大跨悬索桥桥塔横梁支架受力性能及加固优化分析

摘要 桥塔横梁支架作为大跨度悬索桥的重要组成部分，其承载能力和稳定性对整体结构的安全运行至关重要。文章以某大跨度悬索桥的下横梁为研究对象，首先在Midas Civil建立模型的基础上，对下横梁支架强度、刚度、稳定性进行有限元分析研究，然后提出了针对支架不同部位的多种加固方案，涵盖了横梁、腹杆等不同位置，最后对加固方案进行了系统研究。研究结果表明，不同部位的加固方案在提高支架稳定性和承载能力方面表现出差异性，可为后续横梁施工设计提供借鉴参考。

关键词 大跨度悬索桥；Midas Civil；支架加固；强度；刚度

中图分类号 U445 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）17-0165-03

0 引言

主塔是斜拉桥和悬索桥的标志性结构元素，具有多种形式，如H形、A形、钻石形等。下横梁是主塔结构的重要组成部分，其主要功能包括平衡主塔两侧的水平力和连接主塔的双塔肢，以提高主塔结构的稳定性。随着桥梁跨度的增加，下横梁的体积也在逐渐增大。此外，为实现桥梁结构的强度和美观的完美结合，许多专家对下横梁的施工进行了研究[1-4]。

针对大体量的下横梁施工难题，该文以某特大桥为工程背景，旨在对支架本身的不同部位进行加固，通过使用Midas Civil软件对支架进行有限元分析，根据强度和刚度是否符合其要求，以应力大小作为优化结果的评价标准，以确保施工安全。通过该文的研究，以期为其他同类型工程施工方案的制定提供一定的借鉴。

1 工程概况

某特大桥位于跨两河路水库，其主桥为650 m双塔单跨双边箱组合梁悬索桥，主缆分跨为120 m+650 m+115 m，两岸错锭均为隧道锚。左岸引桥为3×19 m的现浇钢筋混凝土连续箱梁，右岸引桥为2×20 m为现浇钢筋混凝土连续箱梁，桥梁全长748.06 m。桥址区山高谷深，沟壑纵横，为构造侵蚀的高山地貌，地形条件复杂。拟建桥梁跨越某江两河口岸区，地势起伏大，相对高差大于200 m。

索塔截面采用箱形截面。索塔设置上下两道横梁。索塔由塔座、塔柱、横梁及塔冠形成钢筋混凝土的支架结构。下横梁采用单箱单室矩形截面，高6 m、顶宽5 m、腹板厚0.9 m、顶底板厚0.9 m。支架布置如图1所示：

图1 下横梁现浇支架布置图

2 下横梁有限元模型

为研究主塔下横梁中支架的力学性能，采用Midas Civil有限元分析软件，建立下横梁支架模型，按弹性法进行分析。采用梁单元对牛腿、横梁、纵向分配梁、支撑架、次分配梁进行模拟，根据实际情况设置相应的边界条件，考虑结构自重和施工荷载等因素进行计算分析，通过后处理观察、提取结构构件的应力、变形，进行强度、刚度和稳定性验算。

2.1 有限元模型建立

下横梁支架采用牛腿支架结构形式，由下至上依次为I45b和I56b牛腿、2HN450×160横向分配梁、支撑架、贝雷架、I10纵向分配梁。纵向分配梁上铺设横向支撑方木，横向木枋间距为250 mm，方木上铺设12 mm的竹胶板作为顶板底模。

下横梁支架中的纵向分配梁、支撑架、牛腿、贝雷梁采用Q235钢材，贝雷梁花窗部分采用Q345钢材。各钢材的材料特性参数如表1所示：

整个架体采用梁单元创建。牛腿处为固结边界，所有牛腿处施加DX/DY/DZ方向的位移约束边界条件，其余结构之间的连接采用弹性连接中的刚接，包括牛腿与横梁、横梁与贝雷架、纵向分配梁与支撑架、纵向分配梁与贝雷架、支撑架与方木。下横梁支架的有限元模型如图2所示，添加边界条件后的模型如图3所示。

