重型汽車吊吊裝鋼箱梁過(guò)程中的結(jié)構(gòu)加固措施

張 泳

（中冶南方工程技術(shù)有限公司交通市政分公司，武漢 430223）

在現(xiàn)代橋梁建設(shè)過(guò)程中，預(yù)制拼裝橋梁結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，如預(yù)制預(yù)應(yīng)力空心板梁、預(yù)制小箱梁以及絕大部分鋼梁橋。在拼裝過(guò)程中重型汽車吊是經(jīng)常需要用到的施工機(jī)械，特別在水上作業(yè)時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)在未完成結(jié)構(gòu)上放置重型汽車吊吊裝預(yù)制梁段的情況。由此也引發(fā)了大量的施工過(guò)程中的支撐體系和橋梁結(jié)構(gòu)的局部加固問題，該文即以武漢八一路延長(zhǎng)線光谷大橋施工過(guò)程中出現(xiàn)的此類問題進(jìn)行分析討論。

1 工程背景

該文的工程背景為八一路延長(zhǎng)線光谷大橋（廟湖段），該橋?yàn)檫B續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)，由于市內(nèi)運(yùn)輸?shù)脑?，施工方法為縱、橫均分段，廠內(nèi)制作，現(xiàn)場(chǎng)龍門吊吊裝。在實(shí)施過(guò)程中設(shè)計(jì)方案做了調(diào)整，部分梁段在龍門吊覆蓋范圍之外，須拆除龍門吊后采用汽車吊吊裝。支架體系為鋼管樁結(jié)構(gòu)，鋼管樁頂面架設(shè)水平梁（H型鋼），水平梁頂面通過(guò)短鋼管柱調(diào)整標(biāo)高。龍門吊覆蓋范圍內(nèi)梁段已吊裝焊接完畢，文章討論余下需要用到240t汽車吊在已吊裝箱梁結(jié)構(gòu)上吊裝的梁段。

2 幾種加固問題及其解決辦法

2.1 加固問題及出現(xiàn)的原因

240t汽車吊自重72t，需要吊裝的構(gòu)件自重最大為42t，吊車配重為22t（非滿配重），在起吊狀態(tài)全車最大質(zhì)量為136t，如此大的幾種荷載作用在鋼橋上，且鋼橋的翼緣未安裝，支撐體系根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)沉降較大，鋼橋的整體承載能力需要校核；鋼箱梁橋面板設(shè)計(jì)汽車車輛荷載為55t且鋼橋尚未鋪裝橋面，因此鋼箱梁橋面板的局部輪壓承載力需要校核；在吊車起吊狀態(tài)吊車支承點(diǎn)集中力最大值為61t，這種集中力橋面板無(wú)法承受，需要采取加固措施；由于施工誤差較大，支撐體系鋼管樁偏離箱梁橫隔板較大（最大處接近0.5m），水平梁上端短鋼管柱基本都未布置在底板下靠近縱腹板或橫隔板處，當(dāng)?shù)跹b位置接近水平梁位置時(shí)，短鋼柱最大軸向力達(dá)到16t，底板局部承載力不足，需要采取加固措施；混凝土承臺(tái)上的支撐鋼管過(guò)于靠近承臺(tái)邊緣，上端與箱梁底板接觸面偏離了橫隔板與腹板，對(duì)底板受力極其不利，且上下端均未加設(shè)墊板，接觸面局部承壓也存在較大問題，其中混凝土承臺(tái)邊緣已經(jīng)出現(xiàn)了局部混凝土保護(hù)層剝落的情況；4＃與5＃鋼橋墩上球型支座底部未澆二次澆灌層，支座不能承受荷載，且該側(cè)需吊裝較重梁段，所以承臺(tái)上的支撐體系需要加固，用于承擔(dān)吊車吊裝引起的附加荷載。

2.2 加固問題的解決辦法

為解決上述各種問題，經(jīng)過(guò)多方面的調(diào)查、計(jì)算分析和討論最終采取了以下措施：

1）復(fù)核鋼橋整體承載力和局部輪壓承載力。

2）選擇合理的吊車吊裝站位，并在吊車支點(diǎn)鋪設(shè)H型鋼將吊車荷載傳至橫隔梁（間距2m），荷載以盡量短的途徑傳至箱梁支點(diǎn)。

3）在支座旁加設(shè)支撐鋼柱，將橋面荷載傳至混凝土承臺(tái)。調(diào)整其他支撐鋼柱位置到端橫梁或縱腹板上，在支撐鋼柱頂?shù)酌嬖O(shè)置鋼墊板，改善局部承壓受力。

