内设置2层φ426×6扶墙与主塔相连;主横梁采用2HN700×300、3HN700×300、2HM588×300和

HM588×300型钢;主横梁上设置321型贝雷梁与新制桁架;新制桁架位于梁段装饰块圆弧段处，一端支撑于2HN700×

300牛腿上，一端支撑于立柱上;贝雷梁位于塔身非圆弧段位置处，中间位置支撑于立柱上，端部支撑于牛腿上;贝雷梁及新制桁架上设置工25a横向分配梁。

（2） 设计难点。1）主塔下横梁处设置有2 m厚装饰块，且在横梁两端呈弧形布置，使得支架设计较为困难，支架受力不均匀。2）支架结构为落地式支架，支架搭设时吊装困难。

2 荷载分析及荷载组合

（1）荷载分析。1）结构自重：由有限元软件自行计入。2）模板自重：按2.0 kN/m2考虑。3）现浇钢筋混凝土梁荷载（G2）。①竖向力。分配梁间距为750mm时，装饰块处荷载根据实际计算施加。计算得：，，。②侧压力。根据《建筑施工模板安全技术规范》[1]，新浇筑的混凝土作用于模板的最大侧压力标准值可按下列公式计算，并取其中的较小值：

根据规范查系数计算得F取122 kN/m2。

4）施工人员及设备荷载（Q1）：按2.5 kN/m2考虑。5）混凝土倾倒和振捣荷载（Q2）：按2.0 kN/m2考虑。6）风荷载（Qw）。根据《建筑结构荷载规范》[2]，垂直于建筑物表面上的风荷载标准值，计算主要受力结构时，应按下列规定确定：。

（2）荷載组合。按最不利原则，主要考虑以下工况：

工况1（空载工况）：模板安装完毕、梁体钢筋安装前工况，考虑风速28.9 m/s作用。工况2（作业工况）：浇注混凝土工况，考虑风速13.8 m/s作用。

各工况荷载组合如表1所示：

3 计算模型及结果

采用MIDAS有限元分析软件进行建模计算。边界条件如下：钢立柱在承台埋件处固结，牛腿在主塔埋件处固结，扶墙在主塔埋件处铰结。横梁与钢立柱，贝雷梁与横梁、垫梁，新制桁架与牛腿、横梁均采用铰结。支架主要计算结果如表2所示：

根据模型计算结果可知：钢立柱φ800×10组合应力最大，为180 MPa，小于钢材组合应力强度设计值215 MPa;主横梁3HN700×300剪应力最大，为94 MPa，小于钢材剪应力强度设计值125 MPa;以上工况下支架最大顺桥向位移为29 mm，小于L/250;支架各构件强度和刚度均满足设计及规范要求。

4 构件稳定性验算

根据《钢结构设计标准》[3]进行构件的稳定性验算。提取模型计算结果φ800×10钢立柱，φ426×6扶墙，新制桁架HM588×300等结构内力计算构建稳定性系数均小于1，稳定性满足规范要求。

5 连接计算

（1）钢立柱埋件。主桥承台采用C40混凝土。提取模型计算结果，埋件处反力设计值为：拉力，剪力，弯矩。

按《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）计算如下：

计算得：

故设计拟采用18根直径为32 mm的HRB400锚筋，钢筋面积As=14 476 mm2，满足设计及规范要求。

按《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）8.3.1计算锚筋长度。取径为32 mm的HRB400锚筋取锚固长度1 050 mm，满足规范及设计要求。

（2）钢立柱埋件锚板。锚板单位面积的压应力计算：

锚板按三边简支，计算其单位宽度上的最大弯矩。

按最大弯矩计算锚板厚度，取（t>16 mm

～40 mm）。，故取锚板板厚t=25 mm。

（3）耳板及销轴。扶墙处耳板厚度为25 mm，加强板厚度为12 mm，材质为Q345B，开孔，根据前面计算，扶墙处最大拉力设计值。

根据《钢结构设计标准》（GB50017-2017）进行吊耳及销轴计算。

销轴孔净截面处的抗拉强度，板端部截面抗拉（劈开）强度，耳板抗剪强度，轴承压强度，销轴抗剪、抗弯强度均满足设计及规范要求。

6 分配梁计算

分配梁采用工25a型钢，按简支梁进行计算，验算横隔板（荷载最大）和靠近主塔（跨径最大）两处的分配梁。

（1）横隔板处。横隔板处的分配梁计算跨径;分配梁自重q1=0.381 kN/m;梁段荷载q2=0.175.5 kN/m;模板荷载q3=2.0 kN/m;混凝土倾倒和振捣荷载q4=2.0 kN/m。

最大内力值：

，

最大应力：

，

由计算结果可知横隔板处分配梁满足要求。

（2）靠近主塔处。靠近主塔处的分配梁计算跨径。分配梁自重q1=0.381 kN/m;梁段荷载q2=58.0 kN/m;模板荷载q3=2.0 kN/m;混凝土倾倒和振捣荷载q4=2.0 kN/m。

最大内力值：，

最大应力：，

由计算结果可知靠近主塔处分配梁满足要求。

7 局部受力计算

（1）钢立柱柱脚混凝土局部受压承载力计算。按《混凝土结构设计规范》知配置间接钢筋的混凝土结构构件，其局部受压区的截面尺寸应符合：。

式中，─局部受压面上作用的局部压力设计值，。计算得，计算结果满足要求。

（2）钢立柱柱顶计算。用ANSYS建立钢立柱柱顶局部模型，柱顶卸荷块处反力设计值为3 528 kN，钢立柱在底部固结，算分析可知钢立柱柱顶最大组合应力为188 MPa，小于215  MPa，满足使用及规范要求。

8 结论

主塔下横梁支架安装与塔身施工可同步进行，待塔身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。通过对龙潭过江通道主塔下横梁支架计算分析可知，各工况荷载组合下支架结构的强度、刚度、稳定性均满足规范及设计要求，结构处于安全状态。通过计算分析可以优化混凝土荷载取值，合理设计支架结构形式，节约工程成本，为今后类似工程提供参考。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家标准.《建筑施工模板安全技术规范》（JTG 162-2008）.北京：中国建筑工业出版社，2018.

[2]中华人民共和国国家标准.《钢结构设计标准》（GB50017-2017）.北京：中国建筑工业出版社，2018.

[3]中华人民共和国国家标准.《建筑结构荷载规范》（GB 50010-2010）.北京：中國建筑工业出版社，2019.

[4]中华人民共和国国家标准.《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）.北京：中国建筑工业出版社，2011.