青弋江特大桥边跨现浇段支架结构分析.pdf

低温建筑技术-结构工程Jun.2023 No.300DOI：10.13905/ki.dwjz.2023.6.015青弋江特大桥边跨现浇段支架结构分析ANALYSIS OF THE BRACKET STRUCTURE OF THE CAST-IN-PLACE SECTION OF THE SIDE SPANOF THE QINGYIJIANG GRAND BRIDGE石振洲（安徽省交控建设管理有限公司，合肥 230088）SHI Zhenzhou（Anhui Traffic Control Construction Management Co.,Ltd.,Hefei 230088,China）【摘要】在特大型预应力混凝土连续悬浇梁桥施工阶段，工程面临边跨现浇段长度较大时，常规的托架法施工风险高，容易造成过渡墩存在偏载严重的现象。桥梁支架结构作为承载支撑体系的基础，其稳定性关系到整体桥梁的施工安全，设计强度和承载力对工程质量有较大影响。文中依托青弋江特大桥预应力悬浇梁的施工实例，运用MIDAS CIVIL软件对支架结构立柱、分配梁、横梁及联系杆受力进行了数值模拟计算。结果表明数值计算得出的支架结构各项应力均在设计强度范围之内，均符合施工要求，并在青弋江特大桥工程施工中得到应用。【关键词】边跨现浇段；支架结构；预应力悬挑梁【中图分类号】TU378.2【文献标志码】A【文章编号】1001-6864（2023）6-0064-04Abstract：When the length of the side span cast-in-place section is long during the construction stage of a superlarge prestressed concrete continuous cantilever beam bridge,a significant eccentric load generates in the transitionpier under the traditional bracket method,which has a high construction risk.The stability of the bridge supportstructure is correlated with the overall safety of the bridges construction,which serves as the cornerstone of the bearing support system.Engineering quality is significantly influenced by design strength and bearing capacity.The numerical simulation computation is done using MIDAS CIVIL software.The prestressed cantilever casting beam ofQingyijiang Bridge is studied by the numerical simulation by using MIDAS CIVIL software,where the stress of thesupport structures column,distribution beam,beam,and connecting rod is calculated.The results show that thestress in support structures is within the design strength range,meeting the requirements for construction of the Qingyijiang Bridge.Key words：side span cast-in-place section;support structure;prestressed cantilever beam0引言目前，我国桥梁工程建设发展迅速，其中，跨江、跨海的桥梁建设项目尤为突出。钢梁桥、预应力混凝土梁桥、T型钢结构桥是当今世界桥梁建筑发展的基石。预应力混凝土梁桥已成为当今世界广泛应用的桥型，归结于优异的综合性能、刚度高、承载力大且稳定性强1。受地形复杂的限制，高桥墩需要架设在跨河大桥和山地连续刚构桥上。