上跨挡土墙桥梁钢管型钢支架方案比选研究

摘要：文章以广西南宁市良庆区金钢水泥厂1号路与经开区盘岭路之间跨江桥梁工程上跨挡土墙型钢支架项目为依托，利用Midas Civil有限元分析软件进行钢管型钢支架架体受力分析，同时采用Midas GTS NX软件分析支架架体结构对挡土墙结构的影响，并结合结构计算与挡土墙水平位移分析结果，确定了最优方案。

关键词：桥梁工程；钢管型钢支架；有限元分析；支架方案比选

0引言

随着我国市政工程建设项目数量的指数级增长，越来越多的桥梁项目如雨后春笋般遍地开花，其中，现浇桥梁在市政工程中较其他桥型的应用更为普遍。

随着城市建设的不断深入，新建市政现浇桥梁需要上跨道路、河流以及既有构造物，采用常规满堂支架无法满足跨越要求，因此需要钢管型钢支架作为辅助，再在钢管型钢支架上方搭设满堂支架。

张宇等［1］在青岛海湾大桥青岛端接线工程第12合同段跨河箱梁工程中采用了贝雷梁+钢管支架跨越河道，上方搭设碗扣支架，随后再进行沙袋预压，最终成品达到了理想的要求。

张航等［2］以宜昌市某桥梁为例，提出两种不同的门式型钢支架方案，并结合Midas Civil软件进行了方案比选，得到了各个部件的应力及竖向位移变化的情况，为类似工程设计提供了有利参考。

洪汉江［3］依托深圳市东部沿海高速公路莲塘至盐田段现浇桥梁工程，主要针对钢管型钢支架H型钢分配梁接头进行受力分析研究，为H型钢接驳提供了可行的方案。

沈委慈［4］针对跨国道小净空桥梁门洞支架的施工关键技术进行了研究，总结出了一套完整的型钢支架施工工艺，并在项目的实施过程中有效地解决了桥梁下净空不足的问题，顺利地完成了跨路箱梁现浇施工。

大部分研究已经总结出一套完整的型钢支架施工工艺以及受力分析计算。然而，现有研究大部分基于上跨河道以及既有道路支架，缺乏对上跨挡土墙型钢支架的分析。此外，既有研究的有限元计算分析大部分基于对钢管型钢支架架体结构的分析，忽略了型钢支架对基础的影响。

因此，本文以广西南宁市良庆区金钢水泥厂1号路与经开区盘岭路之间跨江桥梁工程上跨挡土墙型钢支架项目作为依托，在利用Midas Civil软件进行钢管型钢支架架体受力分析的同时，采用Midas GTS NX软件分析支架架体结构对挡土墙结构的影响，并基于有限元分析结果完成上跨挡土墙钢管型钢支架的方案比选。

1 工程概况

广西南宁良庆区金钢水泥厂1号路与经开区盘岭路之间跨江桥梁工程设计起点桩号为K0+0.000，终点桩号为K0+662.161，道路等级为城市次干路，设计车速为30 km/h。跨江桥梁一座，跨越良凤江，全长270.2 m，断面宽15～20.9 m，桥梁面积为5 147.1 m2，采用3×37 m+（35+55+35）m+1×25 m预应力混凝土箱梁结构。

位于本项目4#墩处上跨高度14 m的挡土墙建于1996年，根据现场回弹仪的回弹数据显示，该挡土墙混凝土强度大致为C35，挡墙上方为2010年建造的供水管道。

该挡土墙作为防洪堤，与现有供水管道斜交，供水管道与现有行车道斜交，考虑该施工区域地形复杂，无法搭设满堂支架，同时由于给水管线与梁底间净高过低无法设置贝雷梁支架，最终决定采用钢管型钢支架。桥梁布置图如图1和下页图2所示。

2 比选方案

2.1 方案一

方案一设计两排钢管型钢支架平行于给水管道两侧，一排平行于道路走向，上方纵向铺设型钢作为施工平台，间距为60 cm，最上方铺设I22a分配梁，如图3、图4所示。

2.2 方案二

将钢管型钢支架全部布置在给水管道内侧，可利用既有给水管道桩基的支護作用，在保障安全距离的同时减少对挡墙的土压力。因此，取消挡土墙外侧钢管支架，保留内侧支架，纵梁改为H700×300×24H型钢。方案二支架布置如图5、图6所示。

2.3 方案对比

方案一与方案二均为型钢支架，但是方案一为三跨连续梁，而方案二为两跨连续梁。

方案一结构形式为三跨连续梁，单排支架主横梁受力较为均衡，主横梁支架承受较小的弯矩，受力条件较方案二更为理想，同时支架可获得更好的稳定性。但是由于方案一采用三跨连续梁的布置形式，需在挡土墙边设置一道主横梁，其距离挡土墙过近，会增大对挡土墙的土压力。

由于方案二减少了一排支架，导致单跨跨径进一步增大，纵桥向分配梁由于弯矩增大需要采用更大的型钢作为分配梁，因此采用了H700型钢作为纵向分配梁。同时，方案二作为两跨连续梁，中间主横梁会出现更大的应力集中，故主横梁采用2×I45a三拼工字钢。作为两跨连续梁，在跨径增大之后，也会牺牲一定的稳定性。但是，方案二距离挡土墙较远，虽然两跨连续梁会造成一定的应力集中，但是对挡土墙的土压力相对较小。

