自锚式独塔悬索桥支撑体系设计及计算分析

自锚式独塔悬索桥支撑体系设计及计算分析

赵丽红

中铁宝桥天元实业发展有限公司宝鸡721000

摘要：本文以烟台滨海西路夹河桥为背景，对独塔双跨组合梁自锚式悬索桥支撑体系设计及计算方法进行研究。桥跨布置为（115m+115m），采用“先梁后缆”的施工方法。由于桥位所在处临近入海口，水深较浅不具备通航条件，无法通过船运及浮吊吊装的方式进行安装，因此采用支架法进行施工，钢主梁杆件种类较多，具有超重、超长、超宽、超高等特点，同时桥址位置处处于入海口滩涂地带，地质情况较差，其承载力差，以上问题均对支撑体系的设计及施工提出较高的要求。本文对夹河桥支撑体系的设计进行介绍，同时对支撑体系关键部位进行计算分析，为同类工程提供参考。

关键词：自锚式独塔悬索桥支撑体系设计与施工计算分析

1概述

烟台滨海西路夹河桥主梁为钢-混凝土组合梁结构。梁高3.193～4.283m，标准段全宽为33.6m。组合梁钢梁主要材质为Q370qD、Q420qD。桥梁效果图图图1所示。

图1全桥效果图

2支撑体系设计

2.1支撑体系上部结构设计

根据不同区域在施工过程中荷载分布特点，确定合理的支撑布置形式。安装支架共设四种形式，分别用于主桥中心段钢梁架设，锚固区钢梁架设，标准段钢梁架设，端横梁架设。

2.1.1主塔处梁段支撑体系

主塔处梁段采用滑移就位的方案，该区域支架承担的荷载为移动荷载，管立柱在钢梁滑移范围内分布式布置，间距为4.5米，横向两排，间距为3.0米。沿高度方向纵、横向设置二道“Z”字型联结系。柱顶沿横向铺设45b工字钢作为分配梁，分配梁顶面沿纵向通长铺设45b工字钢作为滑道梁。该处支撑须承受较大的水平推力，在墩顶采用植筋方式将滑道梁锚固，在横向立面内设置联结系将两侧支架连接为整体，以保证支撑体系的稳定性，总体构造如图2所示。

图2主桥中心梁段支架总体构造图（支架一）

2.1.2端横梁及主缆锚固区支撑体系

该区域支架承担的荷载主要包括钢梁、配重混凝土、桥面板及主缆的自重，荷载较大。端横梁划分为四个块体进行吊装，主缆锚固区纵梁均为板单元在支架上进行组拼，荷载分散。根据此荷载特点，钢管立柱沿钢梁长度分布式布置，横向均为两排。在纵横向立面内，沿高度方向设置二道“Z”字型联结系。联结系水平杆及斜杆截面为φ273X6的钢管。柱顶设置纵、横向分配梁，截面为45b工字钢和工36a工字钢。因承台处钢管桩入土深度很浅，须充分利用桥墩加强钢管立柱的稳定性，在墩顶采用植筋方式将分配梁锚固，墩身采用抱箍措施设置一道水平支撑，平面布置及横断面构造分别如图3、图4所示。

图3锚固区（支架二）、端横梁（支架三）平面布置

图4锚固区（支架二）支架横截面构造

2.1.3跨中标准段支撑体系

该区域支架承担的荷载主要包括钢梁和桥面板的自重。桥面纵横梁及桥面板的重量通过纵梁传至支撑，荷载作用集中。根据此荷载特点，在纵梁接口处设置独立式支撑。每组支撑由6根钢管柱组成，纵向3排，横向2排，沿高度方向设置二道“Z”字型联结系，柱顶设置纵、横向两级分配梁，截面为45b工字钢，横断面构造如图5所示。

图5标准段支架（支架四）横截面构造图

2.2支撑基础设计

桥址处河流东西岸地面标高介于1.0～4.0米，河床标高介于-0.2～-1.8米。最高高潮位3.67米。根据其地形特点及地质构造，支撑均采用打入式钢管桩基础，承载力以桩周摩阻力为主，钢管桩规格为φ630X10。

