锚碇异形支墩上0.#块支架设计分析

摘要：龙门大桥跨越东锚碇上方的引桥上部结构为变截面连续刚构桥，采用挂篮悬臂法施工。文章针对锚碇异形支墩上的0.#块施工难点进行分析，设计出适用于异形支墩上的0.#块支架，并采用MidasCivil有限元软件对支架进行受力分析，以验证支架满足承载要求。

关键词：异形支墩；支架设计；托架；有限元计算

中图分类号：U445.4" " " " 文献标识码：A" " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.037

文章编号：1673-4874（2024）11-0122-03

0引言

在地锚式悬索桥设计中，锚碇一般位于过渡墩后方的引桥投影下方。对于跨越锚碇上方的引桥上部结构，多采用等截面连续箱梁的形式，采用变截面连续刚构桥上构跨越锚碇的方式较少。龙门大桥东锚碇为半海半岛区域，受航道规划影响，锚碇上方引桥上部结构为连续刚构桥，在锚碇后支墩位置需进行0.#块施工。锚碇支墩为不对称类四棱柱形状，难以进行落地支架施工，故需设计可行的锚碇支墩上0.#块支架，保证施工过程的安全。

1工程概况

龙门大桥为广西滨海公路的控制性卡点工程，项目全长7.637km，主桥为单跨1098m悬索桥。东锚碇散索鞍支墩往大桩号方向的上部结构为东引桥第二联，采用变截面连续刚构桥设计。52.#墩处为连续刚构桥0.#块，0.#块截面为斜腹板单箱单室箱型截面，顺桥向共长10m，其中横梁处实心段长3m，实心段设有100cm×160cm人洞通道。

0.#块下方墩身为锚碇锚块上的后支墩，后支墩与锚碇锚块设计为整体，其断面为下宽上窄的四边形，整体设计为类四棱柱造型。由于引桥第二联路线位于平曲线缓和曲线段，故锚碇支墩在断面上为非对称的右倾式设计。支墩上0.#块设计图如图1、图2所示。

2支架设计难点分析

2.1传统钢管支架设计难点

一般在0.#块施工中，对于场地条件较好的情况，可采用钢管支架或鹰架的方式进行0.#块施工。在传统钢管支架搭设前，需进行支架扩大基础浇筑，但对于锚体异形支墩，支墩顺桥向及横桥向倾角较大，难以施工扩大基础，从而影响钢管桩搭设。

2.2装配式托架设计难点

在龙门大桥东引桥其他墩位的0.#块施工中，由于墩顶处花瓶口设计尺寸一致，故应用了装配式托架进行施工，装配式0.#块托架包括预埋牛腿、对拉精轧螺纹钢、主托架、副托架、贝雷梁、工字钢分配梁等部分1。

对于装配式托架，应用于异形支墩上存在若干难点：

（1）装配式托架架体结构外形尺寸是固定的，在普通墩柱处架体可紧贴墩身，但在异形支墩上无法实现。这将导致托架下的牛腿悬臂长度过大，不利于牛腿受力。

（2）异形支墩主桥的侧斜面角度小，无法采用贝雷梁对0.#块悬臂部分进行支撑，需研究其他方式。支墩主桥侧为俯斜面，引桥侧为仰斜面，故需在仰斜面和俯斜面设置不同的基础形式，以满足托架安装要求。

（3）锚碇异形支墩的平面尺寸大，顺桥向长度达到预留管道长度时再进行精轧螺纹钢对拉安装较难实现，故需其他方式对精轧螺纹钢进行固定，保证托架上方抗拉拔力满足要求。

3支架设计

3.1荷载计算

0.#块实心段混凝土最大高度4.8m，截取0.#块截面平均面积，可得分配梁投影面上近似均布荷载，各线性变化截面面积计算示意图如图3所示。

3.2托架结构设计

异形支墩上0.#块支架整体采用托架设计，包括托架基础、托架架体、工字钢主横梁及分配梁。

针对异形支墩不同斜面角度，托架基础主要分为托架下牛腿或下预埋钢板、上锚固精轧螺纹钢。下口基础采用钢牛腿或预埋钢板的形式，在仰斜面处采用钢牛腿设计，钢牛腿采用2块4cm厚钢板插入支墩预留铁盒内，避免破坏支墩主筋；在俯斜面采用预埋钢板设计，预埋钢板下表面焊接钢板保证预埋件锚固力；上口基础采用32mm精轧螺纹钢锚固，将精轧螺纹钢锚固端设于支墩混凝土内，并配置相应锚固端螺旋筋，以保证支架的水平拉力满足要求。

托架架体主要分为顺桥向的主托架、横桥向的副托架、构造托架，主托架主要承载腹板范围内荷载，副托架主要承载翼板荷载，构造托架主要完善支墩倒角处支架的整体性。托架主梁采用双拼I40a工字钢，托架立柱、斜撑等构件采用双拼I25a工字钢。对于仰斜面主托架，采用三角形托架，托架立柱与支墩平面平行，以减小托架下口牛腿处悬臂长度；对于俯斜面主托架，采用L型托架，立柱落在斜面预埋钢板上，无须设置平行支墩墩身的立柱。