综上所述，方案一与方案二各有优点，因此通过计算进行进一步分析对比，最终才可确认最优方案。

3 采用Midas Civil软件进行两个方案的架体受力分析与材料统计

3.1 模型的建立

分别对方案一和方案二支架结构进行Midas Civil软件建模分析，材料均为Q235钢材，取值采用容许应力法进行计算，即容许最大正应力为145 MPa，最大剪应力为85 MPa。方案一与方案二Midas Civil模型分别如图7、图8所示。

3.2 荷载组合

荷载组合采用满堂支架计算反力加载至横向分配梁，项目跨线桥第二联为变截面梁，荷载值如表1所示。加载情况如图9所示。

3.3 受力分析结果对比

加载后分别运行方案一与方案二模型进行对比计算，结果如表2所示，用钢量根据模型材料表导出，受力分析结果如表2所示。

由表2可知，两个方案受力均满足要求，采用三排支架的方案一受力条件较好，方案二由于跨径增大，导致支架主横梁剪应力增加，同时为了满足跨径布置要求，相应增大了纵梁，导致用钢量增大，支架受力工况没有方案一理想。但是，考虑到支架施工过程中对挡土墙的影响，还需采用Midas GTS NX软件进行分析，通过挡土墙水平位移分析进一步判定两个方案对挡土墙结构的影响。

4 采用Midas GTS NX软件分析两个方案对挡墙结构的影响

4.1 输入参数

根据地勘报告与岩土体材料的特性，输入模型中的材料参数如表3与表4所示。

4.2 荷载组合

荷载组合以Midas Civil软件模型中的反力为基础，基础形式为0.8 m×24 m条形基础。以压力荷载的形式加载至Midas GTS NX软件的实体单元中，建立的模型如下页图10～14所示。

4.3 水平位移分析

运行模型分析后，方案一与方案二挡土墙水平位移情况分别如图15、图16所示，方案一与方案二挡土墙水平位移对比分析结果如表5所示。

由表5可知，方案一由于在挡土墙边布置支架，导致挡土墙顶部水平位移增加，方案一墙顶水平位移为方案二的1.5倍，差异＞50%。方案二虽然支架反力较大，但由于已建给水管道在一定程度上起到支护桩的作用，因此墙顶水平位移得到了有效控制。

由于方案一增加了一排支架，给水管道后的反力较小，方案二支架全部布置在已建管道后，支架反力较大，因此造成方案二的挡土墙底部土压力增大，相应地造成方案二挡土墙底部水平位移大于方案一，两个方案挡土墙底部水平位移的比值为0.929，差值为7.1%，相比于上述挡土墙顶部水平位移的差异，可判断两个方案对挡土墙底部水平位移的影响差异较小。

5 最终施工方案的确定

综合以上對比结果，两个方案支架组合应力受力指标较为接近，方案二由于跨径增大造成剪应力与支反力的增加，并由于少一排支架造成稳定性下降，且由于跨径增大，需要进一步加大纵梁尺寸以满足受力要求，造成用钢量增大。从支架架体本身的稳定性来看，方案一更为理想。

但是，由于该处支架位于挡土墙上方，还需要考虑支架施工对挡土墙的影响，方案一的其中一排支架布置距挡土墙较近，导致挡土墙顶部水平位移较方案二增大明显，而两个方案挡土墙底部水平位移差异不大。由于该挡土墙为1996年建成的旧挡土墙，设计资料缺失，无法确认结构是否出现疲劳破坏，考虑到支架对挡土墙的影响，经讨论后确定采用方案二。

6 结语

本文以广西南宁市良庆区金钢水泥厂1号路与经开区盘岭路之间跨江桥梁工程的跨江桥梁钢管型钢支架方案设计作为依托，针对上跨河堤挡土墙无法布置贝雷梁的支架施工区域设计了两套方案，并通过Midas Civil软件与GTS NX软件进行了分析比选。通过有限元计算了支架架体结构的受力情况与支架施工对河堤挡土墙的影响，确定受力结构稳定且同时对河堤挡土墙影响较小的最优方案。

因此，在未来的工程实践中，除了重视钢管型钢支架本身的受力特性外，还需进一步分析结构对周边环境的影响。

参考文献：

［1］张 宇，郝本峰，赵 冬，等.城市高架桥现浇箱梁支撑体系设计及施工［J］.桥梁建设，2012，42（S1）：148-152.

［2］张 航，龚子荣，雷 倩.某现浇桥梁门式型钢支架方案对比研究［J］.山西建筑，2017，43（26）：147-148.

［3］洪汉江.桥梁现浇箱梁支架中H型钢的驳接和应用［J］.中国水运（下半月），2012，12（5）：187-189.

［4］沈委慈.跨国道小净空桥梁门洞支架施工关键技术研究［J］.科学技术创新，2021（25）：109-111.

作者简介：农校东（1975—），工程师，主要从事工程项目现场管理工作。