3支撑体系计算分析

由于计算方法相同且篇幅有限本文仅对支架一进行计算分析。根据施工过程，对于支架一分为两个工况进行计算分析。

3.1计算工况

工况一：纵梁ZL12、HL2、HL4在支架一上组装成整体，移动至安装部位，施工过程如图6～图8所示。

图6纵梁ZL12及附件就位前平面示意图

图7纵梁ZL12及附件就位后平面示意图

图8纵梁ZL12及附件就位后立面示意图

工况二：待纵、横梁形成体系后，安装其余附件及混凝土桥面板，支点布置及平面示意分别如图9、图10所示。

图9纵梁ZL10-ZL12支点布置

图10ZL9-ZL12及其他附件安装就位后平面示意图

3.2荷载组合

对于支架一根据两种工况不同荷载作用情况，按照不同荷载组合进行计算，组合方式如表1所示。

表1两种工况荷载组合

支架工况荷载组合

支架1工况一1.2×自重+1.2×1.05×桁架梁单元+0.75×（1.1风荷载+1.4水流力）+1.4摩擦力

工况二1.2×自重+1.2×1.05×桁架梁单元+1.2×（桥面板板+压重砼）+0.75×（1.1风荷载+1.4水流力）+1.4动荷载

3.3支架一计算结果

采用MidasCivil对支撑体系进行建模分析，考虑不同工况，不同荷载组合作用下支撑体系受力情况，对整个支撑体系进行计算分析。

3.3.1支承体系上部结构计算

工况一纵梁ZL12、4HL2、2HL2在支架一上组装成整体，移动至安装部位，整个施工过程纵梁、横梁、平联及斜撑最大组合应力及剪应力分别如图11～图15所示，钢管桩内力如图16～图18所示。根据计算分析结果，工况一纵梁最大组合应力72.9Mpa，最大剪应力81.2Mpa，横梁最大组合应力及剪应力分别为61.6Mpa、58.1Mpa，平联及斜撑最大组和应力为29.1Mpa，结构强度均满足要求，且具有较高安全储备。

图11纵梁2HW300*300组合应力图（单位：MPa）

图12纵梁2HW300*300剪应力图（单位：MPa）

图13横梁2工45a组合应力图（单位：MPa）

图14横梁2工45a剪应力图（单位：MPa）

图15平联、斜撑组合应力图（单位：MPa）

图16钢管桩纵向弯矩（单位：kN.m）

图17钢管桩横向弯矩（单位：kN.m）

图18钢管桩桩端反力图（单位：kN）

工况二待纵、横梁形成体系后，安装其余附件及混凝土桥面板。在整个施工过程中纵梁、横梁、平联及斜撑组合应力、剪应力计算分析结果如图19～图23所示，钢管桩内力如图24～图26所示，根据计算分析结果，支撑体系上部结构在工况二整个施工过程各部分应力大于工况一，工况二纵梁、横梁、平联及斜撑组合应力与工况一相比分别增大58.2%，39.4%，70.1%。但强度仍满足要求，同样具有一定的安全储备。

图19纵梁2HW300*300组合应力图（单位：MPa）

图20纵梁2HW300*300剪应力图（单位：MPa）

图21横梁2工45a组合应力图（单位：MPa）

图22横梁2工45a剪应力图（单位：MPa）

图23平联、斜撑组合应力图（单位：MPa）

图24钢管桩纵向弯矩（单位：kN.m）

图25钢管桩横向弯矩（单位：kN.m）

图26钢管桩桩端反力图（单位：kN）

3.3.2支承体系下部钢管桩计算

对两种施工工况钢管桩强度、稳定进行分析，钢管桩两端按铰接考虑，钢管桩最深嵌固深度为-3.52-3.44=-6.96m，底层平联高程约为+4.92m，计算长度按。，属于b类截面，查表得，强度及稳定性分别按照式3.1及式3.2计算。

强度计算：（3.1）

稳定性计算：（3.2）

将各工况钢管桩计算结果汇总，带入上述公式后，计算结果如表2所示，工况二钢管桩应力较大，两种工况钢管桩强度、稳定性均满足要求。

表2钢管桩强度、稳定性计算表

4结论

本文以烟台烟台滨海西路夹河桥为背景，对自锚式悬索桥采用支架法施工时的支承体系设计、施工及计算分析进行介绍，为同类工程提供参考。

在对支撑体系进行设计时应根据不同区域在施工过程中荷载分布特点，确定合理的支撑布置形式。

在对支撑体系进行计算分析时需要按照施工过程考虑不同计算工况，在不同工况按照相应荷载组合进行计算。

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