移動反拱平臺的受力與成本分析

王 飛 陳 虔 岳豪斌 劉 寧

1. 中鐵四局集團第四工程有限公司 安徽 合肥 230041

2. 貴州大學土木工程學院 貴州 貴陽 550025

移動反拱平臺又稱收折式移動平臺、移動架空平臺，由水平桁梁、承重桿系、支撐體系及平臺推進轉跨行走系統四大部分組成。移動反拱平臺主要適用于公路、水利水電、鐵路等各種工程建設的高墩、高架、重量較大的長大梁橋簡支梁或類似結構現場澆筑，尤其對逐跨施工的連續梁橋最為適用。近年來，對于墩身20m～40m、地形平坦、地質較好的現澆梁橋施工，往往采用鋼管貝雷梁組合支架[1][2][3]。當墩身超過40m或支架搭設困難時，專制移動模架機械化程度高、施工效率高，并且無需進行地基處理，但要進行專門設計制造，一次性投入過高，以后難以有類似結構形式的橋梁周轉使用[4][5]。在墩臺上設置牛腿、橫梁，利用貝雷梁拼裝而成的水平縱梁和導梁，同時利用卷揚機進行牽引所形成的移動平臺不僅可以適合專制移動模架的施工條件，而且可以大大節約施工成本費用[6]。因其普通移動平臺使用跨度有限，為加強貝雷片組拼水平縱梁的承載能力和剛度，已有諸多學者在普通移動平臺的基礎上通過對水平縱梁下部增加承重桿系來滿足施工過程中的架空和承載要求，于是出現了收折式移動平臺，也稱移動反拱平臺[7][8][9][10][11]。

從目前文獻對移動反拱平臺的研究來看，更多研究集中在平臺結構設計組成與施工工藝上，對移動反拱平臺的結構檢算也只是作了簡單受力分析，并沒有人采用數值模擬的方法對移動反拱平臺進行詳細的強度、剛度及穩定性進行分析，數值模擬是基于計算機軟件快速發展而產生的計算方法，利用該技術可以對施工過程進行準確的模擬[12][13]。移動反拱平臺相比于普通移動平臺的最大優勢在于水平縱梁的下部承重桿系，承重桿系只有倒三角與倒梯形兩種形式，其它形式比如倒拱形、矩形等承重桿系是否更具優勢是本文所研究的重點之一。面臨多跨簡支連續梁橋施工方案選擇時，絕大多數施工單位會采用鋼管貝雷梁組合支架這一傳統施工方法，與鋼管貝雷梁組合支架相比，移動反拱平臺的受力性能和施工成本是否更具優勢也是本文所研究的重點之一。

基于以上背景，本文以某實際工程為依托，從受力與成本兩方面，對移動反拱平臺和鋼管支架兩種方案進行比選，驗證移動反拱平臺在連續梁橋施工中的優越性，旨在今后為類似橋梁工程提供借鑒。

1 工程概況

蘭海高速重遵擴容項目T2合同段位于貴州省遵義市，標段內設互通式立體交叉1處。其中，F匝道第四聯第一孔、第二孔和G匝道第一聯第二孔、第三孔上跨主線打寶鋪大橋左右兩幅，F匝道第三聯為本工程最高一聯現澆連續梁橋，F6#墩柱高達91m，墩柱形式多樣、布置不規則，施工環境及其復雜，常年受峽谷風作用影響，10年一遇最大風速達到23m/s。

2 支架類型比選

針對超高墩、大跨度現澆連續梁橋，可采用鋼管支架、移動反拱平臺兩種施工方案進行施工，下面就兩種施工方案進行比選。

2.1 鋼管支架

以F匝道第三聯第一跨的鋼管支架為例進行建模，共7768個節點和13554個單元，其中包括935個桁架單元、11751個梁單元和868個板單元。鋼管支架是由鋼管立柱（Φ609×16mm）+柱頂主橫梁（雙拼I45a工字鋼）+縱向貝雷梁（321弦桿加強型貝雷片）+橫向分配梁（I14工字鋼）組成，各片貝雷梁之間采用角鋼花架連接，鋼管立柱之間的剪力撐采用Φ219×4.7mm鋼管，鋼管立柱與橋墩之間采用連墻件Φ219×4.7mm的螺旋鋼管，平面布置呈三角撐，豎向步距為12m。在此模型中，由于沒有混凝土材料，不需要考慮時間依存特性。貝雷梁與鋼管立柱的連接、貝雷梁與上部分配梁的連接均為彈性連接；鋼管立柱底部與基礎的連接方式為剛接，且基礎為獨立樁基礎，并且為端部承壓型樁，故可以限制鋼管立柱 XYZ 方向上的平動和轉動；立柱附著在橋墩上，其連接方式為彈性連接，只限制其XYZ 方向上的平動。建好后的鋼管支架模型圖如圖1所示。

