超宽桥现浇段贝雷梁柱式支架的非线性分析

近年来，随着现代经济的不断发展，车流量不断增加 ，特别是机场高速等重要交通干道，主要采取增加路幅宽度的方式来保证道路的安全与畅通，其中对于桥梁宽度超过20m，且宽跨比大于1的桥梁，称之为超宽桥。超宽桥主要在横向分布上相比常规桥梁差异较大，特别是钢筋混凝土箱形截面梁桥，因其横向宽度较大，无法采用预制或悬臂方法进行施工，常常首先搭设贝雷梁柱式支架或碗扣式满堂支架 ，随后浇筑主梁，最终拆除支架完成该桥的施工，贝雷梁支架是现浇梁拱施工中较为常用的支架形式，特别是对于中小跨径桥梁，其在安全性 、适用性方面较为突出，且其相比碗扣式满堂支架也较为经济 。但应用其在对超宽桥进行施工时，由于桥面宽度较大，支架墩底在钢筋混凝土的重荷载作用下，贝雷梁柱式支架的挠度变大，且支座处剪力也显著提高，尤其是在连续支架中可能产生基底不均匀沉降时，提高其承载能力与稳定性是保证超宽桥现浇段施工的关键。

本文以24.6m宽，23m 长 ，宽跨比达到 1.07的超宽桥施工支架为研究对象。通过建立有限元模型，分析得到施工支架，特别是各贝雷片的稳定性与极限承载能力。为成都天府机场高速公路TJ7标高明互通超宽桥的施工提供保障，也对今后同类型桥梁的设计、施工与研究提供参考。

本桥位于成都天府国际机场高速公路主线，起、止点与路基连接。桥长243.1m，全桥共3联 ，孔跨布置为（3×25m＋23m）＋52.5m＋（27.8m＋30m＋27.8m）。上部构造第一联采用预应力混凝土现浇连续梁，第二联采用钢材—混凝土组合梁，第三联采用预应力混凝土现浇连续梁。下部构造采用柱式桥墩，并设立肋板式桥台。

第一联与第三联连续梁采用单箱五室箱形梁，其梁高为1.8m， 翼缘悬臂长2.0m，箱梁顶板厚25cm，底板厚25cm，跨中腹板厚50cm，墩顶支点,附近腹板厚70cm，在支点截面处设置两处横梁，其中，中部横梁宽度3m，端部横梁宽度2m，在每跨的跨中附近设置一道宽30cm的横隔板。

本桥位于成都天府国际机场高速公路主线，起、止点与路基连接。桥长243.1m，全桥共3联 ，孔跨布置为（3×25m＋23m）＋52.5m＋（27.8m＋30m＋27.8m）。上部构造第一联采用预应力混凝土现浇连续梁，第二联采用钢材—混凝土组合梁，第三联采用预应力混凝土现浇连续梁。下部构造采用柱式桥墩，并设立肋板式桥台。

第一联与第三联连续梁采用单箱五室箱形梁，其梁高为1.8m， 翼缘悬臂长2.0m，箱梁顶板厚25cm，底板厚25cm，跨中腹板厚50cm，墩顶支点,附近腹板厚70cm，在支点截面处设置两处横梁，其中，中部横梁宽度3m，端部横梁宽度2m，在每跨的跨中附近设置一道宽30cm的横隔板。

支架采用螺旋管及工字钢组合，下部为630mm×8mm的螺旋焊管，每跨之间设置3排螺旋焊管，螺旋焊管顶部焊接80cm×80cm×2cm的钢板，钢板上部为直径45cm的落模砂箱，砂箱上部为横向双拼I40a工字钢作垫梁，垫梁上采用321贝雷片，间距0.9m，贝雷片上I40a工字钢间距0.4m作为分配梁。箱梁模板底部底模、内模采用竹胶板，侧模板采用钢模。支架搭设下图所示。

本文采用双重非线性分析，即同时考虑几何非线性与材料非线性。对于复杂的空间梁单元构件，其几何非线性主要体现在结构应变较小，而位移较大的特性，使用更新的拉格朗日法，其平衡方程建立在结构变形后平衡状态上。本文通过逐渐增加施工荷载的方法来进行对结构承载能力及稳定性的分析，在荷载逐渐增加的过程中，结构刚度与材料强度不断发生变化。当结构的承载力到达极限时，所加外荷载使得构件的应力影响结构前线刚度矩阵，直至其趋于奇异。此时，结构稳定性丧失，结构完全破坏。运用此方法对结构的力学性能进行全过程分析，并得到结构极限承载力、相对应的位移及构件应力。

