龍門大橋東錨體橫梁支架設計分析

摘"要：文章以龍門大橋東錨體橫梁為例，針對東錨體橫梁澆筑方量大、橫梁截面不規則難以支撐等難題，對比鋼管落地支架方案和托架方案的特點，確定支架總體方案。通過錨體橫梁荷載分布確定鋼管布置間距及橫梁兩端牛腿形式，完成支架下部結構設計；針對錨體橫梁多邊形截面形式，設計斜面支撐體系，完成支架上部結構支撐設計；采用有限元軟件Midas Civil驗算錨體橫梁支架的承載力與穩定性，保證支架實施的可行性。

關鍵詞：錨體橫梁；支架設計；有限元計算

中圖分類號：U443.24A421443

0 引言

錨體橫梁是聯系左右幅散索鞍、增強錨體整體結構穩定性的重要結構，起到支撐引橋上構箱梁的作用。一般在兩側散索鞍前錨室側墻完成后進行錨體橫梁的施工，錨體橫梁多采用落地支架作為荷載支撐體系。在目前建成的懸索橋中，錨體橫梁的截面形式均不一致，荷載分布也不盡相同，故本文以龍門大橋東錨體橫梁為例進行設計驗算，以確定支架施工總體方案。

1 龍門大橋東錨體橫梁概況

龍門大橋東錨碇錨體從功能、受力、施工等方面可分為錨塊、散索鞍支墩、前錨室、后錨室、橫梁等部分，錨體三維構造如圖1所示。橫梁為預應力混凝土結構，長度為46.2 m，橫截面為薄壁空腔多邊形，水平寬度為11.66 m，豎直高度為10.43 m，壁厚均為1 m，底面及中間腹板處布置有預應力束，錨體橫梁三維構造如圖2所示。

2 支架方案確定與荷載計算

2.1 支架方案確定

對于較大尺寸的橫梁支架設計，主要影響因素有橫梁跨度及截面尺寸、施工作業高度、附近既有結構物影響［1］。在國內的主塔橫梁及錨體橫梁施工中，橫梁支架的設計形式主要有大鋼管落地支架、牛腿托架、牛腿桁架片等。

龍門大橋東錨體橫梁結構重約2 865 t，分3層進行澆筑，但橫梁內預應力在全部混凝土澆筑完成后施工，故橫梁支架需承受錨體橫梁全部的混凝土荷載，支架承載力要求高。

若采用牛腿托架或桁架片的形式，通常將其設計得較為龐大，需要更大吊重的機械設備進行施工。錨體前錨室為往散索鞍處收攏的異形結構，托架及桁架片需設計成適應錨體前錨室的結構形狀。此外，錨體前錨室側墻厚度較小（1 m），若僅依靠托架牛腿進行支撐，牛腿處的集中力較大，對混凝土局部承壓不利［2］，會對前錨室側墻結構帶來不利影響。

綜合以上分析，采用牛腿托架及桁架片的支架形式，存在吊裝設備要求高、托架設計難、混凝土局部承壓不利等弊端，故在龍門大橋東錨體橫梁采用大鋼管落地支架進行施工，在橫梁兩端設置牛腿進行支撐。

2.2 荷載計算

荷載計算采用線荷載計算方式，取錨體橫梁底緣輪廓，以錨體橫梁橫截面厚度變化點為劃分依據，計算各變化點的混凝土線荷載大小。以平行錨體橫梁截面方向為橫向，以垂直錨體橫梁截面方向為縱向。錨體橫梁橫向荷載分布如圖3所示。

3 錨體橫梁支架設計

錨體橫梁支架采用大鋼管落地支架，支架分下部結構與上部結構。下部結構主要包括擴大基礎或牛腿、鋼管立柱、主橫梁、楔形塊、主縱梁，上部結構主要包括分配梁及外腹板桁架片。

3.1 支架下部結構設計

東錨體橫梁截面為不規則的單向雙室多邊形形狀，橫向荷載分布主要集中在橫梁底板及中腹板區域，此區域混凝土厚度為4.5～10.43 m。故主縱梁及鋼管的橫向布置間距需在橫梁底板和中腹板范圍內加密。

考慮橫梁截面的構造，底板及中腹板區域的主縱梁布置間距為0.38～1.0 m，如圖4所示。

鋼管支架立柱采用630 mm×10 mm鋼管，橫向布置6排，每排為4根。鑒于橫梁橫向荷載分布，將鋼管立柱橫向間距在橫梁底板、中腹板處進行加密，邊腹板位置鋼管橫向間距為2.5 m，底板及中腹板處鋼管橫向間距加密至1.5 m。支架的縱向荷載分布一致，故鋼管縱向采用等間距4.0 m布置。鋼管支架聯系采用雙拼25a槽鋼進行搭設。

鋼管立柱基礎均落在錨體錨塊第一層混凝土上，采用在錨塊第一層混凝土頂面安裝預埋鋼板作為鋼管立柱基礎。

在錨體與錨體前錨室相交端頭處，由于錨體為異形結構導致鋼管立柱安裝受限，鋼管立柱無法施工擴大基礎。故在錨體前錨室側面采用預埋盒及鋼牛腿設計，鋼牛腿采用3塊3 cm厚鋼板焊接組成。

鋼牛腿長1.2 m，插入前錨室側墻的預埋盒內，錨固深度取70 cm，驗證鋼牛腿處局部承壓截面尺寸是否滿足要求。根據規范，配置間接鋼筋的混凝土構件，其局部受壓區的截面尺寸應滿足下列要求［3］：