部分刚构桥边跨现浇段在设计阶段，采用支架法进行大跨度施工，容易加大施工风险，造成工程经济效益低。因此，边跨现浇段的支撑结构体系设计是否合理、结构是否严密、受力分析是否准确，每一环节都至关重要。支撑结构的稳定性主要受分布梁、横梁、托架梁、柱顶柱的刚度以及强度的影响。因此，支护结构的稳定性直接影响着桥梁的建设安全和工程质量。当前，国内外学者针对支架结构颇有研究。林荣光2采用ANSYS软件对东溪特大桥支座进行在各种荷载作用下的变形和受力情况建模分析，研究结果可为支架设计改良提供参考。詹凯3利用Midas对程温东跨线桥支架结构进行建模，与现场实测数据进行对比，研究其稳定性和安全性；陈禹4借助Midas有限元软件对方案各构件受力进行建模分析，结果表明设计符合要求，精简了施工流程，缩短了工期；梁鹏5从建模精度的角度出发，深入研究了模型修复技术，结合3种分类方法，全面介绍了不同元模型修复方法的基础；Lu6根据试验和分析结果，提出了复合桥面板正负弯矩区域疲劳性能的设计公式，并通过与数值模拟结果对比验证其可靠性；Zhou7提出了正交异性钢桥面疲劳评估的节段模型用来计算梁桥控制截面的应力基金项目 安徽交通控股集团交通科技攻关项目（JKKJ-2018-31）64和位移；Kim8认为桥梁安全性的基础保障是承载力，因此进行了有限元分析。依据现行规范9，以桥梁建设工程为研究背景，着重对边跨结构稳定性进行数值模拟分析。成果可供设计、计算和建造同类项目时参考。1工程概况桥边跨现浇段长3.4m，采用支架式结构施工，直立式支座采用承台支座的方式设置。支架结构如图1所示。立柱采用外径457mm，壁厚10mm的管状钢桩，钢管立柱顶部采用双拼I28a作为支撑梁；柱间水平距离为4.5m；横梁悬臂需加大支撑，向立柱两侧沿横桥增设双拼I28a斜托架。联系杆增设在斜托架顶部及底部对应部位设置。其中，上部联系杆为I14，下侧拉杆为I28，如图2所示。在双拼I28a横梁上方设置I14和I28a纵向分配梁，托架立柱下方布设I28a纵梁。箱室范围内的间距为400mm，腹板下方采取加密布置，规格为4200mm。2计算参数选择根据规范10，支架设计需考虑如下荷载：（1）模板系统荷载：工程模板采用木模板系统，模板系统每平米集中荷载按q1=1kN/m2计算。（2）柱、横梁、分配梁荷载：施工设计按真实尺寸计算主要承重结构自重。（3）混凝土荷载：根据“条分法”原则，对各个不同位置进行分区，将腹板、箱体及梁对应的I14分配横梁施加荷载。其中，混凝土容重取值为26kN/m3。（4）临时施工荷载与机械施工荷载：临时施工荷载与机械施工荷载分别为2kN/m2和2.5kN/m2。荷载值取q2=4.5kN/m2。（5）风荷载：考虑风静压荷载，按规范取值。此外关于结构参数和演算标准参考林荣光的参数。3基于数值模拟边跨现浇段支架结构稳定性分析以青弋江特大桥边跨现浇段支架结构设计实例为基础，采用MIDAS CIVIL有限元软件对其支架结构进行建模，同时，分析评价其稳定性。根据桥梁结构的承载特性，计算时，对所有构件（除模板以外）进行分区建模。建立空间直角坐标系，以桥面延伸方向为X方向，垂直于横梁方向为Y方向，模型主要采用梁单元，支架模型顶部、下部节点连接形式为刚接，在结构离散后有473个结点，462个单位。有限元模型如图3所示。3.1支架刚度验算同一高度范围内，梁桥支架中部竖向位移比翼侧的大。在混凝土浇筑荷载单独作用下，最大竖向变形为11mm。数值计算结果表明最大变形出现在托架最外侧，小于L/500=5600/500=12mm，满足支架体系刚度要求，支架体系总体变形较小。3.2受力计算3.2.1立柱顶部I14（I28a）分配梁受力分析图1支架结构（单位：mm）外底模支架1.2m高护栏28a14双拼28a200180450180外底模支架1.2m高护栏模板支架1.2m高护栏双拼 28a沙筒横撑沙筒20340200133120873050150图2钢管立柱增加斜支撑托架（单位：mm）图3支架结构有限元模型（a）立体结构（b）顶部支架图4混凝土浇筑荷载作用下支架竖向位移（单位：mm）最大：-1165低温建筑技术-结构工程Jun.2023 No.300I14（I28a）工字钢设置在立柱柱顶作为模板支撑的分配梁。分配梁将桥梁顶部荷载分配成多个多点集中荷载，其应力大小对桥梁结构稳定性影响很大，在考虑结构与模板自重的情况下，将动荷载加入组合计算，分配梁的应力分布如图5所示。纵梁上缘最大应力为132MPa，纵梁下缘最大压应力为132MPa，两者均小于材料设计强度190MPa。因此，顶部纵梁满足抗弯强度要求。