大跨度斜拉桥主塔下横梁支架结构设计与计算

摘要 文章依托G4216线宜金高速公路新市金沙江特大桥，根据主塔下横梁的特殊性采用“高悬空+落地式+无立面斜撑”组合式K形支架分两次浇筑施工，首先通过理论计算初步配置支架杆的型号及对应数量，然后采用Midas Civil进行仿真分析，验证整体支架的强度、刚度及稳定性。研究结果表明，应重点考虑第二次浇筑混凝土荷载由第一次浇筑混凝土与下横梁支架共同承受，通过下横梁支架与第一次浇筑下横梁的刚度比确定第二次浇筑混凝土的附加力，较常规整个下横梁自重荷载的加载方式能够获得较好的经济效益，可为类似建设工程提供施工经验及参考价值。

关键词 斜拉桥；主塔下横梁；悬空托架；Midas Civil仿真计算

中图分类号 U445 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）17-0152-03

0 引言

随着我国基建事业的快速发展，桥梁跨越大江、峡谷、大河、海湾等地区已成为常态，斜拉桥优势显著，而主塔作为核心受力构件之一，其施工质量决定了桥梁的结构稳定性。主塔下横梁作为行车支撑面，截面尺寸大、承载力高、横梁与主塔整体性质量要求高，混凝土浇筑体量大、自重大，全是高空作业，施工作业困难，因此主塔下横梁施工成为施工的关键之一。传统主塔下横梁支架施工采用落地式支架，材料用量大、费用较高，增加了施工成本，且经济性不强。通过对下横梁的结构分析，采用高悬空“K”形支架施工，对其可行性进行研究以及施工总结，提出了该支架施工的关键技术要点，确保了主塔下横梁的顺利施工。

1 工程概况

新市金沙江大桥双塔双索面钢桁梁斜拉桥桥跨布置为3×30 m+（340+680+340） m+16×30 m，桥梁全长1 867 m，主桥长1 288 m，桥面宽度为25.5 m；宝瓶形主塔采用C50钢筋混凝土结构，5#主塔高290.16 m，6#主塔高297.51 m（四川省内排名第一），下横梁长33 m，宽9 m，高8 m，空心结构[1]，全桥及主塔效果如图1所示：

2 支架结构设计

2.1 主要荷载

（1）C50钢筋混凝土自重：26.5 kN/m3；

（2）钢模板自重：2.5 kN/m2；

（3）混凝土振捣荷载：2.0 kN/m2；

（4）设备及人员荷载：2.5 kN/m2；

（5）风荷载：根据《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T 3360—01—2018）[2]，按如下公式计算：

FH=1 2ρU2 gCHH （1）

Ug=GVUd （2）

Ud=KfKtKhU10 （3）

式中，ρ——空气密度（kg/m3），取为1.25；CH——主梁的横向力系数；H——主梁投影高度（m），支架搞按H=118m考虑；Ug——静阵风风速（m/s）；GV——静阵风系数，地表类别为A，取GV=1.28；Ud——高度Z处的设计基准风速（m/s）；Kh——风速高度变化修正系数，地表类别为A，取Kh=1.58；Kf——抗风风险系数，U10=3.27m/s>32.6m/s，R1风险区域，Kf=1.05；Kt——地形条件系数，取Kt=1.0；U10——基本风速（m/s）。

2.2 荷载组合

荷载组合如表1所示：

2.3 贝雷梁排数及钢管立柱根数确定

单层单排（S.S.）贝雷梁的几何特性及容许内力[3]如表2所示：

初步按4跨（5.5 m+2×9 m+5.5 m）剪支梁设计，按最不利工况荷载计算：

（1）C50钢筋混凝土第一次浇筑荷载：5.5 m×9 m×26.5 kN/m3=1 311.8 kN/m；

（2）钢模板荷载：5.5m×2×2.5 kN/m2=27.5 kN/m；

（3）混凝土振捣荷载：9 m×2.0 kN/m2=18.0 kN/m；

（4）设备及人员荷载：9 m×2.5 kN/m2=22.5 kN/m；

（5）C50钢筋混凝土第二次浇筑按第一次混凝土浇筑荷载的15%考虑（后期建立整体模型后，再根据刚度比按实际情况加载）：1 311.8 kN/m×0.15=196.8 kN/m。

