大跨桥梁索塔横梁与施工支架耦合受力分析

李 凯

(中铁二十五局集团第一工程有限公司， 广东 广州 510600)

0 引言

索塔是悬索桥和斜拉桥缆索的支撑结构，桥面荷载通过索塔传至基础。索塔下横梁作为索塔结构的重要组成部分，除了连接索塔左右分肢柱加强结构整体性外，还作为载体支撑起主梁，直接承受主梁桥面传来的荷载。为了使其有足够的结构抗力，下横梁截面设计尺寸较大，现场施工时混凝土浇筑方量大。因此，在下横梁施工中，一般搭设大型临时施工支架，采用分层分段浇筑方法，减小大体积混凝土水化热影响。在下横梁施工前，均会基于横梁浇筑过程对施工支架设计进行安全性计算分析，确保施工支架安全可靠。

王磊等[1]采用Midas/Civil软件对鄂东长江大桥索塔下横梁施工支架进行了仿真分析，得到下横梁第1次浇筑高度为下横梁1/2时支架承受总荷载最小的结论。刘瑾等[2]对温州大门大桥主塔下横梁现浇落地支架进行了验算，为支架的设计提供了可借鉴思路。刘昀等[3]对大跨度斜拉桥桥塔下横梁支架系统进行了静力和稳定性分析，将分析结果与实测数据进行对比，确保了施工安全。周乐木等[4]对棋盘洲长江公路大桥索塔下横梁支架进行了结构优化设计，提出采用斜支撑支架比常规支架具有更高经济效益的结论。近年来，众多学者对桥塔横梁支架的结构优化设计及其施工关键技术进行了研究，大都通过有限元模拟计算分析，验证支架施工的可行性[5-9]。针对特大桥超高索塔横梁，常结合施工制约及施工要点等因素，对索塔横梁的支架结构设计进行深入研究。但对横梁支架计算分析时，并未综合考虑支架及横梁底层结构协同受力状况进行支架优化设计[10-11]。

本文针对索塔横梁分层分段浇筑工艺，采用大型通用有限元软件ABAQUS，对横梁分层浇筑施工中施工支架与横梁底层混凝土结构耦合受力状况展开研究。同时，结合施工现场监测数据，验证有限元模拟分析的正确性，以期对同类桥梁索塔横梁施工支架的设计研究提供依据，为相关支架施工提供指导作用。

1 工程概况

国内某大跨钢桁梁悬索桥，索塔采用钢筋混凝土门式塔结构。索塔下横梁采用单箱单室断面，底部边缘由两个半径为32m的圆形曲线组成，顶底面高差沿圆曲线从7m过渡至17m。横梁顶面宽度为10.793m，宽度沿高度方向按照斜率7.174/1000逐渐变窄。上横梁顶板和拱形底板厚度均为1m，左右腹板厚度为1.2m。横梁箱室内设置3道横隔板，每道厚度为1m。

桥梁索塔下横梁采用钢管落地支架与钢结构拱形桁架支撑体系施工，由下至上分别为：落地支撑体系、高空拱形钢桁架体系和钢板底模。落地支撑体系由钢管立柱、立柱横联和立柱斜撑组成。立柱采用直径1m、壁厚10mm空心钢管，横向布置6排，纵桥向布置3排，共18根。钢管立柱间横联及斜撑均使用槽钢连接，增强空心钢管立柱空间稳定性。钢管立柱顶部顺桥向嵌入双拼I63a工字钢作为横向承重梁，拱形型钢托架结构通过砂筒作用在承重梁上。型钢托架为10片桁架组成的空间支撑体系，每两片桁架之间采用[14a槽钢进行连接。单片桁架由水平下弦杆、上拱肋、横杆、竖杆和斜杆组成。型钢托架之上铺设[10槽钢分配梁和10mm钢板底模面板。索塔下横梁分层浇筑施工如图1所示。

图1 索塔下横梁分层浇筑施工示意

2 有限元模型

2.1 有限元模型建立

考虑到钢桁架杆件多且繁密，采用Hypermesh软件建立三维有限元模型，且有限元前处理工作均在Hypermesh软件中完成[12]。有限元模型细分为3个部分：两侧索塔、施工支架和横梁底层混凝土结构。其中，施工支架包括上部钢桁架体系和下部钢管立柱支承体系。依据索塔下横梁及施工支架设计文件，建立索塔、横梁底层混凝土结构及施工支架有限元模型，如图2所示。