顶部纵梁在腹板下方作加密处理，侧模下方采用I28a型工字钢，分配梁在基本荷载组合下最大剪应力为62.8MPa，小于材料抗剪设计强度110MPa。满足抗剪强度要求。3.2.2立柱顶部双拼I28a横梁受力分析立柱顶部横梁采用双I28a工字钢作为模板支撑梁。除结构与模板的自重外，横梁还受到混凝土浇筑和施工荷载的作用，其应力分布如图6所示。布置在外侧及内侧的横联的最大应力分别为121.6、78.2MPa，均低于材料设计强度 190MPa，因此满足抗弯强度要求。在基本荷载组合下，梁的最大剪应力为47.1MPa，比材料的抗剪切设计强度要低。因此，双拼的I28a横梁安装在立柱顶部，符合设计要求。3.2.3支架立柱受力分析在考虑结构与模板自重的情况下，将动荷载（混凝土浇筑荷载与施工荷载）加入组合计算，支架立柱直径为457mm。在支架柱结构中增加了联系杆，联系杆的主要作用应该是传递轴力，形成稳定的纵向支撑体系，使柱正截面的最大应力为45.4MPa，比设计值190MPa要小得多，达到了设计要求，如图7所示。3.2.4立柱联系杆受力分析在基础荷载组合作用下，支架顶部托架以及托架之间联系杆的应力分布情况，如图8所示。正截面最大正应力27.8MPa，远小于抗弯设计强度190MPa；顶部托架最大剪应力1.2MPa。各应力均设计强度要求。图5立柱顶部I14（I28a）分配梁分析结果（单位：MPa）最大：132.01.31976e+0021.19179e+0021.06382e+0029.35856e+0018.07888e+0016.79920e+0015.51951e+0014.23983e+0012.96015e+0011.68047e+0010.00000e+000-8.78900e+000（a）纵梁上缘正应力（b）纵梁下缘正应力最大：-132.08.78900e+0000.00000e+000-1.68047e+001-2.96015e+001-4.23983e+001-5.51951e+001-6.79920e+001-8.07888e+001-9.35856e+001-1.06382e+002-1.19179e+002-1.31976e+002（c）纵梁剪应力最大：39.43.94123e+0013.24032e+0012.53941e+0011.83850e+0011.13759e+0014.36679e+0000.00000e+000-9.65140e+000-1.66605e+001-2.36696e+001-3.06787e+001-3.76878e+001（a）双拼I28a横梁上缘正应力最大：121.61.21558e+0021.03721e+0028.58834e+0016.80462e+0015.02091e+0013.23719e+0011.45347e+0010.00000e+000-2.11396e+001-3.89768e+001-5.68139e+001-7.46511e+001（b）图5-5双拼I28a横梁下缘正应力最大：-99.89.61914e+0017.83754e+0016.05594e+0014.27434e+0012.49274e+0010.00000e+000-1.07045e+001-2.85205e+001-4.63365e+001-6.41525e+001-8.19685e+001-9.97845e+001最大：32.7 最大：32.7最大：32.7 最大：32.73.27323e+0012.55673e+0011.84023e+0011.12373e+0014.07236e+0000.00000e+000-1.02576e+001-1.74226e+001-2.45876e+001-3.17525e+001-3.89175e+001-4.60825e+001图6双拼I28a横梁模拟分析结果（单位：MPa）（c）双拼I28a横梁剪应力图7立柱最大应力分布图（单位：MPa）（a）正应力（b）剪应力最大：-45.41.42889e-0010.00000e+000-8.14365e+000-1.22869e+001-1.64302e+001-2.05734e+001-2.47167e+001-2.88600e+001-3.30032e+001-3.71465e+001-4.12898e+001-4.54330e+001最大：-610.19.73864e-0010.00000e+000-1.10130e+002-1.65681e+002-2.21233e+002-2.76785e+002-3.32337e+002-3.87888e+002-4.43440e+002-4.98992e+002-5.54544e+002-6.10095e+00266支架联系杆在基础荷载组合下的截面正应力及剪应力分布情况，如图9所示，截面最大正应力及最大剪 应 力 分 别 为 25.5MPa（远 小 于 抗 弯 设 计 强 度190MPa）、1.3MPa（远小于抗弯设计强度110MPa），因此，各应力均符合正截面的强度设计需求。