（6）边跨荷载：1.3×（1 311.8+27.5+196.8）+1.5×（18.0+22.5）=2 037.8 kN/m

中跨荷载：1.3×（1 311.8+27.5+196.8）/5.5+1.5×（18.0+22.5）=420.3 kN/m。

按以上荷载加载，如图2所示，得出最大剪力、弯矩和支座反力分别为6 517.2 kN，5 340.3 kN·m和8 772.8 kN。

贝雷梁排数：Max{6 517.2/245.2，5 340.3/788.2}=26.6排，取27排。

钢管立柱根数：8 772 800 N/29 807 mm2/[215 MPa×（0.5～0.6）]=2.7根，再考虑杆件长细比的折减系数及风荷载产生的弯矩，每排取4根。

2.4 支架构造

高悬空支架主要由预埋支撑件和钢板、下部型钢或钢管构成的桁架支撑体系、承重梁、卸落装置、分配梁等组成，两侧为三角托架式，中间为落地式。下横梁支架立杆平面布置3根（顺桥向）×4根（横桥向），设三道附墙水平横联，贝雷梁布置5×20 cm+27.5 cm+2×（45 cm+90 cm）+2×45 cm+2×（90 cm+45 cm）+27.5 cm+5×20 cm。下横梁支架立面布置如图3所示，主要材料如表3所示。

3 支架计算

3.1 荷载计算

支架钢结构自重按实际构件重量1.05倍取值。

工作状态（6级风）：

Ud=KfKtKhU10=1.05×1.0×1.58×13.8=22.9 m/s

Ug=GVUd=1.28×22.9=29.3 m/s

非工作状态（10级风）：

Ud=KfKtKhU10=1.05×1.0×1.58×28.4=47.1 m/s

Ug=GVUd=1.28×47.1=60.3 m/s

贝雷梁迎风面积按全断面考虑，单片贝雷片迎风面积为1.2 m2，横桥向中间按10片贝雷计，总面积为12 m2；横桥向两端各按1片贝雷计，风载阻力系数CH=1.3，则6级风时贝雷梁风压FH/H=1 2ρU2 gCHH=1 2×1.25×

29.32×1.3=0.7（kPa）；10级风时风压FH/H=1 2ρU2 gCHH=

1 2×1.25×60.32×1.3=3.0（kPa），相应构件所受风荷载的计算结果如表4所示：

第一次浇筑完成后，张拉下横梁的钢绞线，张拉100%设计荷载，此时混凝土最大拉应力为1.5 MPa<1.83 MPa[4]，最大压应力为1.3 MPa<22.4 MPa，不会出现混凝土开裂现象，然后浇筑剩余部分的下横梁，第一次浇筑的支架位移为15.0 mm，第二次浇筑的位移为1.1 mm。

第二次浇筑混凝土荷载由第一次浇筑的下横梁与下横梁支架共同承受[5-6]，建立模型进行分析得到：下横梁支架跨中的最大位移为15.0 mm，第二次下横梁的最大位移为1.1 mm，故在第二次浇筑混凝土时，下横梁支架承受二次浇筑的附加荷载为1 689 t×1.1/（1.1+15.0）=115.4 t，按均布面荷载3.9 kN/m2加载于底模系统。

3.2 计算成果

用Midas Civil 2021建立的模型如图4所示，分配梁与钢管间采用铰接进行连接，即上层分配梁不传递弯矩至下层分配梁，模型边界也如图4所示。

将工况Ⅰ、工况Ⅱ进行包络计算，得到贝雷梁的计算结果如表5所示，型钢强度、刚度计算结果如表6所示，受压杆件稳定性计算结果如表7所示。

4 结语

经计算，主塔下横梁采用“高悬空+落地式+无立面斜撑”的组合式支架体系，承载能力强，支架结构强度、刚度、稳定性均满足受力要求。预埋件采用成品加工件，连接质量有保障，材料组装方便，安装与拆除速度快，周转性强。支架设计时相对于采用整个横梁自重，该文充分考虑第一次已浇筑混凝土张拉后与支架共同承担第二次浇筑混凝土的自重，在混凝土不发生开裂情况下大幅度减少了支架材料用量，经济效益显著。

参考文献

[1]四川省公路规划勘察设计研究院有限公司.四川新市金沙江大桥施工图[Z].成都，2020.

[2]公路桥梁抗风设计规范：JTG/T 3360—01—2018[S].北京：人民交通出版社，2019.

[3]黄绍金，刘陌生.装配式公路钢桥多用途使用手册[M].北京：人民交通出版社，2001.

[4]混凝土结构设计规范：GB 50010—2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.

[5]张德致，张敏，代皓，等.黄冈公铁两用长江大桥桥塔上横梁施工技术[J].桥梁建设，2013（3）：5-10.

[6]裴宾嘉，聂东，杨明，等.荆岳长江公路大桥北索塔下横梁的支架设计与计算[J].公路，2009（11）：61-66.

[7]钢结构设计标准：GB 50017—2017[S].北京：中国建筑工业出版社，2017.