大跨懸索橋橋塔橫梁支架受力性能及加固優化分析

摘要 橋塔橫梁支架作為大跨度懸索橋的重要組成部分，其承載能力和穩定性對整體結構的安全運行至關重要。文章以某大跨度懸索橋的下橫梁為研究對象，首先在Midas Civil建立模型的基礎上，對下橫梁支架強度、剛度、穩定性進行有限元分析研究，然后提出了針對支架不同部位的多種加固方案，涵蓋了橫梁、腹桿等不同位置，最后對加固方案進行了系統研究。研究結果表明，不同部位的加固方案在提高支架穩定性和承載能力方面表現出差異性，可為后續橫梁施工設計提供借鑒參考。

關鍵詞 大跨度懸索橋；Midas Civil；支架加固；強度；剛度

中圖分類號 U445 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）17-0165-03

0 引言

主塔是斜拉橋和懸索橋的標志性結構元素，具有多種形式，如H形、A形、鉆石形等。下橫梁是主塔結構的重要組成部分，其主要功能包括平衡主塔兩側的水平力和連接主塔的雙塔肢，以提高主塔結構的穩定性。隨著橋梁跨度的增加，下橫梁的體積也在逐漸增大。此外，為實現橋梁結構的強度和美觀的完美結合，許多專家對下橫梁的施工進行了研究[1-4]。

針對大體量的下橫梁施工難題，該文以某特大橋為工程背景，旨在對支架本身的不同部位進行加固，通過使用Midas Civil軟件對支架進行有限元分析，根據強度和剛度是否符合其要求，以應力大小作為優化結果的評價標準，以確保施工安全。通過該文的研究，以期為其他同類型工程施工方案的制定提供一定的借鑒。

1 工程概況

某特大橋位于跨兩河路水庫，其主橋為650 m雙塔單跨雙邊箱組合梁懸索橋，主纜分跨為120 m+650 m+115 m，兩岸錯錠均為隧道錨。左岸引橋為3×19 m的現澆鋼筋混凝土連續箱梁，右岸引橋為2×20 m為現澆鋼筋混凝土連續箱梁，橋梁全長748.06 m。橋址區山高谷深，溝壑縱橫，為構造侵蝕的高山地貌，地形條件復雜。擬建橋梁跨越某江兩河口岸區，地勢起伏大，相對高差大于200 m。

索塔截面采用箱形截面。索塔設置上下兩道橫梁。索塔由塔座、塔柱、橫梁及塔冠形成鋼筋混凝土的支架結構。下橫梁采用單箱單室矩形截面，高6 m、頂寬5 m、腹板厚0.9 m、頂底板厚0.9 m。支架布置如圖1所示：

圖1 下橫梁現澆支架布置圖

2 下橫梁有限元模型

為研究主塔下橫梁中支架的力學性能，采用Midas Civil有限元分析軟件，建立下橫梁支架模型，按彈性法進行分析。采用梁單元對牛腿、橫梁、縱向分配梁、支撐架、次分配梁進行模擬，根據實際情況設置相應的邊界條件，考慮結構自重和施工荷載等因素進行計算分析，通過后處理觀察、提取結構構件的應力、變形，進行強度、剛度和穩定性驗算。

2.1 有限元模型建立

下橫梁支架采用牛腿支架結構形式，由下至上依次為I45b和I56b牛腿、2HN450×160橫向分配梁、支撐架、貝雷架、I10縱向分配梁。縱向分配梁上鋪設橫向支撐方木，橫向木枋間距為250 mm，方木上鋪設12 mm的竹膠板作為頂板底模。

下橫梁支架中的縱向分配梁、支撐架、牛腿、貝雷梁采用Q235鋼材，貝雷梁花窗部分采用Q345鋼材。各鋼材的材料特性參數如表1所示：

整個架體采用梁單元創建。牛腿處為固結邊界，所有牛腿處施加DX/DY/DZ方向的位移約束邊界條件，其余結構之間的連接采用彈性連接中的剛接，包括牛腿與橫梁、橫梁與貝雷架、縱向分配梁與支撐架、縱向分配梁與貝雷架、支撐架與方木。下橫梁支架的有限元模型如圖2所示，添加邊界條件后的模型如圖3所示。

