大跨度下承式钢管混凝土系杆拱桥支架设计及有限元分析

赵庆贺

(烟台大学，山东 烟台 264003)

1 工程简介

本拱桥设计桩号范围为DK423+190.560～DK423+321.260，总体布置：跨径128m，全长 132m。系梁按整体箱形梁布置，采用单箱三室预应力混凝土箱形截面，桥面箱宽19m，梁高2.5m。底板厚度为30cm，顶板厚度30cm，边腹板厚度为35cm，中腹板厚度为30cm。底板在外侧3.0m范围内上抬0.5m。吊点处设横梁，横梁厚度0.4～0.6m。拱脚位置处系梁顺桥向8m范围内设成实体段，横桥向宽度由19.0m增至20.0m，截面渐变处设倒角或过渡段。

2 支架设计

2.1 设计思路

根据立体交叉公路通行要求及现场地质条件，经方案比选后，确定系杆拱桥主体采用加强型贝雷梁式支架平台、钢管立柱式结构、钢筋混凝土条形基础和混凝土钻孔桩基础。

2.2 支架设计方案

系杆拱桥主梁支架采用加强型贝雷梁式结构，支架布置方式自上而下为：1.5cm厚竹胶板→8.5cm×8.5cm纵向方木→I12.6工字钢横梁→盘扣架→I16工字钢横梁→贝雷片(单排单层上下弦杆加强型)→双拼HN700×300/13/24工字钢横担→钢管立柱→钢筋混凝土条形基础→钻孔桩基础。纵向方木间距在中腹板、边腹板和实心段处满铺，其余间距按20cm布置。I12.6工字钢横梁间距在横隔板和拱脚实心段处为60cm，其余均为90cm。盘扣架立杆纵向间距在横隔板和拱脚实心段处为60cm，其余均为90cm；立杆横向间距为60cm、90cm、120cm；盘扣架水平杆步距为100cm。I16工字钢横梁间距在横隔板和拱脚实心段处为60cm，其余均为90cm。贝雷片按22.5cm或45cm的间距布置。1#、2#、7#～10#钢管立柱选用φ609mm钢管，3#～6#钢管立柱选用φ800mm钢管；3#、5#钢管立柱横向间距为2.3m，10#钢管立柱横向间距为2m和1.5m，其余钢管立柱横向间距均为3m；采用16#槽钢剪刀撑连接，钢管立柱底在基础顶预埋1.6cm厚钢板，基础内配置钢筋，施工前进行预压。3#、5#、6#条形基础尺寸为3.0m×1.2m，其余条形基础尺寸为2.5m×1.2m。钻孔桩直径为1.25m。

拱肋支架布置方式为：Z6支架上方横担采用三拼I36a工字钢，其余均采用双拼I36a工字钢。支架全部采用φ529mm钢管。拱肋采用分段式安装，在两段拱肋拼装处布置两排钢管(4根钢管)，每组钢管支架的4根钢管中，相邻两根钢管横向间距为2.0m，纵向间距为2.0m或7.5m。在桥面板与底板之间设置粗钢管传递荷载，考虑桥面板与底板共同受力。钢管立柱在纵向及横向设置22#槽钢连接系；钢管立柱底在基础顶预埋1.6cm厚钢板。系杆拱桥支架立面及断面示意图分别如图1和图2所示。

(a)系杆拱桥主梁支架立面示意图

(b)拱肋支架立面示意图图1 支架立面示意图

图2 支架断面示意图

3 施工支架检算

3.1 支架检算模型

采用Midas Civil建立系杆拱桥现浇支架有限元模型，对现浇支架结构受力情况进行分析。支架有限元模型单元类型采用梁单元，根据主梁结构特点及实际施工情况，拱桥主梁模型共划分为139852个节点、175364个单元；拱肋支架模型共划分为318个节点、377个单元。贝雷梁承担主梁上部结构传递的荷载，包括主梁自重、支架、施工人员、堆载荷载。采用Midas/Civil建立I16工字钢横梁、贝雷梁组成的空间整体模型，构件均采用梁单元模拟。

I16工字钢采用Q235钢材，贝雷梁采用16Mn钢材。贝雷梁需要在支撑位置采用双拼10#槽钢对竖杆进行加强。在两片贝雷片连接位置释放梁单元y-y方向旋转自由度。I16工字钢横梁与贝雷梁之间的连接采用弹性连接中的一般连接，取多点支撑的连续梁体系作为整体的计算图示，计算全部浇筑完成工况下构件的受力。拱桥主梁支架有限元模型如图3所示。

图3 拱桥主梁支架有限元模型

3.2 材料参数

加强贝雷梁采用16Mn钢材，其抗拉、抗压、抗弯强度设计值[σ]=310MPa，抗剪强度设计值[τ]=180MPa；其他钢材采用Q235钢材，其抗拉、抗压、抗弯强度设计值[σ]=215MPa，抗剪强度设计值[τ]=125MPa。

3.3 荷载取值

混凝土容重取为26kN/m3，模板和支架荷载取为1kN/m2，施工人员、堆放荷载取为1kN/m2，倾倒混凝土冲击荷载取为2kN/m2，振捣混凝土产生的荷载取为2kN/m2。

支架强度荷载组合：1.2×(箱梁自重+模板、支架自重)+1.4×(施工人员、材料及施工机具荷载+倾倒混凝土时产生的荷载+振捣混凝土时产生的冲击荷载)(kPa)。

支架刚度荷载组合：1.0×(箱梁自重+模板、支架自重)+1.0×(施工人员、材料及施工机具荷载+倾倒混凝土时产生的荷载+振捣混凝土时产生的冲击荷载)(kPa)

3.4 支架计算结果

3.4.1 支架强度计算

支架强度计算结果如表1所示。

表1 支架最大弯曲应力计算结果(单位：MPa)

3.4.2 支架刚度计算

从有限元分析结果可以看出，拱桥主梁贝雷梁支架最大竖向位移SF1=25.1mm，拱肋支架最大竖向位移SF2=3.9mm。由于SF1

图4 主梁贝雷梁有限元模型竖向位移

图5 拱肋支架有限元模型竖向位移

4 结 论

(1)综合考虑拱桥主梁现浇的不同荷载组合，经有限元软件分析和计算，加强型贝雷梁式支架满足规范的强度、刚度及整体稳定性要求。

(2)新建铁路赣州至深圳凤凰互通特大桥支架设计，成功地为该工程跨公路现浇梁施工提供了解决方案。