袁 助 （安徽省交通控股集团有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

当前，我国交通基础建设正在飞速发展之中，铁路、高速公路、市政交通建设网越来越密集。在各项工程建设当中，每当在跨越路线障碍时，桥梁工程就起到了关键性的作用，尤其是在需要跨河、跨江、跨海的施工建设项目当中。预应力混凝土连续梁桥、连续钢构梁桥、T形刚构桥等桥型是目前我国最常见的桥梁类型，其中预应力混凝土悬浇连续梁桥具有整体性能好、结构刚度大、变形小、抗震性能好、受力均匀等众多优点，已成为现如今常见的一种桥型[1]。

在预应力混凝土悬浇连续梁施工过程中，0号块是整个施工过程的起始段，其结构受力复杂，梁段高、节段长、混凝土方量大，所以0号块支架结构体系设计是否合理、施工是否严谨、监测是否到位、受力分析是否精确，每一项对于支架结构都至关重要。支架结构的稳定性主要受到立柱顶部的分配梁、横梁、托架横梁、立柱的强度与刚度的影响。因此，支架结构的稳定性直接影响整个桥梁的施工安全和工程质量。在实际工程中，对0号块支架结构进行稳定性的分析和评价至关重要。

0号块支架结构的设计必须严格按照国家规范要求的标准来执行，其稳定性的分析与评价主要采用理论计算或有限元建模进行分析，国内外学者进行大量的研究，但结论并不统一。唐忠亮[2]在有限元建模时，采用钢管支架代替三角托架施工0号块，研究了当0号块质量较大时，钢管支架施工更为安全可靠。詹凯[3]以工程温东跨线桥为背景，采用Midas对支架结构建模，然后再通过与现场实测的数据进行比较，从而验证了支架结构的稳定性和安全性。田建家等[4]以在建的孝仙洪高速汉江特大桥为例，详细介绍了整个0号块托架的施工技术和工艺流程，为以后桥梁工作者提供一种新方法、新思路去解决类似问题。陈禹[5]通过Midas civil有限元软件建模分析及在施工过程中的实时监测，该方案各杆件受力满足要求，大大简化了施工工艺，缩短了0号块的施工周期。梁鹏[6]为了提高有限元模型修正技术的建模精度，从模型修正的对象、信息来源和其他方法三种分类方法出发，系统阐述各种有限元模型修正方法的原理，梳理各种方法的脉络关系及技术演变。林峰[7]分析了0号块现浇支架结构设计的合理性，并从落地支架法、托架法、钢支撑临时固结、后续挂篮安装等方面，介绍了0号块现浇支架结构的设计及优化方案。王凌云[8]通过对在水中建设0号块支架结构进行了分析研究，得出了0号块在水中施工时，影响其稳定性的因素。苏卫国等[9]采用有限元方法，研究了高支模满堂支架的力学及变形行为，并验证了支架系统的安全性和数值的可靠性。韩江水等[10]采用Midas有限元软件对斜拉桥的动力特性和地震响应进行了空间非线性时程反应分析，考虑桩和土的相互作用，对支座参数进行优化，得出阻尼支座具有隔震效果。Lu P Z，Zhou C，Kim H J等[11～13]对桥梁的安全性和承载力性能展开了研究，并对其钢结构进行了有限元分析。

文章中结合《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018），以青弋江特大桥桥梁工程为例，采用有限元数值模拟对0号块支架结构的稳定性进行分析，可为类似桥梁工程0号块支架结构的设计、计算及施工提供参考。

1 项目概况及支架设计

青弋江特大桥左幅桥梁起讫里程为ZK46+187.545-K48+853.000，全长2664m，右幅桥梁起讫里程为K46+196-K48+853，全长2657m。主要跨越322省道、青弋江及徽水河，左幅0号台-47号墩、右幅0号台-48号墩为分离式布置，左幅48号墩-74号台、右幅49号墩-76号台为整体式布置。跨越青弋江位置桥梁轴线与河道夹角62°，跨越徽水河位置桥梁轴线与河道夹角35°。桥梁跨越青弋江及徽水河位置主桥采用（38.5+68+38.5）m预应力混凝土悬浇连续梁，主墩采用T形独柱墩，群桩基础。引桥桥梁上部结构采用35m钢板组合梁，桥墩采用桩柱式墩，桥台采用柱式台，墩台基础采用桩基础。主桥共有桩基64根，承台16个，墩柱24根。其中左幅12号、13号墩，右幅13号、14号墩位于青弋江中，经施工调查旱季期间左幅11号墩、左幅14号墩、右幅12号墩、右幅15号墩、右幅12号墩、左幅58～59号墩、右幅59～60号墩位于河岸边。

