大跨度斜拉橋主塔下橫梁支架結構設計與計算

摘要 文章依托G4216線宜金高速公路新市金沙江特大橋，根據主塔下橫梁的特殊性采用“高懸空+落地式+無立面斜撐”組合式K形支架分兩次澆筑施工，首先通過理論計算初步配置支架桿的型號及對應數量，然后采用Midas Civil進行仿真分析，驗證整體支架的強度、剛度及穩定性。研究結果表明，應重點考慮第二次澆筑混凝土荷載由第一次澆筑混凝土與下橫梁支架共同承受，通過下橫梁支架與第一次澆筑下橫梁的剛度比確定第二次澆筑混凝土的附加力，較常規整個下橫梁自重荷載的加載方式能夠獲得較好的經濟效益，可為類似建設工程提供施工經驗及參考價值。

關鍵詞 斜拉橋；主塔下橫梁；懸空托架；Midas Civil仿真計算

中圖分類號 U445 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）17-0152-03

0 引言

隨著我國基建事業的快速發展，橋梁跨越大江、峽谷、大河、海灣等地區已成為常態，斜拉橋優勢顯著，而主塔作為核心受力構件之一，其施工質量決定了橋梁的結構穩定性。主塔下橫梁作為行車支撐面，截面尺寸大、承載力高、橫梁與主塔整體性質量要求高，混凝土澆筑體量大、自重大，全是高空作業，施工作業困難，因此主塔下橫梁施工成為施工的關鍵之一。傳統主塔下橫梁支架施工采用落地式支架，材料用量大、費用較高，增加了施工成本，且經濟性不強。通過對下橫梁的結構分析，采用高懸空“K”形支架施工，對其可行性進行研究以及施工總結，提出了該支架施工的關鍵技術要點，確保了主塔下橫梁的順利施工。

1 工程概況

新市金沙江大橋雙塔雙索面鋼桁梁斜拉橋橋跨布置為3×30 m+（340+680+340） m+16×30 m，橋梁全長1 867 m，主橋長1 288 m，橋面寬度為25.5 m；寶瓶形主塔采用C50鋼筋混凝土結構，5#主塔高290.16 m，6#主塔高297.51 m（四川省內排名第一），下橫梁長33 m，寬9 m，高8 m，空心結構[1]，全橋及主塔效果如圖1所示：

2 支架結構設計

2.1 主要荷載

（1）C50鋼筋混凝土自重：26.5 kN/m3；

（2）鋼模板自重：2.5 kN/m2；

（3）混凝土振搗荷載：2.0 kN/m2；

（4）設備及人員荷載：2.5 kN/m2；

（5）風荷載：根據《公路橋梁抗風設計規范》（JTG/T 3360—01—2018）[2]，按如下公式計算：

FH=1 2ρU2 gCHH （1）

Ug=GVUd （2）

Ud=KfKtKhU10 （3）

式中，ρ——空氣密度（kg/m3），取為1.25；CH——主梁的橫向力系數；H——主梁投影高度（m），支架搞按H=118m考慮；Ug——靜陣風風速（m/s）；GV——靜陣風系數，地表類別為A，取GV=1.28；Ud——高度Z處的設計基準風速（m/s）；Kh——風速高度變化修正系數，地表類別為A，取Kh=1.58；Kf——抗風風險系數，U10=3.27m/s>32.6m/s，R1風險區域，Kf=1.05；Kt——地形條件系數，取Kt=1.0；U10——基本風速（m/s）。

2.2 荷載組合

荷載組合如表1所示：

2.3 貝雷梁排數及鋼管立柱根數確定

單層單排（S.S.）貝雷梁的幾何特性及容許內力[3]如表2所示：

初步按4跨（5.5 m+2×9 m+5.5 m）剪支梁設計，按最不利工況荷載計算：

（1）C50鋼筋混凝土第一次澆筑荷載：5.5 m×9 m×26.5 kN/m3=1 311.8 kN/m；

（2）鋼模板荷載：5.5m×2×2.5 kN/m2=27.5 kN/m；

（3）混凝土振搗荷載：9 m×2.0 kN/m2=18.0 kN/m；

（4）設備及人員荷載：9 m×2.5 kN/m2=22.5 kN/m；

（5）C50鋼筋混凝土第二次澆筑按第一次混凝土澆筑荷載的15%考慮（后期建立整體模型后，再根據剛度比按實際情況加載）：1 311.8 kN/m×0.15=196.8 kN/m。