2.2 荷载工况定义

作用在下横梁支架上的荷载分为架体自重荷载F1（程序自动加载）、混凝土浇筑荷载F2（面积分配法）、施工人员、机具荷载、模板荷载和振捣荷载F3（取4.5 kN/m2 ），以及风荷载（取0.827 5 kN/m2 ）。荷载组合取值如表2、表3所示。

2.3 支架强度有限元分析结果

按《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）第4.4.1条规定：钢材的设计用强度指标，应根据钢材牌号、厚度或直径采用表4所示的设计值。

对整体支架组合应力和剪力进行有限元分析，在最不利荷载组合作用下，整体支架的最大组合应力如图4所示，其最值为−531.3 MPa（压应力）位于贝雷架处，其组合应力值远大于310.00 MPa；整体支架最大剪应力如图5所示，其最值为−162.3 MPa（压应力）位于横梁处，不满足剪力小于125 MPa的要求。因此，需对支架进行加固。

3 不同支架加固对比

3.1 增加横梁

在处理贝雷架上竖杆应力值超过设计要求的问题时，采取在牛腿与贝雷架的连接处引入四个额外的分配梁，分别位于左右两侧。这一设计的目的是通过增加贝雷架与牛腿之间的受力面积，有效地分散并缓解竖杆的应力集中问题。

这四个分配梁的作用是在贝雷架上承担一部分竖向受力，从而减轻竖杆的负担。通过增加受力面积，系统在承受外部压力时能够更均匀地传递负荷，降低了竖杆所承受的局部应力。这种优化设计有助于提高整体结构的稳定性和耐久性，同时确保贝雷架在实际使用中能够满足安全和性能要求。

在牛腿与贝雷架中增加四个分配梁（左右各两个），其整体支架的最大组合应力如图6所示，其最值为−330.3 MPa（压应力）位于贝雷架处，虽然对比原模型的−532.5 MPa降低了37.9%，但其组合应力仍比要求的310 MPa大；整体支架最大剪应力如图7所示，其最值为−131.7 MPa（压应力）位于贝雷架处，不满足剪力小于125 MPa的要求。

3.2 加强腹杆

应力最大值总是出现在贝雷架的腹杆处，可对腹杆进行刚度加强，即在工字钢两侧连接两块钢板，其整体支架的组合应力如图8所示，其最值为−262.5 MPa（压应力）位于贝雷架处，其组合应力小于要求的310 MPa；整体支架的最大剪应力如图9所示，其最值为−126.1 MPa（压应力）位于贝雷架处，其组合应力小于要求的180 MPa。

整体支架满足条件后，对牛腿、横梁、贝雷架、分配梁、支撑架进行单独的组合应力及剪力分析，均满足规范要求。

4 总结

该研究以某特大桥下横梁为研究对象，对支架加固优化的方法进行分析，采用Midas Civil有限元软件建立了整体支架的三维有限元模型，以强度为例进行了详细的分析验算，得出以下结论：

（1）对于贝雷架上竖杆应力值超过设计要求的问题，在牛腿与贝雷架中增加了四个分配梁（左右各两个）。通过增大贝雷架与牛腿之间的受力面积，可以减小贝雷架竖杆之间的应力。

（2）对于贝雷架腹杆内部应力值超过设计要求的问题，对腹杆进行增强。腹杆采用工字钢的同时，在工字钢两侧连接两块钢板，用以增强腹杆刚度。

参考文献

[1]沈伟，吕丕根，杨旭.深水海域索塔下横梁支架设计与施工关键技术[J].施工技术，2020（S1）：1132-1134.

[2]李春江.石首长江公路大桥主塔下横梁施工技术[J].铁道建筑技术，2019（6）：79-83.

[3]潘博，刘爱林，王令侠.芜湖长江三桥2号桥塔下横梁支架设计与施工[J].世界桥梁，2021（6）：34-39.

[4]盛建军，卢靖宇，严春明，等.大跨度悬索桥桥塔横梁施工优化方法研究[J].施工技术（中英文），2023（23）：74-79+108.