4）在梁底橫隔板梁和縱腹板交接處加設(shè)支撐短鋼管柱，并在柱頭加設(shè)鋼墊板。

3 幾種加固措施的數(shù)值分析論證

該次分析所選的鋼橋材料為Q345D，支撐體系材料為Q235B，用ANSYS大型模擬分析軟件進(jìn)行數(shù)值分析。

3.1 鋼橋整體承載力分析

荷載：選取單個(gè)支腿最大豎向荷載為61t，即610kN，兩個(gè)支腿相距9.6m，全橋受力，考慮沖擊系數(shù)1.3，偏載系數(shù)1.25（利用剛性橫梁法算得橫向分布系數(shù)）［1］。

截面：翼緣已安裝，但焊接未完成，這里偏保守的不考慮其為結(jié)構(gòu)的一部分，僅考慮為附加荷載。

對(duì)鋼橋整體承載力分析中選取的單元類型為3D梁?jiǎn)卧狟EAM44。由于支撐體系的不可靠，此有限元模型不考慮支撐體系的作用。

計(jì)算所得最大正彎矩為27 400kN·m，位置為邊跨中區(qū)域。對(duì)跨中截面按EC3［2］規(guī)范計(jì)算有效截面，算得截面下緣最大拉應(yīng)力為142MPa。計(jì)算所得最大負(fù)彎矩為26 480kN·m，位置為邊支點(diǎn)。計(jì)算得到支點(diǎn)截面下緣最大壓應(yīng)力為136MPa。

計(jì)算結(jié)果表明成橋狀態(tài)在翼緣未安裝的情況下，240t汽車吊上橋整體受力是安全的。由于還未考慮支撐體系和翼緣的有利作用，結(jié)構(gòu)整體受力不存在問題。

3.2 鋼橋面板局部輪壓承載力分析

荷載：空車行駛狀態(tài)單個(gè)軸重12t，單個(gè)輪載為6t，沖擊系數(shù)取1.3［6］。

模型：采用3D殼體單元shell63，建立2跨連續(xù)橋面板模型。輪壓著地面積為0.2×0.2的正方形區(qū)域［6］。其中頂板厚度為16mm；U型加勁肋高280mm，厚度為8mm。剛橋面板模型如圖1所示。圖2為兩種較不利工況下橋面板應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。由應(yīng)力圖可知，橋面板局部輪載作用下最大應(yīng)力為72MPa＜200MPa［7］，結(jié)構(gòu)是安全的。

3.3 汽車吊打腳處鋼橋面板的局部承壓分析

荷載：建立240t汽車吊360°旋轉(zhuǎn)模型，求得吊車打腳點(diǎn)吊裝過(guò)程中最大豎向集中力為61t。

加固措施：在3.2小節(jié)建立的橋面板模型上加設(shè)厚度40mm鋼板依然不能滿足局部承重的要求，為此在經(jīng)過(guò)詳盡的討論、計(jì)算后，決定在兩道橫隔板之間加設(shè)工字鋼，將61t的集中荷載作用到工字鋼上，從而將集中荷載分散到2個(gè)相鄰橫隔板上?？紤]到虛腹橫隔板和實(shí)腹橫隔板的各自間距4m，且交替布置，調(diào)整了工字鋼的擺放角度，使工字鋼虛腹橫隔板端盡量的靠近腹板。

由此實(shí)腹橫隔板上承受集中荷載FS＝（1.18/2）×61＝36t，空腹橫隔板上集中荷載FX＝61－36＝25t。

有限元模型：使用SHELL63殼體單元，建立一段長(zhǎng)度為3m的橫隔板局部承壓有限元模型。各主要板件尺寸為：頂板16mm，底板14mm，頂板U型加勁肋8mm，底板I型加勁肋12mm，虛腹與實(shí)腹橫隔板12mm，虛腹橫隔板翼緣加勁肋12mm，工字鋼型號(hào)為400×400×12×20（單位：mm）。橫隔板處局部承壓模型見圖3。

計(jì)算結(jié)果與分析：以von Mises應(yīng)力［3－4］為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，求得橫隔板局部承壓應(yīng)力結(jié)果如圖4所示。分析中用了兩個(gè)計(jì)算假定：1）工字鋼與橋面不接觸，僅支承在兩塊橫隔板上；2）工字鋼與橋面全程接觸。

圖4計(jì)算結(jié)果表明，假定（1）計(jì)算結(jié)果較為不利。由計(jì)算結(jié)果可知，應(yīng)力最大值為134MPa＜200MPa，該加固措施可以滿足橫隔板局部承壓要求。