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

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

按以上荷載加載，如圖2所示，得出最大剪力、彎矩和支座反力分別為6 517.2 kN，5 340.3 kN·m和8 772.8 kN。

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

鋼管立柱根數：8 772 800 N/29 807 mm2/[215 MPa×（0.5～0.6）]=2.7根，再考慮桿件長細比的折減系數及風荷載產生的彎矩，每排取4根。

2.4 支架構造

高懸空支架主要由預埋支撐件和鋼板、下部型鋼或鋼管構成的桁架支撐體系、承重梁、卸落裝置、分配梁等組成，兩側為三角托架式，中間為落地式。下橫梁支架立桿平面布置3根（順橋向）×4根（橫橋向），設三道附墻水平橫聯，貝雷梁布置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。下橫梁支架立面布置如圖3所示，主要材料如表3所示。

3 支架計算

3.1 荷載計算

支架鋼結構自重按實際構件重量1.05倍取值。

工作狀態（6級風）：

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

Ug=GVUd=1.28×22.9=29.3 m/s

非工作狀態（10級風）：

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

Ug=GVUd=1.28×47.1=60.3 m/s

貝雷梁迎風面積按全斷面考慮，單片貝雷片迎風面積為1.2 m2，橫橋向中間按10片貝雷計，總面積為12 m2；橫橋向兩端各按1片貝雷計，風載阻力系數CH=1.3，則6級風時貝雷梁風壓FH/H=1 2ρU2 gCHH=1 2×1.25×

29.32×1.3=0.7（kPa）；10級風時風壓FH/H=1 2ρU2 gCHH=

1 2×1.25×60.32×1.3=3.0（kPa），相應構件所受風荷載的計算結果如表4所示：

第一次澆筑完成后，張拉下橫梁的鋼絞線，張拉100%設計荷載，此時混凝土最大拉應力為1.5 MPa<1.83 MPa[4]，最大壓應力為1.3 MPa<22.4 MPa，不會出現混凝土開裂現象，然后澆筑剩余部分的下橫梁，第一次澆筑的支架位移為15.0 mm，第二次澆筑的位移為1.1 mm。

第二次澆筑混凝土荷載由第一次澆筑的下橫梁與下橫梁支架共同承受[5-6]，建立模型進行分析得到：下橫梁支架跨中的最大位移為15.0 mm，第二次下橫梁的最大位移為1.1 mm，故在第二次澆筑混凝土時，下橫梁支架承受二次澆筑的附加荷載為1 689 t×1.1/（1.1+15.0）=115.4 t，按均布面荷載3.9 kN/m2加載于底模系統。

3.2 計算成果

用Midas Civil 2021建立的模型如圖4所示，分配梁與鋼管間采用鉸接進行連接，即上層分配梁不傳遞彎矩至下層分配梁，模型邊界也如圖4所示。

將工況Ⅰ、工況Ⅱ進行包絡計算，得到貝雷梁的計算結果如表5所示，型鋼強度、剛度計算結果如表6所示，受壓桿件穩定性計算結果如表7所示。

4 結語

經計算，主塔下橫梁采用“高懸空+落地式+無立面斜撐”的組合式支架體系，承載能力強，支架結構強度、剛度、穩定性均滿足受力要求。預埋件采用成品加工件，連接質量有保障，材料組裝方便，安裝與拆除速度快，周轉性強。支架設計時相對于采用整個橫梁自重，該文充分考慮第一次已澆筑混凝土張拉后與支架共同承擔第二次澆筑混凝土的自重，在混凝土不發生開裂情況下大幅度減少了支架材料用量，經濟效益顯著。

參考文獻

[1]四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司.四川新市金沙江大橋施工圖[Z].成都，2020.

[2]公路橋梁抗風設計規范：JTG/T 3360—01—2018[S].北京：人民交通出版社，2019.

[3]黃紹金，劉陌生.裝配式公路鋼橋多用途使用手冊[M].北京：人民交通出版社，2001.

[4]混凝土結構設計規范：GB 50010—2010[S].北京：中國建筑工業出版社，2015.

[5]張德致，張敏，代皓，等.黃岡公鐵兩用長江大橋橋塔上橫梁施工技術[J].橋梁建設，2013（3）：5-10.

[6]裴賓嘉，聶東，楊明，等.荊岳長江公路大橋北索塔下橫梁的支架設計與計算[J].公路，2009（11）：61-66.

[7]鋼結構設計標準：GB 50017—2017[S].北京：中國建筑工業出版社，2017.