3.3受压杆稳定性计算（1）钢管立柱。桥梁立柱作为主要承载构建，其结构应力大小对于桥梁结构稳定性至关重要。桥梁中立柱自由长度按20m计算，考虑到结构稳定性，选取型号为Q235钢，直径457mm的钢管立柱，压杆稳定系数取为0.82，计算得出长细比=63.258。规定稳定折减后的允许应力 =156MPa。数值模拟结果显示，最大应力小于45.5MPa，满足支架安全性设计需求。（2）顶部斜托架。顶部斜托架压杆自由长度取7.5m（2l），压杆的稳定系数取为0.52，托架长细比=112.4。考虑到结构的安全性，将Q235钢作为斜托架材料，同时将稳定折减后的 作为允许应力=98.58MPa，计算得出的最大应力小于立柱顶部斜托架最大应力27.8MPa。支架的稳定性满足设计需求。（3）联系杆。支架结构中，立柱材料采用Q235钢，压杆稳定系数取=0.497，压杆自由长度取值为4m（0.5l），联系杆的最大压应力为 25.5MPa，长细比=115.65。规定稳定折减后的允许应力 =94.39MPa。计算出最大应力小于25.5MPa，支架的稳定性满足设计需求。4结语（1）混凝土浇筑荷载单独作用下，最大竖向变形11mm。最大变形出现在托架最外侧，小于L/500=5600/500=12mm，满足支架体系刚度要求，支架体系总体变形较小。（2）支架结构中，分配梁、横梁、立柱以及联系杆的抗剪、抗弯强度计算结果均在规范范围内，且其力学性能均能很好的满足规范要求，故现浇段支架结构具有良好的稳定性。（3）青弋江特大桥边跨现浇段支架结构的数值模拟计算结果与既有规范标准相吻合，则支架结构符合实际工程的设计需要。（4）从设计整体考虑，应加强位于立柱底部的预埋件的质量控制，同时，调整联系杆间距，避免立柱长细比过大，联系杆沿着竖向布置的间距不宜大于10m，联系杆长度不应大于8m。为保证立柱稳定性，需加强后排立柱与桥墩基础的临时连接。14.218.518.514.214.815.715.714.8-3.5-21.3-21.8-21.8-24.9-3.5-24.9-27.8-30.7-21.3-27.8-30.71.85100e+0011.40393e+0019.56850e+0005.09774e+0000.00000e+000-3.84380e+000-8.31456e+000-1.27853e+001-1.72561e+001-2.17269e+001-2.61976e+001-3.06684e+001图8应力分布图（单位：MPa）（a）支架顶部托架最大正应力（b）支架顶部托架剪应力1.32022e+0001.08767e+0008.55111e-0016.22557e-0013.90002e-0011.57447e-0010.00000e+000-3.07663e-001-5.40218e-001-7.72773e-001-1.00533e+000-1.23788e+0001.31.30.61.31.30.6-1.2-1.2-1.00.00.01.11.11.10.00.0-1.2-1.01.1-1.21.80029e+0011.40491e+0011.00953e+0016.14152e+0002.18772e+0000.00000e+000-5.71988e+000-9.67368e+000-1.36275e+001-1.75813e+001-2.15351e+001-2.54889e+001最大：-25.5图9应力分布（单位：MPa）（a）联系杆最大正应力最大：1.31.32022e+0001.11791e+0009.15598e-0017.13286e-0015.10975e-0013.08663e-0011.06351e-0010.00000e+001-2.98272e-001-5.00584e-001-7.02896e-001-9.05208e-001（b）联系杆剪应力（下转第72页）67低温建筑技术-结构工程Jun.2023 No.300对桥墩横桥向弯矩和轴力的影响较小。（4）为优化双肢薄壁墩的受力情况和抗震性能，墩间联系梁的布置间距宜设置为25m左右。