2.2 荷載工況定義

作用在下橫梁支架上的荷載分為架體自重荷載F1（程序自動加載）、混凝土澆筑荷載F2（面積分配法）、施工人員、機具荷載、模板荷載和振搗荷載F3（取4.5 kN/m2 ），以及風荷載（取0.827 5 kN/m2 ）。荷載組合取值如表2、表3所示。

2.3 支架強度有限元分析結果

按《鋼結構設計標準》（GB 50017—2017）第4.4.1條規定：鋼材的設計用強度指標，應根據鋼材牌號、厚度或直徑采用表4所示的設計值。

對整體支架組合應力和剪力進行有限元分析，在最不利荷載組合作用下，整體支架的最大組合應力如圖4所示，其最值為?531.3 MPa（壓應力）位于貝雷架處，其組合應力值遠大于310.00 MPa；整體支架最大剪應力如圖5所示，其最值為?162.3 MPa（壓應力）位于橫梁處，不滿足剪力小于125 MPa的要求。因此，需對支架進行加固。

3 不同支架加固對比

3.1 增加橫梁

在處理貝雷架上豎桿應力值超過設計要求的問題時，采取在牛腿與貝雷架的連接處引入四個額外的分配梁，分別位于左右兩側。這一設計的目的是通過增加貝雷架與牛腿之間的受力面積，有效地分散并緩解豎桿的應力集中問題。

這四個分配梁的作用是在貝雷架上承擔一部分豎向受力，從而減輕豎桿的負擔。通過增加受力面積，系統在承受外部壓力時能夠更均勻地傳遞負荷，降低了豎桿所承受的局部應力。這種優化設計有助于提高整體結構的穩定性和耐久性，同時確保貝雷架在實際使用中能夠滿足安全和性能要求。

在牛腿與貝雷架中增加四個分配梁（左右各兩個），其整體支架的最大組合應力如圖6所示，其最值為?330.3 MPa（壓應力）位于貝雷架處，雖然對比原模型的?532.5 MPa降低了37.9%，但其組合應力仍比要求的310 MPa大；整體支架最大剪應力如圖7所示，其最值為?131.7 MPa（壓應力）位于貝雷架處，不滿足剪力小于125 MPa的要求。

3.2 加強腹桿

應力最大值總是出現在貝雷架的腹桿處，可對腹桿進行剛度加強，即在工字鋼兩側連接兩塊鋼板，其整體支架的組合應力如圖8所示，其最值為?262.5 MPa（壓應力）位于貝雷架處，其組合應力小于要求的310 MPa；整體支架的最大剪應力如圖9所示，其最值為?126.1 MPa（壓應力）位于貝雷架處，其組合應力小于要求的180 MPa。

整體支架滿足條件后，對牛腿、橫梁、貝雷架、分配梁、支撐架進行單獨的組合應力及剪力分析，均滿足規范要求。

4 總結

該研究以某特大橋下橫梁為研究對象，對支架加固優化的方法進行分析，采用Midas Civil有限元軟件建立了整體支架的三維有限元模型，以強度為例進行了詳細的分析驗算，得出以下結論：

（1）對于貝雷架上豎桿應力值超過設計要求的問題，在牛腿與貝雷架中增加了四個分配梁（左右各兩個）。通過增大貝雷架與牛腿之間的受力面積，可以減小貝雷架豎桿之間的應力。

（2）對于貝雷架腹桿內部應力值超過設計要求的問題，對腹桿進行增強。腹桿采用工字鋼的同時，在工字鋼兩側連接兩塊鋼板，用以增強腹桿剛度。

參考文獻

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