柳河特大大桥主塔下横梁施工支架计算
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摘要：柳河特大桥为预应力混凝土双塔双索斜拉桥，主塔顺桥向为单柱式，横桥向为心形结构，主塔最高塔高205.341米。本文主要对主塔下横梁施工支架各构件进行受力分析和验算。实践表明支架体系安全可靠，可以为类似结构桥梁施工提供参考。
关键词：下横梁施工；支架；计算
中图分类号：TU7文献标识码：A文章编号：
工程概述
柳河特大桥位于辽宁省辽中高速公路，横跨柳河，主桥为175＋380＋175m的双塔双索预应力混凝土斜拉桥，主塔顺桥向为单柱式，最高塔高205.341米。
柳河特大桥下横梁顶面高程为287.654米,单箱单室断面宽6.1*6.0米，壁厚0.8米，横梁横桥向长24.897米，横梁混凝土施工时分两次浇注，第一次浇注横梁下部2.0米，第二次浇注上部4.0米。
结构布置形式
下横梁施工支架主要由钢管立柱、柱间水平横撑、附墙撑杆、支撑牛腿、卸荷砂箱、钢箱横梁、贝雷梁及型钢分配梁组成，设计采用φ1020×12的钢管做为立柱，立柱竖向连接采用法兰连接，立柱之间横向采用φ630×12的钢管连接。每个塔肢上设4个牛腿，贝雷梁的端部通过2片I56a的工字钢形成的箱型梁做主横梁搁置在牛腿上，中间通过2HN900×320型钢形成的箱型梁做主横梁搁置在2排钢管立柱上。贝雷梁上设置2片［ 10型槽钢组成双槽钢截面做为分配梁，落架采用卸荷沙箱。分配梁设计时按2［ 10槽钢、间距为750mm计算，施工时可根据模板背肋间距和模板刚度以及现场实际情况酌情调整型钢型号和间距。其支架布置图如下图：
图一 下横梁施工支架布置图
构件设计
3.1设计荷载
（1）下横梁混凝土荷载：784.3 m3混凝土，计算时考虑施工偏差，乘以系数1.05；分两次浇注，第一次施工浇注278.7m3混凝土，第二次施工浇注505.6m3混凝土。
（2）下横梁模板荷载：2.0KN/m2(横梁内外表面积)
（3）支架自重荷载：按支架结构计算时确定。
（4）施工荷载：施工人员荷载取2.5KN/m2，
混凝土倾倒（混凝土由导管输送）荷载取2.0KN/m2 [2]
混凝土振捣荷载取2.0KN/m2 [2]。
（5）风荷载：支架施工时：设计风速V＝25.6m/s
下横梁混凝土浇注时：七级风速V＝17.1m/s
3.2结构设计计算
根据工程实际需要，下横梁支架系统结构计算时，确定的计算内容有：支架安装过程中各构件的强度、变形和稳定性；下横梁第一次混凝土浇注过程中各构件的强度、变形和稳定性；下横梁第二次混凝土浇注过程中各构件的强度、变形和稳定性以及下横梁第一次浇注的混凝土的受力分析；
根据以上计算内容，确定的计算工况为：
工况一:排架搭设完成时，设计风速侧向作用；
工况二:下横梁第一次混凝土浇注完成时，七级风速侧向作用；
工况三：下横梁第二次混凝土浇注完成时，七级风速侧向作用。
结构计算通过有限元分析，采用Midas软件和桥梁博士软件计算出主要构件的内力、应力和变形，再根据相关规范进行其强度和稳定性的验算。
为了便于结构计算，计算时对荷载分配和计算模型做了一定的简化，如横梁上部荷载通过分配梁直接作用于贝雷梁的节点上；在第二次混凝土浇注时，由于贝雷梁刚度相对下横梁第一次浇注的混凝土形成的开口箱要小得多，故按立柱直接支撑于下横梁第一次浇注的混凝土形成的开口箱上进行建模，这些简化和建模均能满足计算精度要求。
由于施工过程中的不确定因素较多，将部分主要受力构件采用偏安全的计算模式进行结构计算，得出的结果也是偏安全的。
3.3各工况下主要构件的强度、变形和稳定性验算
（1）荷载分析
