蝶形系杆拱跨河支架设计与分析

摘要 系杆拱桥以其跨越能力大、造型美观、结构轻便等优势被广泛使用在桥梁建设中，文章以张福河大桥蝶形系杆拱支架设计为研究对象，采用有限元软件Midas建立支架模型，分析系杆支架在各个工况下的受力性能，结果表明：张福河大桥跨河支架在实施过程中支架均满足受力要求。通过实例重点就系杆拱钢结构支架设计与分析进行研究，以供业内人士参考和借鉴。

关键词 系杆拱；支架；有限元

中图分类号 TU755.7文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）02-0129-03

0 引言

随着桥梁发展越来越倾向于大跨径、承载力高、造价低、建养费用少的桥梁，系杆拱桥在内河城市运用较多且长盛不衰。独特的桥型施工有不同的支架形式，合理选用支架形式进行可靠的安全设计不仅关系施工成败而且直接影响项目的施工成本及进度。该文以少支架法分节段吊装系杆拱主副钢结构拱施工案例为背景，研究跨河支架的结构受力情况，通过有限元模型分析结果对支架进行调整和改进。

1 工程概况

主桥采用蝴蝶形系杆拱结构，跨径105 m，计算跨径102 m，桥面宽度为12 m，桥梁总宽16 m（含结构构造宽）。主拱圈由钢箱式截面组成（210×140 cm），拱圈矢高h=20.4 m，矢跨比1/5，主拱外倾角度为10 °，副拱采用90 cm×90 cm箱式断面进行连接，横向连接杆采用箱式断面（45×45 cm），主拱、副拱、横向连接杆组成蝴蝶造型，同时起到风撑作用，系杆采用220 cm×200 cm的钢筋混凝土箱形结构，全桥共设19道预应力混凝土横梁，中横梁为T形实心截面（带牛腿），牛腿上放置预制C50空心行车道板。系杆为箱形断面，系杆顶板、腹板、底板均为30 cm厚，拱脚段系杆与拱脚端横梁一起浇筑，跨河系杆由中间向两边浇筑，两次浇筑通过1 m湿接头连接。

2 施工总体思路

张福河大桥上部结构总体采用“先梁后拱”的施工方法，主桥拱脚、端横梁、系梁，中横梁采用少支架现浇法施工，总体施工流程如下：①施工主墩，搭设主桥系梁现浇支架，预留通航孔，完善临时导航措施；②施工拱脚、端横梁、系杆、4#、9#、14#中横梁，张拉端横梁N1、中横梁N2系梁第一批预应力N1、N2；③搭设主副拱肋支架，完成主副拱安装、焊接，拆除拱肋支架；④安装吊杆，完成第一次吊杆张拉；⑤施工剩余中横梁，张拉中横梁N2预应力钢束，张拉第二批系杆预应力钢束，拆除系梁支架，安装行车道板、张拉第二批端横梁、中横梁预应力钢束；⑥吊杆第二次张拉，主桥桥面系施工。

3 钢结构吊装分段划分原则

3.1 主副拱分段原则

分段构件的几何尺寸应满足工厂制作条件、运输的允许范围以及现场场地对构件停靠的要求。构件运输方式采用陆路+水上运输的方式，此批货物陆上运输最长5.5 m，货物最宽2 m。分段的吊装重量不应超出吊机的起重能力，划分钢梁应清楚每段钢梁的重量，估算分段重量，避免分段重量超出起重量范围的情况，其中主副拱肋采用31 m长度的甲板驳船运输至桥位处，采用浮吊船整体垂直起吊，其余节段采用陆运方式运输至桥位处，采用浮吊及汽车吊配合安装。钢梁分段焊接接口部分采用Z形接口，接口处以腹板为中心，与顶板、底板各错开200 mm。

3.2 构件分段重量信息表

根据项目通航要求及现场实际情况，主桥钢结构共分成4个拱脚、4个主副拱组合体、4个主拱、4个副拱及若干个横撑，具体分段尺寸如表1所示。

3.3 钢拱肋支架设计

根据系杆拱桥节段自重及现场地质条件，临时胎架采取钢管支架。根据各支承段的受力特点，综合考虑现场的支承环境，设计支撑尺寸不等，该联次共1种支架形式，均设置在系杆拼接位置。

