对高岭头水库特大桥主梁0#块支架受力性能的研究

2022-02-10董泊宁马一跃屠科彪

中国设备工程 2022年2期

董泊宁，马一跃，屠科彪

（浙江交工集团股份有限公司，浙江杭州 310000）

预应力混凝土斜拉桥0#块位于主梁和下塔柱连接处，0#是主梁悬臂浇筑的基础，通常其混凝土方量大、结构复杂。特别是高塔柱桥梁0#块离地较高，通常采用非落地式高空支撑悬挑支架，支架搭设和预压过程复杂，受横向风力影响大，施工过程存在较大安全隐患。因此，十分有必要对高空0#块支架受力性能进行系统分析总结。

1 工程概括

高岭头水库特大桥主桥为（140+300+140）m双塔双索面、塔墩梁固结体系预应力混凝土斜拉桥。主塔为花瓶型钢筋混凝土结构，两个主塔全高分别为203.8m和192.9m。主塔由下塔柱、中塔柱、上塔柱构成，下横梁0#块距地面距离超过80m，索塔较高施工难度大。

2 下横梁支架设计和受力分析

2.1 下横梁支架设计

主梁0#块采用支架现浇法施工，因高度较大，支架不采用常见的落地支撑方式，而是采用支撑在主塔塔身上的悬挑支架结构见图1所示。

图1 下横梁悬挑支架结构示意图（mm）

下横梁支架采用桁架梁（K梁）+斜支撑的形式，桁架梁采用现有材料，桁架上弦杆上弦杆、下弦杆、拼接板等，弦杆采用钢板组焊接截面，其板材选用Q420qc；高剪腹杆及端柱采用尺寸140mm×140mm×10mm方管，材质高强钢DB685；普通腹杆选用尺寸140mm×140mm×8mm方管，材质Q345。桁架上铺设2HN400×200+2HN600×200分配梁，分配梁上铺HN400×200型钢支撑横梁底模及0#块盘扣支架。桁架梁（K梁）支承在斜支撑上，斜支撑由3HN600×200型钢/2HN600×200型钢支座而成，斜撑侧面采用爬锥与索塔相连，爬锥沿索塔间距6.0m，斜撑底部支撑在下塔柱分叉段上，两斜支撑之间采用同规格水平撑支撑，提高整体承载能力。

2.2 有限元模型建立

采用Midas/Civil2020软件进行空间结构计算，计算模型中主塔支架构件均采用梁单元模拟，不考虑普通钢筋参与结构受力，计算模型如图2。模型中采用梁单元模拟真实的桁架梁重量，采用板单元模拟下横梁及0#块底模，底模钢板与肋梁采用共节点连接以模拟焊接而成的组合钢模，肋梁与分配梁1、盘扣支架采用一般弹性支撑连接，模拟竖向刚度，减小侧向刚度。分配梁1、2、3、4之间采用刚接来模拟刚架效果，斜杆与分配梁4之间为了模拟斜杆底部的交接采用释放梁端转角来考虑。为简化结构计算，斜撑靠在塔壁之上，近似认为斜撑顶为不动点，在支架模型中采用固结点计算。

2.3 荷载工况

0#段塔梁固结段分两次浇筑，第一次浇筑下横梁高度方向0～3m（约328方），第二次浇筑下横梁高度方向3～6m以及两侧0#段π梁（约696方），按照施工流程拟定4个计算工况，见表1所示。

表1 下横梁支架不同工况下荷载组合

2.4 有限元计算分析

根据MIDAS模拟计算，获得了0#块不同施工工况下支架受力特性，支架中的分配梁1、2、3、4，承载梁和K梁的受载情况见表3。根据《钢结构设计标准》，分配梁1、2、3、4和承重梁的最大压应力设计标准值为215MPa，最大剪应力设计标准值为125MPa；K梁的最大压应力和最大剪应力设计标准值分别为492MPa和295MPa。由表3可知，所有梁体的最大压应力和最大剪应力均满足设计标准。支架最不利施工工况是工况3，该工况下0#段支架系统承受最大荷载，最不利位置位于分配梁2、3和K梁，最大压应力为197和467MPa，约达到了设计标准值的92%和95%。承重梁作为0#段荷载与塔柱的连接点（见表2），最大压应力只承受了设计标准值的70%，说明所设计支架有效分散了荷载。工况3下对应分配梁2、3和K梁最大剪应力为120和66MPa，约达设计标准值的96%和22%，2、3号分配梁作为支架斜撑承受较大剪应力可适当增加截面面积，而K梁主要承担压力可适当减小K梁中斜杆截面面积。第二次浇筑混凝土量约是第一次浇筑的两倍，但除了分配梁4和承重梁最大压力有明显增加外，其余梁最大压应力并未出现明显增大，说明在第二次浇筑混凝土时第一次浇筑的混凝土已参与整个支架受力。

表2 0#段支架中最大压应力（最大剪应力）

不同工况下，支架各梁最大挠度见表3所示。分配梁1和K梁在工况三时发生最大挠度分别为44.1和36mm，小于L/400=25500/400=64mm，刚度均满足规范要求。分配梁1和K梁的最大挠度均随荷载增加逐渐增加，两者最大变形主要分布于梁中间部分，整体呈对称下凹状。分配梁2、3、4的最大挠度发生在工况二，说明工况三0#块混凝土全部浇筑完后，抑制了分配梁2、3、4的变形。承重梁在三个工况下发生变形最小，工况时变形最大，最大挠度1.7mm＜L/400=6800/400=17mm刚度满足要求。

表3 0#段支架系统最大挠度

工况四与工况二相比，增加了第一次浇筑的下横梁共同承担，工况二K梁端部竖杆及斜杆应力较大，因此，工况四主要对K梁进行验算。工况四下K梁最大正应力167.5＜492MPa，最大剪应力为1.09＜295MPa，强度满足要求；桁架梁最大挠度为11.5mm＜L/400=25500/400=63.75mm，刚度满足要求。