5结语在考虑桩土相互作用的情况下，对桥建立有限元模型进行动力特性和E1、E2地震反应谱计算分析，结合大跨径双肢薄壁墩连续刚构桥的受力特点，得到以下结论：（1）桥1阶阵型为主梁纵飘，符合双肢薄壁墩顺桥向抗推刚度小的特点；主梁横弯出现早于主梁竖弯，这与墩顶主梁截面高度增加有关，既减小了边、中跨跨中正弯矩效应，又增强了主梁竖向抗弯刚度，也表明桥的横向抗弯刚度相对较小。（2）在E1、E2地震力作用下，桥梁结构的地震响应均较显著；与E1地震力作用相比，E2地震力作用下主梁竖向弯矩和横向弯矩及桥墩横桥向和顺桥向弯矩均增加显著。（3）合理设置墩间横向联系梁的位置和数量能够改善双肢薄壁墩内外侧墩柱的刚度，调整墩柱的柔度，从而引起墩柱内力的重分布，有效地改善桥梁结构顺桥向的抗震性能，但对改善桥梁结构横向地震响应无明显作用。参考文献1 程志友，钱骥，陈鑫，等.高低墩连续刚构桥的动力特性与抗震分析 J.铁道建筑，2018，58（7）：18-21.2 杨耀邦.基于Pushover的双肢薄壁墩连续刚构桥抗震性能研究 D.西安：长安大学，2021.3 冯晴.高墩大跨连续刚构桥桥墩方案优化及结构分析 J.交通世界，2023（z2）：198-200.4 刘国华，梅延坤.高墩大跨径连续刚构桥运营期抗震性能评价J.山东交通科技，2022（3）：73-76.5 周萍.考虑桩-土相互作用对高墩连续刚构桥的抗震性能分析 J.交通世界，2021（28）：105-106.6 田亚洪.双肢薄壁墩参数对多跨连续刚构桥抗震性能分析J.中国水运（下半月），2021，21（5）：122-123.7 周萍.考虑桩-土相互作用对高墩连续刚构桥的抗震性能分析 J.交通世界，2021（28）：105-106.8 邹顺，折孝明，王付.PC连续刚构桥基于反应谱理论的抗震设计研究 J.公路，2018，63（3）：126-130.9 朱清华.高墩大跨连续刚构桥地震响应与抗震性能分析 D.长沙：长沙理工大学，2021.10陈学文，李宸华，郑杨.桥墩系梁对连续刚构桥抗震性能的影响 J.筑路机械与施工机械化，2020，37（12）：27-30.收稿日期2023-3-28作者简介姜洪伟（1989），男，山东威海人，硕士研究生，工程师，现从事桥梁设计及大跨度桥梁的健康监测与诊断。参考文献1 戴竞，凤懋润.我国预应力混凝土公路桥的发展与现状 J.土木工程学报，1997（3）：3-10.2 林荣光.基于ANSYS Workbench的连续刚构边跨现浇段支架有限元分析 J.福建交通科技，2015（6）：34-36.3 詹凯，曾晓冬，李贵康，等.基于Midas civil的0#块支架设计及验算分析 J.安徽建筑，2019，26（9）：129-131.4 陈禹，付甜.连续梁斜撑式0#块支架设计与预压施工 J.中国公路，2019（21）：242-243.5 梁鹏，李斌，王秀兰，等.基于桥梁健康监测的有限元模型修正研究现状与发展趋 J.长安大学学报（自然科学版），2014，34（4）：52-61.6 LU P Z,SHAO H,ZHAO R D.Investigation and verification ofthe fatigue characteristic of the composite bridge deck of a steeltruss arch bridge J.Arabian journal for science&engineering,2017,42(3):1-11.7 ZHOU C,CHEN S M,LI H,et al.Segment model analysis of asteel deck for railway steel truss arch bridges J.Structural engineers，2013，29(5):46-51.8 KIM H J,KIM H K,PARK J Y.Reliability-based evaluation ofload carrying capacity for a composite box girderbridge J.Journal of civil engineering,2013,17(3):575-583.9 中交公路规划设计院有限公司.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范：JTG 33622018 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