3.4 支架构造

支架采用钢管φ426×8 mm钢管，横撑、斜撑沿高度方向约每2 m处设置，横撑、斜撑16#a槽钢，顶部承重分配梁采用双拼40#a工字钢，调节短柱φ273×8 mm钢管，支架底部转接板采用800×800×30 mm钢板，材质均为Q235B。

3.5 钢拱肋支架细部构造

支架底部均为接桩受力，底部钢管桩直径为529×8 mm，上部支架钢管为426×8 mm，支架底部配备800×800×30 mm厚钢板转换体系。

3.6 最不利工况分析

采用浮吊吊装施工系杆拱最重53 t，承重构件为主拱L2。安装顶面高度约31 m，单机吊装重量约为53 t，采用1台150 t浮吊吊装，臂长53 m，作业半径31.5 m，起重量70 t。70×0.8=56 t＞53 t，满足作业要求。

4 钢结构支架验算

4.1 设计荷载

4.1.1 荷载计算

恒载：钢箱梁、临时支架及施工措施自重均按实际重量计。

活载：根据《建筑结构荷载规范》（GB50009—2012），淮安市10年重现期基本风压ω0=0.25 kN/m2。地面粗糙度为B类，临时支架总高度约25 m，则风荷载高度系数μz=1.52。各杆件体形系数为μs=1.3。故风荷载标准值ωk=μsμzω0=1.3×1.52×0.25=0.49 kN/m2[1]。

4.1.2 荷载组合

荷载组合1（基本组合）：1.3恒载+1.5活載；

荷载组合2（标准组合）：1.0恒载+1.0活载。

其中，组合1用于构件强度、内力计算，组合2用于结构变形、反力计算和单桩承载力计算。

4.1.3 边界条件

支架钢管柱与混凝土基础采用固定约束，在钢箱梁分段位置正下方设置支架立柱，立柱与钢箱梁间采用只受压弹性简支约束。

4.1.4 材料特性和强度设计值

临时支架结构构件采用Q235C，桥体构件采用Q355MD，材料性能和强度设计值如下：弹性模量：E =2.06×105 N/mm2；泊松比：γ= 0.3；密度：7.85×103 kg/m3；线膨胀系数：α=1.2e-5/℃；屈服强度：fy=235 MPa和345 MPa；Q235C材料容许应力[σ]=215 MPa，容许剪应力[τ]=125 MPa；Q355MD材料容许应力[σ]=295 MPa，容许剪应力[τ]=170 MPa。

4.2 施工阶段工况计算

4.2.1 安装步骤和支架编号

根据主桥分段和钢结构施工步骤，进行模拟建模分析，桥梁的施工过程模拟主要分为5个施工阶段，分析在施工安装过程中支架结构的受力情况。

4.2.2 计算模型

采用专业计算软件Midas Gen对临时支架进行建模分析，计算模型见图1。

4.2.3 工况计算结果

工况1计算结果：临时支架最大组合应力为σ=50.5 MPa＜[σ]=215 MPa，最大剪应力为τ=1.1 MPa＜[τ]=125 MPa，满足要求。

临时支架单桩最大反力17.1 kN。

工况2计算结果：临时支架最大组合应力为σ=129 MPa＜[σ]=215 MPa，最大剪应力为τ=27 MPa＜[τ]=125 MPa，满足要求。

临时支架单桩支架最大支反力79.6 kN。

工况3计算结果：临时支架最大组合应力为σ=108 MPa＜[σ]=215 MPa，最大剪应力为τ=68 MPa＜[τ]=125 MPa，满足要求。

临时支架单桩最大反力276 kN。

工况4计算结果：临时支架最大组合应力为σ=108 MPa＜[σ]=215 MPa，最大剪应力为τ=68 MPa＜[τ]=125 MPa，满足要求。

臨时支架单桩支架最大支反力282 kN。

工况5计算结果：临时支架最大组合应力为σ=109 MPa＜[σ]=215 MPa，最大剪应力为τ=68 MPa＜[τ]=125 MPa，满足要求。

临时支架单桩最大支反力287 kN。

综上所述，施工过程中临时支架各个工况的应力如表2所示。

计算表明，施工过程中格构柱临时支架应力最大值出现在第2施工阶段，即在拱脚L0安装完成后，在箱梁加宽段靠近过渡墩支架应力最大，此后最大应力点均在该处，施工过程中临时支架强度满足安全要求。