钢材为各向同性材料，采用理想弹塑性屈服准则模型的本构方程可表示为：

其中本次拱肋分析采用Von-Mises屈服准则进行判别。

使用ANSYS有限元软件建立现浇段施工支架的空间有限元模型如图所示。

其中垫梁、贝雷片与螺旋管均采用Beam188单元模拟，各构件间均采用铰接方式连接。为更加真实地模拟该支架在螺旋管沉降作用下的受力性能，对螺旋管底部采用固结的边界条件，并计入相应的支座强制位移。

根据现浇梁截面及实际支架受力情况，对现浇梁截面进行以下划分并计算其荷载，其中 ? 对于单跨腹板部位荷载：

（1）梁重量荷载，1.51㎡×2.5t/m? ×13.5m＋（1.51＋2.04）/2㎡×2.5t/m×4m＋（2.04＋2.52）/2㎡×2.5t/m?×1.25m×2＝82.9625t

（2） 模板（单侧侧模）重量，根据模板方案为7.425t。最终考虑1.2倍系数，总重为：1.2×（7.425＋82.9625）＝108.465t

对于单跨底板部位荷载梁重量荷载：（1）0.7062㎡×2.5t/m?×13.5m＋（0.7062＋1.4125）/2㎡×2.5t/m×2m×2＋（1.4125＋1.9775）/2㎡×2.5t/m?×1.25m×2＝45.02t；

（2）模板（底模及内膜）重量，根据模板方案为9t。 最终考虑1.2倍系数，总重为：

1.2×（45.02＋9）＝64.824t。

根据以上单跨现浇段施工荷载，于各预压堆放荷载处添加虚拟纵梁，并将虚拟纵梁与全桥

支架进行组合，以便全桥施工支架能够协同受力。

选取工况，工况1：自重＋混凝土梁自重荷载；

工况2：自重＋混凝土梁自重荷载＋跨中沉降。其中稳定系数计算结果见下表。

由计算结果可知（如图3），支座沉降对于贝雷梁柱式支架的影响非常显著，其中稳定系数相比工况1的施工荷载减小15.94%。

由支架的稳定系数可知，贝雷梁柱式支架整体稳定性较好，其中第1阶稳定系数在不计入跨中支座沉降的情况下达到4.17， 达到了构件稳定系数的,最低要求。

且由支架各阶的失稳模态可知，对于超宽桥现浇段贝雷梁柱式支架，其在现浇段混凝土的

自重作用下，跨中墩柱与贝雷梁及贝雷梁与贝雷梁连接处出现受压失稳破坏。且由于该桥宽度较大，故在该桥中心或四分之一处出现局部破坏。同时，螺旋管柱亦出现明显失稳破坏，但由于螺旋管柱的横向联系及整体性较好，故破坏程度较小。对于工况2，即加入跨中沉降的荷载时，由于各支架的沉降程度不同，这致使其影响了支架的相互联系，整体刚度削减较为明显，跨中破坏更加明显。

为简化计算，提高非线性分析的计算效率，分别将全桥支架计算分为上部的贝雷架分析与下部螺旋管墩柱的承载力计算，其中各构件的有限元模型如图4 所示。通过非线性分析，对各结构的承载力进行计算研究，得到各构件模型的荷载—位移曲线，如图5所示，各构件的应力及位移云图如图6、图7所示。

如图5所示，贝雷架的最大承载力为每延米111.30KN，螺旋管墩柱的最大承载力为每延米

2076.52螺旋管墩柱的承载力为贝雷架的18.66倍，其横向联系及钢管柱的稳定性使该桥下部结构的整体性与承载能力极佳。即使计入螺旋管墩柱在环境影响下出现强度下降及横向联系节点的锈蚀破坏，螺旋管墩柱的承载力依然符合该桥承载力的要求。而贝雷架的极限承载力仅为实际加载的1.48倍，其在环境影响及长期荷载的作用下，材料强度将显著降低。且从已建钢便桥在长期荷载作用下的破坏现象可明显看出，贝雷片的上下弦杆均出现明显的扭转与变形，同时贝雷片各连接节点由于锈蚀作用，整体性与结构强度明显减小。