因托架顶面与0.#块底面净空有限，故在托架上方主横梁采用I40a工字钢，分配梁采用I25a工字钢。异形支墩上0.#块支架设计图如图4、图5所示。

4支架验算

4.1支架整体模拟验算

根据设计图纸，对异形支墩上0.#块支架进行整体建模验算，验算采用MidasCivil有限元分析软件。各杆件采用梁单元进行模拟。因左右幅结构为中心对称，故取单幅支架模型进行验算。

对于边界条件设置，各层杆件上下相叠采用刚性连接模拟。上口精轧螺纹钢及下牛腿预埋位置采用一般支承的边界条件进行模拟，精轧螺纹钢处边界条件约束Dx、Dy，即水平方向上约束，下牛腿于墩柱部分进行全约束。

验算内容为构件的剪切应力、组合应力、整体变形量以及整体结构稳定性2。模拟验算模型如图6所示。

4.2支架验算荷载组合

对支架工作工况进行模拟，荷载组合为0.#块一次浇筑混凝土时的受力情况，荷载类型包含支架结构自重、施工荷载、模板荷载、钢筋混凝土荷载，采用容许应力极限状态法进行计算，荷载组合系数为1.0×支架结构自重+1.0×钢筋混凝土荷载+1.0×模板荷载+1.0×施工荷载。

4.3支架验算结果

支架各构件均采用Q235A钢材，该材料相应组合应力容许值为145MPa，剪应力容许值为85MPa。支架构件最大跨径为3500mm，故容许最大变形值为3500/400=8.75mm。

经有限元分析软件验算，得出验算结果汇总如下页表1所示。验算结果显示0.#块支架结构强度、刚度满足要求。

4.4支架上口精轧螺纹钢验算

根据整体建模计算结果，主托架精轧螺纹钢的最大拉力为310kN，副托架精轧螺纹钢的最大拉力为171kN。32mm精轧螺纹钢净截面面积为803.84mm.2，容许应力值为785MPa。

主托架上口采用四根精轧螺纹钢，取最大拉力的110%计算：单根精轧螺纹钢应力为310000N×1.1÷4÷803.84mm.2=106.05MPa，安全系数为785÷106.05=7.4。满足施工安全规程中精轧螺纹钢安全系数≥4的要求。

副托架上口采用两根精轧螺纹钢，取最大拉力的110%计算：单根精轧螺纹钢应力为171000N×1.1÷2÷803.84mm.2=116.99MPa，安全系数为785÷116.99=6.7，满足施工安全规程中精轧螺纹钢安全系数≥4的要求。

4.5支架下预埋钢板验算

支架下预埋钢板验算内容主要包括下表面加强钢板剪应力、钢板焊缝剪应力、立柱焊缝剪应力三个部分。

根据整体建模计算结果，俯斜面上托架最大反力为156.6kN，则沿斜面分力为Fs=156.6×cos（40.7°）=118.7kN。预埋钢板下表面焊接3块高50cm、厚3cm的钢板与混凝土锚固加强，预埋钢板上表面与托架立柱I25a工字钢焊接连接，焊缝高度取10mm，焊缝容许应力按规范取160MPa。

对于下表面加强钢板，剪应力τ=FsnA=118.7×10.33×500÷COS（40.7°）×30=3.5MPa＜125MPa，下表面加强钢板剪应力满足要求。

对于下表面加强钢板焊缝，剪应力τ=Fsnlhf=118.7×10.33×500÷COS（40.7°）×10=10.4MPa＜160MPa，加强钢板焊缝剪应力满足要求。

对于托架立柱焊缝，剪应力τ=Fsnlhf=118.7×10.32×（116+250）×2÷COS（40.7°）×10=10.7MPa＜160MPa，托架立柱焊缝剪应力满足要求。

5结语

本文介绍了适用于龙门大桥东锚碇异形支墩上0.#块的支架设计方案。依托现场实际异形支墩结构，分析传统钢管支架及装配式托架应用的难点。根据异形支墩结构形式，设计适用于不同斜面的托架基础及托架架体形式。采用MidasCivil软件进行支架整体模拟验算，验证支架的强度及刚度满足施工要求。由模拟验算结果进一步对支架的托架上口及下口基础构件进行验算，验证支架的托架基础受力满足施工要求。目前，龙门大桥东引桥上部结构已顺利完成，锚碇异形支墩上0.#块按本文方案安全有序施工完成，可为类似项目提供借鉴。

参考文献：

1马京，肖益新，骆财华.龙门大桥东引桥0.#块托架结构设计分析J.西部交通科技，2022（11）：55-58.

2梁艳，李斌，连德攀，等.某连续刚构桥0#块支架方案选型及设计J.四川建筑，2020，40（5）：218-221.

作者简介：汪渊（1985—），工程师，研究方向：道路与桥梁施工管理。

收稿日期：2024-05-18