錨碇異形支墩上0.#塊支架設(shè)計(jì)分析

摘要：龍門(mén)大橋跨越東錨碇上方的引橋上部結(jié)構(gòu)為變截面連續(xù)剛構(gòu)橋，采用掛籃懸臂法施工。文章針對(duì)錨碇異形支墩上的0.#塊施工難點(diǎn)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出適用于異形支墩上的0.#塊支架，并采用MidasCivil有限元軟件對(duì)支架進(jìn)行受力分析，以驗(yàn)證支架滿(mǎn)足承載要求。

關(guān)鍵詞：異形支墩；支架設(shè)計(jì)；托架；有限元計(jì)算

中圖分類(lèi)號(hào)：U445.4" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.037

文章編號(hào)：1673-4874（2024）11-0122-03

0引言

在地錨式懸索橋設(shè)計(jì)中，錨碇一般位于過(guò)渡墩后方的引橋投影下方。對(duì)于跨越錨碇上方的引橋上部結(jié)構(gòu)，多采用等截面連續(xù)箱梁的形式，采用變截面連續(xù)剛構(gòu)橋上構(gòu)跨越錨碇的方式較少。龍門(mén)大橋東錨碇為半海半島區(qū)域，受航道規(guī)劃影響，錨碇上方引橋上部結(jié)構(gòu)為連續(xù)剛構(gòu)橋，在錨碇后支墩位置需進(jìn)行0.#塊施工。錨碇支墩為不對(duì)稱(chēng)類(lèi)四棱柱形狀，難以進(jìn)行落地支架施工，故需設(shè)計(jì)可行的錨碇支墩上0.#塊支架，保證施工過(guò)程的安全。

1工程概況

龍門(mén)大橋?yàn)閺V西濱海公路的控制性卡點(diǎn)工程，項(xiàng)目全長(zhǎng)7.637km，主橋?yàn)閱慰?098m懸索橋。東錨碇散索鞍支墩往大樁號(hào)方向的上部結(jié)構(gòu)為東引橋第二聯(lián)，采用變截面連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)。52.#墩處為連續(xù)剛構(gòu)橋0.#塊，0.#塊截面為斜腹板單箱單室箱型截面，順橋向共長(zhǎng)10m，其中橫梁處實(shí)心段長(zhǎng)3m，實(shí)心段設(shè)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(shè)計(jì)為整體，其斷面為下寬上窄的四邊形，整體設(shè)計(jì)為類(lèi)四棱柱造型。由于引橋第二聯(lián)路線(xiàn)位于平曲線(xiàn)緩和曲線(xiàn)段，故錨碇支墩在斷面上為非對(duì)稱(chēng)的右傾式設(shè)計(jì)。支墩上0.#塊設(shè)計(jì)圖如圖1、圖2所示。

2支架設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析

2.1傳統(tǒng)鋼管支架設(shè)計(jì)難點(diǎn)

一般在0.#塊施工中，對(duì)于場(chǎng)地條件較好的情況，可采用鋼管支架或鷹架的方式進(jìn)行0.#塊施工。在傳統(tǒng)鋼管支架搭設(shè)前，需進(jìn)行支架擴(kuò)大基礎(chǔ)澆筑，但對(duì)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(kuò)大基礎(chǔ)，從而影響鋼管樁搭設(shè)。

2.2裝配式托架設(shè)計(jì)難點(diǎn)

在龍門(mén)大橋東引橋其他墩位的0.#塊施工中，由于墩頂處花瓶口設(shè)計(jì)尺寸一致，故應(yīng)用了裝配式托架進(jìn)行施工，裝配式0.#塊托架包括預(yù)埋牛腿、對(duì)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(duì)于裝配式托架，應(yīng)用于異形支墩上存在若干難點(diǎn)：

（1）裝配式托架架體結(jié)構(gòu)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(wú)法實(shí)現(xiàn)。這將導(dǎo)致托架下的牛腿懸臂長(zhǎng)度過(guò)大，不利于牛腿受力。

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

（3）錨碇異形支墩的平面尺寸大，順橋向長(zhǎng)度達(dá)到預(yù)留管道長(zhǎng)度時(shí)再進(jìn)行精軋螺紋鋼對(duì)拉安裝較難實(shí)現(xiàn)，故需其他方式對(duì)精軋螺紋鋼進(jìn)行固定，保證托架上方抗拉拔力滿(mǎn)足要求。

3支架設(shè)計(jì)

3.1荷載計(jì)算

0.#塊實(shí)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(xiàn)性變化截面面積計(jì)算示意圖如圖3所示。