本桥支架结构采用承台设置斜托架支撑0号块与1号块的施工与浇筑，支架结构示意图如图1所示。

图1 支架结构示意图

立柱顶部的横梁构造特点：立柱上方横梁型号为双拼I45b；立柱横向间距为4.5m；沿着横桥向在立柱两侧增加斜托架支撑横梁悬臂，斜托架采用双拼I28a，尺寸如图2所示；在斜托架顶部及底部对应位置设置水平联系杆，上部联系杆采用I14，下侧拉杆采用I28，具体尺寸如图2所示；纵向分配梁采用I14和I28a，其中箱室范围内的间距为400mm，在腹板下方进行加密，按照4×200mm布置。在托架立柱下方纵梁采用I28a，具体尺寸如图3所示。

图2 钢管立柱增加斜支撑托架示意图（横梁优化）

图3 方案调整示意图（纵梁优化）

立柱采用630mm钢管，壁厚10mm，立柱顶部纵向间距为2.5m，立杆与直立杆之间增加联系杆，联系杆竖向可按照2.5m控制，具体尺寸如图4所示。

图4 立柱布置示意图

2 计算参数选择

根据规范《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015），支架的设计应该考虑下列各项荷载。

2.1 模板系统荷载

本项目模板采用木模板系统，模板系统每平方米荷载集度按照q1=1kN/m2计算。

2.2 立柱及横梁、分配梁荷载

结构立柱、横梁、分配梁等主要承重结构的自重均按照结构的实际尺寸计算重量。

2.3 混凝土湿重荷载

根据腹板、箱式、横梁的不同位置进行分区，按照“条分法”加载到各个区域对应的I14分配横梁上，混凝土容重按照26 kN/m3选取。

2.4 施工临时荷载与施工机械荷载

施工临时荷载与施工机械荷载分别为2 kN/m2和2.5kN/m2。荷载取值为q2=4.5kN/m2。

2.5 风荷载

考虑静风压荷载，按照规范取值。

3 基于数值模拟0号块支架结构稳定性分析评价

以青弋江特大桥0号块支架结构为背景，采用商业软件MIDAS CIVIL建立0号块支架结构计算模型，对其稳定性进行分析和评价。考虑到支架结构的承载特点，在计算时将模板以外的构件均进行建模，结构离散后共742个节点，768个单元。

3.1 支架各梁受力计算与分析

3.1.1 立柱顶部I14（I28a）分配梁受力分析

图5为纵梁上下缘正应8-力图和纵梁剪应力图，由图可知在立柱顶部设置I14（I28a）号工字钢作为模板的支撑的分配梁，分配梁在结构自重、模板自重、混凝土浇筑荷载及施工荷载作用的基本组合下的应力分布。分配梁上缘的最大应力为157.9MPa，下缘出现的最大压应力为114.2MPa，均小于材料的设计强度190MPa。顶部纵梁的抗弯强度可满足要求。

图5 立柱顶部I14（I28a）分配梁模拟分析结果

分配梁在荷载基本组合下出现的最大剪应力为62.8MPa，小于材料的抗剪设计强度110MPa。顶部纵梁在腹板下方加密及侧模下方采用I28a后，其抗剪强度可满足要求。

3.1.2 立柱顶部双拼I45b横梁受力分析

图6双拼I45b横梁上下缘正应力图和纵梁剪应力图，由图可知在立柱顶部横梁采用双拼I45b工字钢作为模板的支撑的横梁，双拼I45b横梁在结构自重、模板自重、混凝土浇筑荷载及施工荷载作用的基本组合下的应力分布。外侧布置的横联最大应力为115.9MPa，内侧最大应力为95.9MPa，均大于材料的设计强度190MPa，满足抗弯强度的要求。

图6 立柱顶部双拼I45b横梁模拟分析结果

横梁在荷载基本组合下出现的最大剪应力为32.7MPa，小于材料的抗剪设计强度。立柱顶部设置的双拼I45b横梁的抗剪强度满足要求。

3.1.3 盖梁托架及托架顶横梁受力分析

图7为托架上下缘正应力图和托架剪应力图，由图可知在桥墩盖梁顶部通过预埋件设置斜托架，支撑翼缘板下方模板系统，预埋托架及托架顶部横梁的受力以及托架I28a及托架顶部横梁I28a在结构自重、模板自重、混凝土浇筑荷载及施工荷载作用的基本组合下的应力分布。托架结构上缘的最大应力为33.4MPa，下缘出现的最大应力为17.9MPa，均小于材料的设计强度190MPa。