3.4 底板支撐短柱接觸面局部承壓分析

加固措施：鋼箱梁下未放置于橫隔板正下方的調(diào)節(jié)短柱，需在短柱頂面墊設(shè)20mm厚鋼板，并調(diào)整短柱位置，使其位于縱腹板的正下方。為防止鋼箱梁水平移動(dòng)，在外腹板和水平梁之間焊接支撐。

有限元模型：利用SOLID189單元建立支撐短柱與箱梁底面的局部承壓模型，如圖5所示。其中，短柱高300mm，壁厚8mm，材質(zhì)為Q235。墊板尺寸為300mm×300mm，厚度為12mm（實(shí)際為了使短柱頂緊底板，所墊鋼板厚度一般都能達(dá)到20mm以上）。

荷載施加：?jiǎn)蝹€(gè)短柱軸向力FI＝51t/4×1.25＝16t，其中1.25為偏載系數(shù)。

求得局部承壓應(yīng)力結(jié)果如圖6。以von Mises應(yīng)力為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。由計(jì)算結(jié)果可知，底板端面von Mises應(yīng)力最大值188MPa＜300MPa。腹板von Mises應(yīng)力最大值78MPa＜200MPa，該加固措施可以滿足箱梁底板局部承壓要求。

3.5 較重構(gòu)件吊裝時(shí)的腹板穩(wěn)定分析

荷載：吊裝構(gòu)件1（質(zhì)量38t）時(shí)支撐柱最大豎向荷載為（5.3/7.35）×61×1.3＝57t。吊裝構(gòu)件2（質(zhì)量42t）時(shí)支撐柱最大豎向荷載為65t。

由于這兩個(gè)構(gòu)件均位于橋墩處，故在相應(yīng)橋墩處加設(shè)直徑630mm鋼管柱作為加固措施。鋼管樁下部與承臺(tái)接觸面墊置鋼板，頂部支撐鋼箱梁底部（隔板或腹板正下方），并加設(shè)鋼墊板。其中吊裝構(gòu)件1時(shí)，鋼箱梁的受力較為不利，當(dāng)?shù)跹b構(gòu)件1時(shí)，缺口處箱梁未成為完整箱體；其中吊車站位及加固鋼柱布置見圖7。

在吊裝構(gòu)件1時(shí)，箱梁缺口處增加的支撐鋼柱上緣支撐在箱梁腹板上，因?yàn)闃?gòu)件1為合攏段，該處梁端箱梁腹板為懸挑板，懸挑長(zhǎng)度為1.5m。位置1處懸挑腹板和加固支撐連接見圖8。

有限元模型：將位置1處箱梁腹板模型做適當(dāng)簡(jiǎn)化，使用3D殼體單元shell63建立端部腹板穩(wěn)定計(jì)算有限元模型，求得腹板一階屈曲模態(tài)如圖9所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，一階失穩(wěn)模態(tài)的穩(wěn)定系數(shù)為2.094，模態(tài)為腹板失穩(wěn)，因此腹板不存在穩(wěn)定問題。

實(shí)施過(guò)程中除嚴(yán)格按要求進(jìn)行加固外，對(duì)每一階段吊裝時(shí)汽車吊支承點(diǎn)都通過(guò)圖紙表示出來(lái)并按圖定位，同時(shí)吊裝過(guò)程中測(cè)量人員全程監(jiān)控，以確保永久結(jié)構(gòu)的安全。

4 結(jié) 論

實(shí)踐證明以上計(jì)算分析采取的各種加固措施均是有效合理的，在能夠保證施工安全的同時(shí)，也可以充分滿足施工的便利性。但須說(shuō)明的是，合理的鋼箱梁分段和施工方案、良好的支撐體系施工質(zhì)量對(duì)工程施工的質(zhì)量安全是至關(guān)重要的。此外，工程實(shí)際施工中也出現(xiàn)了一些問題，這主要是對(duì)施工方案的制定不夠深入仔細(xì)以及現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)支架施工質(zhì)量不精細(xì)等造成的。建議在積累橋梁加固經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)吸取以上教訓(xùn)，把可能發(fā)生的問題消滅在施工組織設(shè)計(jì)階段。

［1］ 項(xiàng)海帆.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論［M］.北京.人民交通出版社，2001.

［2］ Eurocode 3：Design of STeel STrucTures［S］.

［3］ 劉宏文.材料力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［4］ 陳明祥.彈塑性力學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2010.

［5］ 小西一郎.鋼橋［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，1980.

［6］ JTG D60—2004.公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.

［7］ TB 10002.2—2005.鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.