γ0Fld≤1.3ηsβfcdAln（1）

β=AbAl（2）

將相應參數代入式（1）、式（2）進行計算，得1.3ηsβfcdAln=1.3×1.0×1.36×18.4×63 000=2 049.5 kN＞γ0Fld=1.1×712.9=784.2 kN，混凝土局部承壓截面尺寸滿足要求。

在鋼牛腿上安裝主橫梁及主縱梁，在錨體橫梁兩端處的主橫梁緊貼前錨室側墻進行安裝，防止鋼牛腿出現較長懸臂而導致結構承載力超限。錨體橫梁支架下部結構平面、立面見圖5、圖6。

3.2 支架上部結構設計

針對橫梁截面的多邊形設計，需對錨體橫梁外腹板斜面支架進行設計。常規外腹板斜面多采用盤扣支架進行滿堂支架搭設，但對于錨體橫梁施工，盤扣支架存在如下弊端：

（1）盤扣支架立桿的承載力有限，而錨體橫梁外腹板截面混凝土高度較大，若采用盤扣支架，支架立桿的布置間距將會非常密，不僅浪費材料而且不便于施工。

（2）盤扣支架主要承載豎向荷載，對于水平荷載的承載能力較差，需要采取較多措施加強盤扣支架的整體水平剛度。

（3）盤扣支架頂部頂托進行斜面模板安裝較為繁瑣，施工過程需耗費較多的人工成本。

綜合上述因素考慮，在錨體橫梁外腹板斜面采用桁架片作為支撐。

在支架主縱梁上設置Ⅰ25工字鋼分配梁，間距75 cm。采用在Ⅰ25分配梁上焊接型鋼及鋼管加工成桁架片的形式，桁架片可作為底板及外腹板的支撐［4］。

桁架片底部橫梁為Ⅰ25工字鋼，豎桿及斜杠為219 mm鋼管，頂層橫桿為140 mm鋼管。桁架片間橫向聯系采用C10槽鋼。桁架片各節點設計位于主縱梁上，承載剛度性能更好，桁架片設計如圖7所示。桁架片于后場預制加工，在現場按間距安裝完成后即可進行模板系統施工，施工效率大幅提升。

4 錨體橫梁支架驗算

4.1 支架有限元分析驗算

通過Midas Civil軟件對東錨體橫梁支架進行建模并分析計算，計算模型如圖8所示。模型建立完成后，結合計算得到的線荷載與桁架片布置間距，在桁架片對應位置添加混凝土荷載及施工荷載等。

基于結構承載能力極限狀態原理，對東錨體橫梁支架進行組合驗算，如表1所示為支架下部結構（包括630 mm鋼管、主橫梁、主縱梁、鋼管聯系、牛腿）驗算結果，如表2所示為支架上部結構（包括分配梁、桁架片各構件）及整體變形驗算結果。

支架整體最大位移為10.685 mm，澆筑跨度為5 m，根據《公路橋涵施工技術規范》（JTG T 3650-2020）相應變形計算要求，支架容許最大位移為5 000/400=12.5 mm，容許最大位移大于最大位移。對比表格中的驗算值與容許值，東錨體橫梁支架結構各構件正應力、剪應力及變形值均滿足要求。

4.2 鋼管立柱局部驗算

對支架鋼管進行單樁穩定性計算，根據有限元模型計算結果，東錨體橫梁支架最大反力為1 536 kN，故支架鋼管最大軸向力為1 536 kN。根據《鋼結構設計標準》（GB 50017-2017），支架鋼管回轉半徑i=113.2、自由長度L=1 500 mm、截面面積A=19 478 mm2，計算得鋼管長細比λ=L/i=13.26，所以鋼管的軸心受壓構件穩定系數ψ=1.02-0.55×（（λ+20）/100）2=0.959。

故支架鋼管容許壓力：［N］=0.5×ψ×A×［σ］=0.5×0.959×19 478×215 MPa=2 008.37 kN，gt;1 536 kN，滿足局部承壓要求。

5 結語

本文以龍門大橋東錨碇橫梁支架為例，對影響橫梁支架設計的因素進行分析，確定采用大鋼管支架作為東錨碇橫梁支撐系統，并進行錨體橫梁荷載分布的計算。通過錨體橫梁荷載的分布，進行支架下部結構設計，并驗算端部鋼牛腿錨固深度滿足要求。通過分析盤扣支架的弊端，采用桁架片形式對橫梁外腹板進行支撐，完成支架上部結構設計。通過Midas Civil軟件進行支架建模驗算，驗證支架各項指標滿足要求，并從有限元模型得出鋼管立柱反力進行局部承壓計算，計算結果滿足規范要求。龍門大橋東錨碇橫梁已采用本文所設計支架施工完成，方案安全可行。參考文獻：

參考文獻：

［1］盧新宇，韋苡松.懸索橋主塔上橫梁支架形式對比分析［J］.西部交通科技，2022，（11）：16-17，68.參考文獻：

［2］劉 鴿，江曉陽，彭 鵬，等.龍潭長江大橋南塔上橫梁支架設計與施工［J］.施工技術（中英文），2023，52（18）：90-94.參考文獻：

［3］JT/G 3362-2018，公路鋼筋混凝土及預應力混凝橋涵設計規范［S］.參考文獻：

［4］李曉平，談 超，彭云涌，等.組合式支架體系在水上現澆箱梁施工中的應用［J］.建筑施工，2016，38（10）：1 404-1 407.20240428