图2 索塔横梁与施工支架有限元模型

横梁混凝土采用C3D8R实体线性减缩积分单元，钢桁架采用T3D2桁架单元，横向承重梁采用B31梁单元，钢模板采用S4R减缩积分壳单元。施工支架钢结构材料采用双折线本构模型，混凝土材料采用塑性损伤本构模型，在ABAQUS中分别输入压缩与拉伸损伤变量参数[13]。钢管立柱底部采用固定约束，两侧索塔底部节点施加刚域约束，横梁底层混凝土与下部钢模板采用面接触。当横梁底层混凝土结构达到设计强度时，将底层混凝土与两侧索塔结合为整体进行模拟。索塔与横梁相接部位可分割出一块条形实体，单独采用生死单元定义。有限元模型边界条件设置如图3所示。钢管立柱杆件及横向承重梁编号如图4所示。

图3 有限元模型边界条件

图4 钢管立柱杆件编号

2.2 荷载工况定义

索塔横梁施工荷载分为恒荷载与活荷载。恒荷载细分为：①第1层钢筋、劲性骨架和模板自重；②第2层钢筋、劲性骨架和模板自重；③钢管立柱与拱形钢桁架自重。活荷载细分为：④横梁第1层混凝土自重；⑤横梁第2层混凝土自重；⑥倾倒、振捣混凝土荷载，施工人员及器械重量。根据荷载分类、横梁施工顺序，划分7个荷载工况。荷载工况分类如表1所示。

表1 荷载工况分类工况名称工况说明荷载组合工况1支架仅承受自重③工况2仅支架受力,承受自重+第1层混凝土结构荷载①+③+④+⑥工况3仅支架受力,承受自重+第2层混凝土结构荷载②+③+⑤+⑥工况4仅支架受力,承受自重+横梁混凝土结构全部荷载①+②+③+④+⑤工况5支架与第1层混凝土结构共同受力,承受自重①+③+④工况6支架与第1层混凝土结构共同受力,承受自重+第2层混凝土结构荷载①+②+③+④+⑥工况7假设支架拆除,由第1层混凝土结构受力,承受第2层混凝土结构荷载②+④+⑤

3 有限元结果分析

3.1 支架整体受力分析

通过有限元计算分析，得到施工支架在前6种工况下杆件最大应力值，如表2所示。

由表2可知，不同工况下各杆件最大应力出现在横向承重梁上，但最大应力均小于钢材屈服强度，整个施工支架受力状况处于弹性阶段，说明支架设计方案能满足安全性要求。将关键工况进行单一对比，可得到如下结论：

表2 不同工况下施工支架各杆件最大应力汇总名称截面类型最大应力值/MPa工况1工况2工况3工况4工况5工况6钢管立柱Φ1 000×1013.3398.0571.14169.1090.99116.73横向承重梁2I63a20.07110.5083.14183.60109.02127.70桁架上拱肋HW 250×250×12×124.1391.0569.70157.1078.89108.60桁架竖杆2[169.1483.9561.44151.4081.2397.23桁架横杆2[162.1352.6240.9391.4448.0454.93桁架斜杆2[164.1587.3664.95147.2077.9096.51桁架下弦杆2[326.4590.9475.72151.5080.11102.45

1) 施工支架各构件最大应力出现在工况4横向承重梁上，σmax=183.60 MPa

2) 由工况4与工况6对比分析可知，工况6中支架与第1层混凝土结构共同受力，施工支架各杆件应力明显较工况4要低，应力降低了30.45%～39.93%。这一结果说明：横梁第1层混凝土参与受力，能有效替施工支架分担第2层混凝土结构30%～40%荷载。

3)由工况2与工况4、工况5与工况6对比分析可知，仅支架单独受力时，施工第2层混凝土，施工支架各杆件应力增加了66.15%～80.35%。而第1层混凝土结构与两侧索塔形成一体，与支架协同受力时，施工横梁第2层混凝土荷载，支架各杆件应力仅增加了14.34%～37.66%。结果进一步说明：第1层混凝土结构与支架共同受力，底层混凝土结构分担了第2层混凝土结构荷载，有效降低了施工支架应力。

3.2 钢管立柱受力分析

索塔横梁荷载主要由钢管立柱传递至承台基础，钢管立柱受力情况能反映索塔横梁与钢桁架耦合受力规律。由于钢管立柱对称布置，选取1/4立柱进行统计分析。选取关键工况下各钢管立柱最大应力进行对比分析，应力数据如表3所示。并选取工况6的支架与第1层混凝土共同受力下钢管立柱应力云图(见图5)及位移云图(见图6)进行分析。

表3 关键工况下钢管立柱最大应力值MPa立柱编号工况2工况4工况5工况6G1-140.9469.9241.2846.46G1-254.6092.9357.5765.25G1-375.56143.781.7995.58G2-154.6086.7254.7857.20G2-276.34131.1076.9389.72G2-398.05169.1098.75116.60

图5 工况6钢管立柱应力云图(单位： MPa)

由表3、图5、图6有限元模拟计算结果云图可知：

图6 工况6钢管立柱变形云图(单位： mm)

