錨碇異形支墩上0.#塊支架設計分析

摘要：龍門大橋跨越東錨碇上方的引橋上部結構為變截面連續剛構橋，采用掛籃懸臂法施工。文章針對錨碇異形支墩上的0.#塊施工難點進行分析，設計出適用于異形支墩上的0.#塊支架，并采用MidasCivil有限元軟件對支架進行受力分析，以驗證支架滿足承載要求。

關鍵詞：異形支墩；支架設計；托架；有限元計算

中圖分類號：U445.4" " " " 文獻標識碼：A" " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.037

文章編號：1673-4874（2024）11-0122-03

0引言

在地錨式懸索橋設計中，錨碇一般位于過渡墩后方的引橋投影下方。對于跨越錨碇上方的引橋上部結構，多采用等截面連續箱梁的形式，采用變截面連續剛構橋上構跨越錨碇的方式較少。龍門大橋東錨碇為半海半島區域，受航道規劃影響，錨碇上方引橋上部結構為連續剛構橋，在錨碇后支墩位置需進行0.#塊施工。錨碇支墩為不對稱類四棱柱形狀，難以進行落地支架施工，故需設計可行的錨碇支墩上0.#塊支架，保證施工過程的安全。

1工程概況

龍門大橋為廣西濱海公路的控制性卡點工程，項目全長7.637km，主橋為單跨1098m懸索橋。東錨碇散索鞍支墩往大樁號方向的上部結構為東引橋第二聯，采用變截面連續剛構橋設計。52.#墩處為連續剛構橋0.#塊，0.#塊截面為斜腹板單箱單室箱型截面，順橋向共長10m，其中橫梁處實心段長3m，實心段設有100cm×160cm人洞通道。

0.#塊下方墩身為錨碇錨塊上的后支墩，后支墩與錨碇錨塊設計為整體，其斷面為下寬上窄的四邊形，整體設計為類四棱柱造型。由于引橋第二聯路線位于平曲線緩和曲線段，故錨碇支墩在斷面上為非對稱的右傾式設計。支墩上0.#塊設計圖如圖1、圖2所示。

2支架設計難點分析

2.1傳統鋼管支架設計難點

一般在0.#塊施工中，對于場地條件較好的情況，可采用鋼管支架或鷹架的方式進行0.#塊施工。在傳統鋼管支架搭設前，需進行支架擴大基礎澆筑，但對于錨體異形支墩，支墩順橋向及橫橋向傾角較大，難以施工擴大基礎，從而影響鋼管樁搭設。

2.2裝配式托架設計難點

在龍門大橋東引橋其他墩位的0.#塊施工中，由于墩頂處花瓶口設計尺寸一致，故應用了裝配式托架進行施工，裝配式0.#塊托架包括預埋牛腿、對拉精軋螺紋鋼、主托架、副托架、貝雷梁、工字鋼分配梁等部分1。

對于裝配式托架，應用于異形支墩上存在若干難點：

（1）裝配式托架架體結構外形尺寸是固定的，在普通墩柱處架體可緊貼墩身，但在異形支墩上無法實現。這將導致托架下的牛腿懸臂長度過大，不利于牛腿受力。

（2）異形支墩主橋的側斜面角度小，無法采用貝雷梁對0.#塊懸臂部分進行支撐，需研究其他方式。支墩主橋側為俯斜面，引橋側為仰斜面，故需在仰斜面和俯斜面設置不同的基礎形式，以滿足托架安裝要求。

（3）錨碇異形支墩的平面尺寸大，順橋向長度達到預留管道長度時再進行精軋螺紋鋼對拉安裝較難實現，故需其他方式對精軋螺紋鋼進行固定，保證托架上方抗拉拔力滿足要求。

3支架設計

3.1荷載計算

0.#塊實心段混凝土最大高度4.8m，截取0.#塊截面平均面積，可得分配梁投影面上近似均布荷載，各線性變化截面面積計算示意圖如圖3所示。

3.2托架結構設計

異形支墩上0.#塊支架整體采用托架設計，包括托架基礎、托架架體、工字鋼主橫梁及分配梁。

針對異形支墩不同斜面角度，托架基礎主要分為托架下牛腿或下預埋鋼板、上錨固精軋螺紋鋼。下口基礎采用鋼牛腿或預埋鋼板的形式，在仰斜面處采用鋼牛腿設計，鋼牛腿采用2塊4cm厚鋼板插入支墩預留鐵盒內，避免破壞支墩主筋；在俯斜面采用預埋鋼板設計，預埋鋼板下表面焊接鋼板保證預埋件錨固力；上口基礎采用32mm精軋螺紋鋼錨固，將精軋螺紋鋼錨固端設于支墩混凝土內，并配置相應錨固端螺旋筋，以保證支架的水平拉力滿足要求。

托架架體主要分為順橋向的主托架、橫橋向的副托架、構造托架，主托架主要承載腹板范圍內荷載，副托架主要承載翼板荷載，構造托架主要完善支墩倒角處支架的整體性。托架主梁采用雙拼I40a工字鋼，托架立柱、斜撐等構件采用雙拼I25a工字鋼。對于仰斜面主托架，采用三角形托架，托架立柱與支墩平面平行，以減小托架下口牛腿處懸臂長度；對于俯斜面主托架，采用L型托架，立柱落在斜面預埋鋼板上，無須設置平行支墩墩身的立柱。