工况一：计算荷载主要包括支架自重、风荷载（设计风速）。其中风荷载按照《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）计算，第一排钢管立柱承受的风荷载为0.78KN/m，第二排钢管立柱承受的风荷载为0.74KN/m（沿立柱高度方向），第一排水平撑杆和附墙承受的风荷载为0.54 KN/m，第二排水平撑杆和附墙承受的风荷载为0.42 KN/m（沿长度方向）。
工况二：计算荷载主要包括支架自重、模板荷载、第一次浇注的混凝土荷载、施工荷载、风荷载（七级风速）。其中下横梁模板承受的风荷载为1.71KN/m（沿横梁长度方向），贝雷梁承受的风荷载为0.91KN/m（沿贝雷梁长度方向），第一排钢管立柱承受的风荷载为0.33KN/m，第二排钢管立柱承受的风荷载为0.31KN/m（沿立柱高度方向），第一排水平撑杆和附墙承受的风荷载为0.26 KN/m，第二排水平撑杆和附墙承受的风荷载为0.38 KN/m（沿长度方向）。模板荷载和混凝土荷载以及施工荷载在横桥向均成线性分布，其下横梁空心段腹板处q1＝53.3 KN/m，空心段底板处q2＝22.8KN/m，实心段q1＝53.3 KN/m。见下图二所示。
图二
工况三：计算荷载主要包括支架自重、模板荷载、第二次浇注的混凝土荷载、施工荷载、风荷载（七级风速）。风荷载计算见工况二，模板荷载和混凝土荷载以及施工荷载在横桥向也成线性分布，其实心段荷载q1＝690.0KN/m，空心段荷载q2＝346.8KN/m。
图三
（2）计算结果
根据各个施工工况建立相应的计算模型，计算出各个构件在各工况下的内力、应力、变形，根据规范验算其强度和稳定性。计算结果综述如下，分配梁在工况二时受力最不利，其弯曲应力极值为12.9MPa＜145MPa[1]（在下横梁实心段处分配梁的下缘），剪应力极值为14.9 MPa＜85MPa[1]（在下横梁实心段处分配梁的支点处），变形极值为0.035mm＜450/400＝1.1mm；贝雷梁在工况二时受力最不利，贝雷梁按桁架计算，其压应力极值为95.8MPa＜210MPa[1]（支点处竖杆的压应力），变形极值为4.3mm＜10500/400＝26.5mm；施工时考虑到贝雷梁安装误差等方面的原因，对支点处杆件进行了加强。主横梁1在工况二时受力最不利，其弯曲应力极值为72.3MPa＜145MPa（在主横梁跨中下缘），剪应力极值为43.8 MPa＜85MPa（在主横梁支点处），变形极值为2.9mm＜5300/400＝13.2mm；主横梁整体稳定性和局部稳定性计算按照《钢结构设计规范》进行验算。钢管立柱、水平横撑、附墙撑杆在工况一时的应力极值分别为18.2 MPa、21.4 MPa、25.0 MPa，钢管立柱柱顶位移极值为8.6mm；钢管立柱、水平横撑、附墙撑杆在工况三时的应力极值分别为84.4 MPa、10.1 MPa、15.7 MPa，钢管支架的整体稳定性临界荷载系数为13.7。但在工况三时，下横梁第一次浇注的混凝土作为开口箱截面参与受力时，经计算腹板混凝土顶面钢筋应力偏大，故在施工时增加了钢筋以减小钢筋应力。
根据计算支架系统各构件在各个工况下的反力，还对附墙撑杆预埋件，塔肢上预埋的钢牛腿、卸荷砂箱、钢立柱柱脚预埋件等进行了验算。由于篇幅有限，在此不再详述。
上述计算表明：支架体系各主要受力构件在各工况下强度和稳定性均能满足规范要求，支架体系安全可靠。但在施工时，应严格控制杆件加工误差、平面安装位置、垂直度和高程、焊缝焊接质量等。
结束语
本桥已于2010年5月建成通车。下横梁施工过程中对支架体系设置的观测点进行定期的观测，其变形和设计计算偏差较小；下横梁施工完毕后对其进行了标高和外形尺寸复测，均满足设计和相关规范要求；从荷载试验结果和通车至今的运行情况来看，该桥使用效果良好；希望能为以后类似桥梁主塔横梁施工支架设计提供参考。
参考文献：
［1］交通部. GB50017-2003钢结构设计规范［S］人民交通出版社.2003
［2］周水兴 何兆益 邹毅松. 路桥施工计算手册人民交通出版社.2001