图7 盖梁托架及托架顶横梁模拟分析结果

托架在荷载基本组合下出现的最大剪应力为11.1MPa，小于材料的抗剪设计强度。托架的抗剪强度可满足要求。

3.2 支架立柱受力分析

3.2.1 支架立柱受力分析

图8为立柱最大正应力图和最大剪应力图，由图可知支架立柱在结构自重、模板自重、混凝土浇筑荷载及施工荷载作用的基本组合下的应力分布。支架立柱采用直径630mm并增加联系杆后，立柱出现的正截面最大应力为133.5MPa，小于材料的设计强度190MPa。

立柱出现的剪应力均很小，最大剪应力为4.9MPa，满足抗剪强度设计要求。

3.2.2 立柱联系杆受力分析

图9为外排支架顶部托架最大正应力图和剪应力图，由图可知支架顶部托架及托架对应联系杆在荷载基本组合下的应力分布，以及托架、联系杆中出现的截面正应力分布，截面出现的最大正应力为48MPa，小于材料的抗弯设计强度190MPa，满足正截面强度设计要求。

图9 外排支架顶部托架受力模拟分析结果

图10为联系杆最大正应力和剪应力图，由图可知支架联系杆在荷载基本组合下的应力分布，以及联系杆中出现的截面正应力分布，截面出现的最大正应力为103.5MPa，小于材料的抗弯设计强度190MPa，满足正截面强度设计要求。

支架联系杆在荷载基本组合下的剪应力分布如图10所示，截面出现的最大剪应力为8.4MPa，小于材料的抗弯设计强度110MPa，满足正截面强度设计要求。

图10 联系杆受力模拟分析结果

3.3 受压杆稳定性计算

3.3.1 钢管立柱

本桥支架的钢管立柱最终采用直径为630mm的钢管立柱，钢管立柱按照计算自由长度9m进行计算，则钢管立柱出现的长细比λ=41.2，受压杆件的稳定系数φ=0.922，考虑立柱材料为Q235钢材，则考虑稳定折减后的允许应力[σ]=175.2MPa，计算所得的最大应力小于133.5MPa，可满足支架的稳定性要求。

3.3.2 顶部斜托架

本钢管立柱顶部双拼I28a斜托架最大压应力为48MPa，压杆按照计算自由长度7.5m（2l）进行计算，则托架的长细比λ=112.4，受压杆件的稳定系数φ=0.52，考虑立柱材料为Q235钢材，则考虑稳定折减后的允许应力[σ]=98.58MPa，计算所得的最大应力小于48MPa，可满足支架的稳定性要求。

3.3.3 联系杆

联系杆最大压应力为103.5MPa，压杆按照计算自由长度1.4m（0.5l）进行计算，则联系杆的长细比λ=80.95，受压杆件的稳定系数φ=0.725，考虑立柱材料为Q235钢材，则考虑稳定折减后的允许应力[σ]=137.8MPa，计算所得的最大应力小于103.5MPa，可满足支架的稳定性要求。

4 结论

①为了保证0号块支架结构的稳定性，在设计时钢管立柱直径为630mm，壁厚10mm，顶部纵向间距为2.5m；横梁采用双拼I45b工字钢，横向间距为4.5m；托架采用双拼I28a工字钢；分配梁采用I14工字钢，其中箱室范围内的间距为400mm，在腹板下方进行加密，按照4×200mm布置；联系杆采用I14工字钢，竖向间距2.5m；翼缘支架下方分配梁采用I28a工字钢。

②支架结构的分配梁、横梁、盖梁托架及托架顶横梁、支架立柱抗剪和抗弯强度的计算结果在规范的允许范围之内，其分配梁最大应力为157.9MPa，剪应力为62.8MPa；横梁最大应力为115.9MPa，剪应力为32.7MPa；盖梁托架最大应力为33.4MPa，剪应力为11.1MPa；支架立柱最大应力为133.5MPa，剪应力为4.9MPa；立柱联系杆最大应力为103.5MPa，剪应力为8.4MPa，最大应力均小于允许应力190MPa，剪应力均小于允许强度110MPa，能够很好地满足规范的要求，说明此0号块支架结构具有良好的稳定性。

③预应力混凝土悬浇梁桥通过既有的规范标准与数值模拟计算的结果较为吻合，说明该支架结构设计符合实际工程需要。

④从支架结构整体设计来看，需要加强对立柱底部预埋件的质量控制，注意对联系杆间距进行控制，避免立柱长细比过大，同时需要注意后排立柱与墩身之间的临时连接，确保立柱总体稳定性。