4.3 计算结论

综合以上计算结果可知，张福河大桥施工过程中临时支架的强度、刚度和稳定性均满足要求。

4.4 拱肋吊装分析

根据张福河大桥分段图和施工步骤图，L1和L6分段结构类似，取较重L1分段作为典型分段做吊装分析；L2和L4分段结构类似，取较重L2分段作为典型分段做吊装分析。考虑吊装1.2倍动荷载系数。

4.4.1 拱肋L1吊装分析

吊装分段最大组合应力为σ=51 MPa＜[σ]=295 MPa，最大剪应力为τ=12 MPa＜[τ]=170 MPa，满足要求。

吊装分段最大变形为22 mm＜L/400=22 000/400=55 mm，满足要求。

4.4.2 拱肋L2吊装分析

吊装分段最大组合应力为σ=14 MPa＜[σ]=295 MPa，最大剪应力为τ=3 MPa＜[τ]=170 MPa，满足要求。

吊装分段最大变形为1 mm＜L/400=20 000/400=50 mm，满足要求。由上述分析可知，吊装过程中钢拱肋满足设计要求。

4.5 钢管桩验算

由以上计算可知：工况5临时支架单桩支架最大支反力282 kN。

另：Φ529 mm，δ=8 mm钢管桩自重；1.028 kN/m。

4.5.1 钢管桩入土深度计算

根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63—2007）规定，容许承载力计算公式Ra=1/2×U×qik×li+度计算：通航孔处河底标高为7.53 m，河底淤泥以50 cm计，为方便计算，取7 m标高为支墩钢管桩入土深度控制依据。钢管桩桩顶标高18.2 m，入土深度按7 m计算，桩底标高为0 m，单根钢管桩长18.2 m。

Qd=1/2×1.662×[62×2+40×2.8+55×2.2]=316.6 kN＞282+1.028×18.2=300.7 kN，满足要求。

（2）陆上支墩钢管桩入土深度计算：取原地面12.2 m标高为6#支墩钢管桩入土深度控制依据，6#支墩钢管桩桩顶标高18.2 m，入土深度按7 m计算，桩底标高为6.2 m，单根钢管桩长12 m。

Qd=1/2×1.662×[45×2.2+55×2.7+62×2.1]=313.86 kN＞282+1.028×12.007=294.3 kN，满足要求。

4.5.2 钢管桩稳定性验算

钢管桩在施工过程中，相邻两桩之间采用剪刀撑进行连接，能够有效地确保下部支墩的稳定性。由上述计算可知水中支墩单根钢管桩设计承载力为最大：N=282 kN，直径Φ529 mm钢管柱，壁厚δ=8 mm，则有回转半径：

i==184.2 mm

（1）杆件长细比计算：

钢管桩自由长度：l=18.506?7.53=10.976 m；

钢管计算长度：l0=2l=2×10.976=21.952 m；

λ=l0/i=21.952/0.184 2=119＜150，满足要求。

（2）稳定性计算：

钢管桩受最大轴向力为N=282 kN，由λ=119，查轴心受压构件稳定系数表，得φ=0.458。

An==1.3×10?2 m2

σ=47.3 MPa＜[ f ]=215 MPa

满足要求。

5 结语

该文以蝶形系杆拱桥为研究对象，采用Midas软件建立全桥支架模型，分析张福河大桥钢结构在支架施工中各个工况的受力分析，结果表明：各支架受力性能满足要求，同时验证了该桥支架结构体系的合理性，支架在强度、刚度上均能满足设计要求，同时在强度上留有安全储备，为类似项目的施工和设计提供了参考。

参考文献

[1]建筑结构荷载规范： GB 50009—2012[S]. 北京：中国建筑工业出版社， 2012.

[2]公路桥涵地基与基础设计规范： JTG D63—2007[S]. 北京：人民交通出版社， 2007.

收稿日期：2023-11-21

作者简介：安蔚（1987—），男，本科，工程师，研究方向：道路桥梁施工。