2.2 移動反拱平臺

移動反拱平臺由主桁梁平臺、承重桿系、固定于橋墩上部用來支撐桁梁平臺的支承體系以及平臺推進轉跨行走系統四部分組成。其中主桁梁為拼裝桁架結構，采用普通貝雷片與加強弦桿組合，根據箱梁結構特點與墩柱的布置形式分組設置，主桁梁的組數視梁寬和荷載分布情況而定；承重桿系安裝于主桁梁平臺下部，按承重桿系外形不同可分為倒三角形、倒梯形、五邊形、倒拱形以及矩形5種形式，承重桿系由豎向壓桿、水平拉桿和斜拉桿組成，各桿的連接點按可轉動的鉸接設置；支承體系包括內撐體系、外牛腿和墩間斜腿三部分，成為平臺的下部支撐體系；行走系統包括貝雷平滾與牽引裝置兩部分，主桁梁通過滾輪可實現縱向行走與橫向滑移。以F匝道第三聯第一跨施工為例，采用橋梁專業有限元分析軟件Midas/Civil對移動反拱平臺進行三維空間有限元分析，貝雷片、加強弦桿、水平拉桿以及斜拉桿采用16Mn鋼，支撐架、橫向聯系桁片以及豎向壓桿采用Q235鋼，主桁梁平臺與支承體系的連接方式為彈性連接，只限制其XYZ方向上的平動。建好后的移動反拱平臺模型圖如圖2所示。

2.3 比選結果

從結構受力角度出發，為比選出鋼管支架與各種支撐形式下的移動反拱平臺在強度、剛度以及穩定性方面誰更具有優勢，通過選擇各種支架類型的主桁梁平臺為研究對象，分析同樣均布荷載下的正應力、剪應力和豎向撓度。各種支架類型的主桁梁計算結果見表1。

表1 各種支架類型的主桁梁計算結果[14][15][16]

從表1可以看出，同樣均布荷載作用下，鋼管支架與倒梯形移動反拱平臺的主桁梁最大正應力在此6種支架類型中最小，分別為71.9MPa和68.4MPa，表明鋼管支架和倒梯形移動反拱平臺較其它支架類型在強度上較為穩定，這也是大多數施工單位選用鋼管支架進行施工的原因之一；另外，鋼管支架與倒梯形移動反拱平臺的主桁梁最大豎向撓度在此6種支架類型中最小，分別為4.6mm和5.2mm，其它類型移動反拱平臺比鋼管支架的主桁梁最大豎向變形要大得多，只有倒梯形移動反拱平臺比較接近鋼管支架，這也是鋼管支架方案作為傳統施工方案在高墩大跨連續梁橋中進行施工的主要原因，移動反拱平臺在剛度方面達不到鋼管支架的穩定性。

3 方案優化

從結構受力角度出發，以主桁梁平臺為研究對象，綜合比較分析鋼管支架與各種支撐形式下的移動反拱平臺在強度和剛度方面上的穩定性，初步得選出倒梯形移動反拱平臺是本工程現澆施工的最佳方案。為了進一步對倒梯形移動反拱平臺設計方案進行優化，現從斜拉桿與主桁梁平臺的夾角α的大小來研究倒梯形移動反拱平臺的結構受力。夾角α可分為30°、45°、60°，其3種夾角α下的移動反拱平臺的有限元模型見圖3。

根據以上3種不同夾角α下的倒梯形移動反拱平臺，同樣通過選擇同一研究對象主桁梁平臺，分析同樣均布荷載下的正應力、剪應力和豎向撓度。不同夾角α下的主桁梁計算結果見表2。

表2 不同夾角α下的主桁梁計算結果[14][15][16]

從表2可以看出，同樣均布荷載作用下，當夾角α從30°到45°再到60°依次增大時，主桁梁的最大正應力和最大剪應力也同樣不斷增大，這表明隨著夾角α的增大倒梯形移動反拱平臺的強度不斷下降；另外，主桁梁的最大豎向撓度也隨著夾角α的增大而變大，可見隨著夾角α的增大倒梯形移動反拱平臺的剛度也同樣不斷降低。

4 成本分析

對于橋梁施工來說，保證橋梁工程的質量是非常重要的，同時做好橋梁工程的成本控制也是非常重要的。施工成本主要包括鋼材用量、人力與機械成本。現以上述3聯匝道橋實際工程為依托，對鋼管支架和移動反拱平臺兩種施工方案的施工成本進行對比分析。

在鋼材用量方面，鋼管支架的鋼材用量成本為1100.1741萬元，移動反拱平臺的鋼材用量成本為1157.8197萬元，移動反拱平臺相比鋼管支架鋼材用量成本增加57.6456萬元，這是因為移動反拱平臺的組成部分特制貝雷片價格偏高的原因。在人力與機械方面，鋼管支架的人力與機械成本為1266.1988萬元，移動反拱平臺的人力與機械成本為482.1235萬元，移動反拱平臺相比鋼管支架在人力與機械成本上減少784.0753萬元。綜上所述，移動反拱平臺比鋼管支架在鋼材用量、人力及機械成本上總節約726.4297萬元。

5 結論

以蘭海高速公路重慶至遵義段松坎互通立交F、G匝道橋為例，采用有限元分析軟件Midas/Civil建立了鋼管支架和移動反拱平臺的有限元模型，得出的主要結論如下：

（1）從結構受力角度分析，通過對鋼管支架和不同形式承重桿系下的移動反拱平臺進行類型比選，結果表明鋼管支架和倒梯形移動反拱平臺在強度和剛度穩定性方面各具優勢，初步得選出倒梯形移動反拱平臺是本工程現澆施工的最佳方案。

（2）通過進一步對倒梯形移動反拱平臺設計方案進行優化，改變斜拉桿與主桁梁之間的夾角α可以影響移動反拱平臺的穩定性，當夾角α在30°～60°范圍內時，倒梯形移動反拱平臺的強度和剛度隨著斜拉桿與主桁梁之間的夾角α增大而減小。

（3）從施工成本角度分析，在本實際工程中，采用倒梯形移動反拱平臺相比于鋼管支架在鋼材用量、人力以及機械成本上總節約726.5萬元。