因托架頂面與0.#塊底面凈空有限，故在托架上方主橫梁采用I40a工字鋼，分配梁采用I25a工字鋼。異形支墩上0.#塊支架設計圖如圖4、圖5所示。

4支架驗算

4.1支架整體模擬驗算

根據設計圖紙，對異形支墩上0.#塊支架進行整體建模驗算，驗算采用MidasCivil有限元分析軟件。各桿件采用梁單元進行模擬。因左右幅結構為中心對稱，故取單幅支架模型進行驗算。

對于邊界條件設置，各層桿件上下相疊采用剛性連接模擬。上口精軋螺紋鋼及下牛腿預埋位置采用一般支承的邊界條件進行模擬，精軋螺紋鋼處邊界條件約束Dx、Dy，即水平方向上約束，下牛腿于墩柱部分進行全約束。

驗算內容為構件的剪切應力、組合應力、整體變形量以及整體結構穩定性2。模擬驗算模型如圖6所示。

4.2支架驗算荷載組合

對支架工作工況進行模擬，荷載組合為0.#塊一次澆筑混凝土時的受力情況，荷載類型包含支架結構自重、施工荷載、模板荷載、鋼筋混凝土荷載，采用容許應力極限狀態法進行計算，荷載組合系數為1.0×支架結構自重+1.0×鋼筋混凝土荷載+1.0×模板荷載+1.0×施工荷載。

4.3支架驗算結果

支架各構件均采用Q235A鋼材，該材料相應組合應力容許值為145MPa，剪應力容許值為85MPa。支架構件最大跨徑為3500mm，故容許最大變形值為3500/400=8.75mm。

經有限元分析軟件驗算，得出驗算結果匯總如下頁表1所示。驗算結果顯示0.#塊支架結構強度、剛度滿足要求。

4.4支架上口精軋螺紋鋼驗算

根據整體建模計算結果，主托架精軋螺紋鋼的最大拉力為310kN，副托架精軋螺紋鋼的最大拉力為171kN。32mm精軋螺紋鋼凈截面面積為803.84mm.2，容許應力值為785MPa。

主托架上口采用四根精軋螺紋鋼，取最大拉力的110%計算：單根精軋螺紋鋼應力為310000N×1.1÷4÷803.84mm.2=106.05MPa，安全系數為785÷106.05=7.4。滿足施工安全規程中精軋螺紋鋼安全系數≥4的要求。

副托架上口采用兩根精軋螺紋鋼，取最大拉力的110%計算：單根精軋螺紋鋼應力為171000N×1.1÷2÷803.84mm.2=116.99MPa，安全系數為785÷116.99=6.7，滿足施工安全規程中精軋螺紋鋼安全系數≥4的要求。

4.5支架下預埋鋼板驗算

支架下預埋鋼板驗算內容主要包括下表面加強鋼板剪應力、鋼板焊縫剪應力、立柱焊縫剪應力三個部分。

根據整體建模計算結果，俯斜面上托架最大反力為156.6kN，則沿斜面分力為Fs=156.6×cos（40.7°）=118.7kN。預埋鋼板下表面焊接3塊高50cm、厚3cm的鋼板與混凝土錨固加強，預埋鋼板上表面與托架立柱I25a工字鋼焊接連接，焊縫高度取10mm，焊縫容許應力按規范取160MPa。

對于下表面加強鋼板，剪應力τ=FsnA=118.7×10.33×500÷COS（40.7°）×30=3.5MPa＜125MPa，下表面加強鋼板剪應力滿足要求。

對于下表面加強鋼板焊縫，剪應力τ=Fsnlhf=118.7×10.33×500÷COS（40.7°）×10=10.4MPa＜160MPa，加強鋼板焊縫剪應力滿足要求。

對于托架立柱焊縫，剪應力τ=Fsnlhf=118.7×10.32×（116+250）×2÷COS（40.7°）×10=10.7MPa＜160MPa，托架立柱焊縫剪應力滿足要求。

5結語

本文介紹了適用于龍門大橋東錨碇異形支墩上0.#塊的支架設計方案。依托現場實際異形支墩結構，分析傳統鋼管支架及裝配式托架應用的難點。根據異形支墩結構形式，設計適用于不同斜面的托架基礎及托架架體形式。采用MidasCivil軟件進行支架整體模擬驗算，驗證支架的強度及剛度滿足施工要求。由模擬驗算結果進一步對支架的托架上口及下口基礎構件進行驗算，驗證支架的托架基礎受力滿足施工要求。目前，龍門大橋東引橋上部結構已順利完成，錨碇異形支墩上0.#塊按本文方案安全有序施工完成，可為類似項目提供借鑒。

參考文獻：

1馬京，肖益新，駱財華.龍門大橋東引橋0.#塊托架結構設計分析J.西部交通科技，2022（11）：55-58.

2梁艷，李斌，連德攀，等.某連續剛構橋0#塊支架方案選型及設計J.四川建筑，2020，40（5）：218-221.

作者簡介：汪淵（1985—），工程師，研究方向：道路與橋梁施工管理。

收稿日期：2024-05-18