1)由于钢管立柱对称布置，各工况下立柱的应力和变形也呈对称分布，且中间立柱受力最大，最大应力点出现在柱顶处。钢管立柱群应力大小分布由中间向索塔两侧减小，索塔旁G1-1立柱受力最小。

2)钢管立柱最大组合应力σmax=116.6 MPa

3) 工况4属于一次成型浇筑，工况6属于分层浇筑。分别计算工况2与工况4、工况5与工况6的立柱应力增量，2种浇筑方案下应力增量结果如表4所示。

表4 一次成型浇筑与分层浇筑钢管立柱应力增量立柱编号一次成型浇筑/MPa分层浇筑/MPa占比/%G1-128.985.1817.87G1-238.337.6820.04G1-368.1413.7920.24G2-132.122.427.53G2-254.7612.7923.36G2-371.0517.8525.12

由表4可知，分层浇筑下钢管立柱应力增量明显低于一次成型浇筑，约占一次成型浇筑立柱应力增量的7.53%～25.12%。因此，在横梁第1层混凝土结构与施工支架耦合受力作用下，钢管立柱应力增量明显减小，横梁第1层混凝土结构主动承担了上层混凝土荷载。说明分层浇筑方案可以有效降低钢管立柱及其它杆件应力，进一步降低施工支架材料成本。

3.3 底层横梁混凝土受力分析

将工况6(有施工支架与第1层横梁混凝土耦合作用)与工况7(无支架支撑作用)进行对比，分析施加第2层横梁混凝土后第1层横梁混凝土结构受力情况。耦合状态与无施工支架支撑状态的第1层横梁混凝土结构应力及变形云图如图7～10所示。

图7 耦合状态底层横梁应力云图(单位： MPa)

在耦合受力状态下，第1层混凝土结构最大应力为1.117 MPa，出现在横梁上部与索塔交接处；最大变形发生在中间拱底处，为2.597 mm。无施工支架状态下，第1层混凝土结构最大应力为1.891 MPa，最大变形值为4.029 mm。耦合受力状态下应力值与横梁变形值均小于无施工支架状态。这一结果说明：对于浇筑第2层横梁混凝土，横梁第1层混凝土底搭设施工支架有利于降低第1层横梁混凝土结构应力及变形，减少裂缝产生，保证结构安全。

图8 无支架状态底层横梁应力云图(单位： MPa)

图9 耦合状态下底层横梁变形云图(单位： mm)

图10 无支架状态底层横梁变形云图(单位： mm)

4 施工监测结果与有限元结果对比分析

在钢管立柱顶部侧面安装振弦式表面应变计，采用综合测试模块采集施工阶段立柱应力变化值。将横梁第2层混凝土浇筑前后阶段立柱应力差值与有限元仿真计算差值进行对比分析，如表5所示。

表5 第2层混凝土浇筑前后立柱实测差值与计算差值对比立柱应变测点计算差值/MPa实测差值/MPa相差比率/%G1-15.184.768.11G1-27.687.255.60G1-313.8812.4210.52G2-12.642.429.09G2-212.7910.3611.18G2-317.8516.169.47

施工实际监测到的钢管立柱应力差值与有限元仿真计算应力结果差值接近，两者相差比率控制在12%以内，应力相差甚小。现场施工监测数据进一步验证了有限元仿真分析的正确性。同时，实测差值较计算差值要小，说明有限元计算偏安全保守。立柱实测应力差值变化范围为2.42～16.16 MPa，应力变化小，进一步证明了在实际施工中，施工支架与第1层混凝土结构耦合协同工作下，有效降低了临时支架应力。

5 结论

1)在各设计荷载组合工况下，下横梁施工支架主要构件应力及变形均满足设计要求，受力安全。横梁第1层混凝土达到设计强度时，施工支架与第1层混凝土结构耦合受力，能共同承担第2层混凝土结构荷载。且横梁采用分层浇筑法较一次成型浇筑法，能有效减小钢管立柱应力，为施工支架分担30%～40%的上层荷载。

2)钢管立柱受力分布由中间向索塔两端减小，在支架设计中可对索塔侧钢管立柱进行结构优化。

3)对于横梁分层浇筑第2层混凝土，梁底设置施工支架可明显改善第1层横梁混凝土结构受力，进一步说明两者具有耦合受力特点。

4)通过施工监测数据与有限元仿真计算结果对比，验证了有限元仿真分析的正确性。同时，说明了在实际施工中，施工支架与横梁第一层混凝土结构能达到协同工作的效果。

因此，在实际工程中，索塔横梁采用支架法施工宜采用分层浇筑，待横梁底层混凝土达到设计强度后与施工支架耦合协同受力，能有效降低施工支架受力分布，产生一定的经济效益。在耦合受力条件下，对施工支架的优化设计需进一步研究。