由图6可以看出，上部结构最大位移出现在各跨跨中处，而最大应力主要出现在各支座处，且由于各贝雷片之间均为铰接，故应力在纵桥向各贝雷片之间的传递不太明显。但由于各贝雷片横向联系的影响，使得贝雷片之间横向应力与变形的传递效果显著。且对于超宽梁桥，其横向宽度超过纵向的长度，这使其横向的稳定性与整体性对该桥施工的安全性有着显著影响。无论是贝雷架还是螺旋管墩柱，其最大组合应力于最大弯曲应力极为相近，且组合应力均大于弯曲应力。

从图7可以看出，在荷载作用下，该桥中心部分的螺旋管墩柱出现明显的纵向偏位，这说明 该超宽梁桥螺旋管墩柱的横向稳定极好，远超过该桥施工所需承载力要求。该桥应力主要集中在墩柱底部，且最大应力出现在该桥两侧墩柱的底部。

对于超宽桥，其横向的整体性与稳定性对该桥施工的安全性，及设计的有效性都有着至关重要的影响。为了探讨分配梁布置对于该桥支架承载力的影响，以前述模型为基础，保持其他参数不变，分别建立分配梁间距为0.6、0.5、0.4、0.3、0.2的现浇支架模型，进行非线性分析，结果如图8所示。

由图 8可以看出，当分配梁间距由0.3-0.5m变化时，该桥现浇段支架极限承载能力随着分配梁间距的减小，支架极限承载能力显著提升。但当分配梁间距由0.3-0.2m变化时，结构复杂程度提高，且造价也显著提高，所以该桥支架分配梁间距以0.3m为宜。

对于贝雷梁柱式支架，贝雷梁的间距与布置方式是现浇支架承载能力的重要参量，以前述模型为基础，保持其他参数不变，分别贝雷梁间距为0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2的模型进行非线性分析，结果如图9所示。

从图9可以看出，贝雷梁布置相比分配梁间距对该贝雷梁柱式支架承载力的影响更为显著，且随着贝雷梁间距的减小，该支架承载力显著提升。同时，可对贝雷片进行优化设计，即在中心位置将贝雷片间距调整为0.8m，而支架两侧贝雷片间距依然为1.0m。适当地进行优化设计，该支架的承载能力得到显著提升的同时，其造价也可明显降低。并且，合理布置贝雷片，对超宽桥现浇段在施工过程中可能存在的检修提供方便。同时，当其受到长期荷载作用及钢材腐蚀作用时，该支架依然可以为施工提供安全的保证。

（1）对于贝雷梁柱式支架，特别是超宽桥现浇段的支架，其支架间联系较为复杂，施工中的结构偏位与安装误差等因素使其仅进行屈曲分析是完全不够的，必须同时进行结构的几何与材料非线性分析，才能够对该支架的极限承载能力进行较为合理的评价。

（2）对于超宽桥现浇段贝雷梁柱式支架，其在现浇段混凝土的自重作用下，跨中墩柱与贝雷梁及贝雷梁与贝雷梁连接处出现受压失稳破坏。且由于该桥宽度较大，在该桥中心或四分之一处出现局部破坏。同时，螺旋管柱亦出现明显失稳破坏，但由于螺旋管柱的横向联系及整体性较好，故破坏程度较小。

（3）经过计算分析，该贝雷梁柱式支架承载力主要破坏为跨中支座处贝雷片的受压破坏及边跨贝雷片的局部失稳破坏。提高贝雷片横向布置数量或集中贝雷片布置于中心位置，可显著提高该贝雷梁柱式支架的承载能力与稳定性，对施工支架进行合理的优化布置，可显著提高超宽桥在施工过程中的安全性。

（4）贝雷梁布置相比分配梁间距对贝雷梁柱式支架承载力的影响更为显著，且随着贝雷梁间距的减小，该支架承载力显著提升。适当地进行优化设计，该支架的承载能力得到显著提升的同时，其造价也可明显降低。