3.2托架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

針對(duì)異形支墩不同斜面角度，托架基礎(chǔ)主要分為托架下牛腿或下預(yù)埋鋼板、上錨固精軋螺紋鋼。下口基礎(chǔ)采用鋼牛腿或預(yù)埋鋼板的形式，在仰斜面處采用鋼牛腿設(shè)計(jì)，鋼牛腿采用2塊4cm厚鋼板插入支墩預(yù)留鐵盒內(nèi)，避免破壞支墩主筋；在俯斜面采用預(yù)埋鋼板設(shè)計(jì)，預(yù)埋鋼板下表面焊接鋼板保證預(yù)埋件錨固力；上口基礎(chǔ)采用32mm精軋螺紋鋼錨固，將精軋螺紋鋼錨固端設(shè)于支墩混凝土內(nèi)，并配置相應(yīng)錨固端螺旋筋，以保證支架的水平拉力滿(mǎn)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(gòu)造托架，主托架主要承載腹板范圍內(nèi)荷載，副托架主要承載翼板荷載，構(gòu)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(gòu)件采用雙拼I25a工字鋼。對(duì)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(zhǎng)度；對(duì)于俯斜面主托架，采用L型托架，立柱落在斜面預(yù)埋鋼板上，無(wú)須設(shè)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(shè)計(jì)圖如圖4、圖5所示。

4支架驗(yàn)算

4.1支架整體模擬驗(yàn)算

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，對(duì)異形支墩上0.#塊支架進(jìn)行整體建模驗(yàn)算，驗(yàn)算采用MidasCivil有限元分析軟件。各桿件采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。因左右幅結(jié)構(gòu)為中心對(duì)稱(chēng)，故取單幅支架模型進(jìn)行驗(yàn)算。

對(duì)于邊界條件設(shè)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(yù)埋位置采用一般支承的邊界條件進(jìn)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(jìn)行全約束。

驗(yàn)算內(nèi)容為構(gòu)件的剪切應(yīng)力、組合應(yīng)力、整體變形量以及整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性2。模擬驗(yàn)算模型如圖6所示。

4.2支架驗(yàn)算荷載組合

對(duì)支架工作工況進(jìn)行模擬，荷載組合為0.#塊一次澆筑混凝土?xí)r的受力情況，荷載類(lèi)型包含支架結(jié)構(gòu)自重、施工荷載、模板荷載、鋼筋混凝土荷載，采用容許應(yīng)力極限狀態(tài)法進(jìn)行計(jì)算，荷載組合系數(shù)為1.0×支架結(jié)構(gòu)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(yàn)算結(jié)果

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

經(jīng)有限元分析軟件驗(yàn)算，得出驗(yàn)算結(jié)果匯總?cè)缦马?yè)表1所示。驗(yàn)算結(jié)果顯示0.#塊支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度滿(mǎn)足要求。

4.4支架上口精軋螺紋鋼驗(yàn)算

根據(jù)整體建模計(jì)算結(jié)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(yīng)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(jì)算：?jiǎn)胃埪菁y鋼應(yīng)力為310000N×1.1÷4÷803.84mm.2=106.05MPa，安全系數(shù)為785÷106.05=7.4。滿(mǎn)足施工安全規(guī)程中精軋螺紋鋼安全系數(shù)≥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(jì)算：?jiǎn)胃埪菁y鋼應(yīng)力為171000N×1.1÷2÷803.84mm.2=116.99MPa，安全系數(shù)為785÷116.99=6.7，滿(mǎn)足施工安全規(guī)程中精軋螺紋鋼安全系數(shù)≥4的要求。

4.5支架下預(yù)埋鋼板驗(yàn)算

支架下預(yù)埋鋼板驗(yàn)算內(nèi)容主要包括下表面加強(qiáng)鋼板剪應(yīng)力、鋼板焊縫剪應(yīng)力、立柱焊縫剪應(yīng)力三個(gè)部分。

根據(jù)整體建模計(jì)算結(jié)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(yù)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(qiáng)，預(yù)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(yīng)力按規(guī)范取160MPa。

對(duì)于下表面加強(qiáng)鋼板，剪應(yīng)力τ=FsnA=118.7×10.33×500÷COS（40.7°）×30=3.5MPa＜125MPa，下表面加強(qiáng)鋼板剪應(yīng)力滿(mǎn)足要求。

對(duì)于下表面加強(qiáng)鋼板焊縫，剪應(yīng)力τ=Fsnlhf=118.7×10.33×500÷COS（40.7°）×10=10.4MPa＜160MPa，加強(qiáng)鋼板焊縫剪應(yīng)力滿(mǎn)足要求。

對(duì)于托架立柱焊縫，剪應(yīng)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(yīng)力滿(mǎn)足要求。

5結(jié)語(yǔ)

本文介紹了適用于龍門(mén)大橋東錨碇異形支墩上0.#塊的支架設(shè)計(jì)方案。依托現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際異形支墩結(jié)構(gòu)，分析傳統(tǒng)鋼管支架及裝配式托架應(yīng)用的難點(diǎn)。根據(jù)異形支墩結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)適用于不同斜面的托架基礎(chǔ)及托架架體形式。采用MidasCivil軟件進(jìn)行支架整體模擬驗(yàn)算，驗(yàn)證支架的強(qiáng)度及剛度滿(mǎn)足施工要求。由模擬驗(yàn)算結(jié)果進(jìn)一步對(duì)支架的托架上口及下口基礎(chǔ)構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)證支架的托架基礎(chǔ)受力滿(mǎn)足施工要求。目前，龍門(mén)大橋東引橋上部結(jié)構(gòu)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(lèi)似項(xiàng)目提供借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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2梁艷，李斌，連德攀，等.某連續(xù)剛構(gòu)橋0#塊支架方案選型及設(shè)計(jì)J.四川建筑，2020，40（5）：218-221.

作者簡(jiǎn)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