基于有限元的鋼桁橋懸拼法方案設(shè)計

摘 要：利用對稱懸拼法拼裝鋼桁橋，以達到產(chǎn)品受力合理、費用最低的目的。

關(guān)鍵詞：懸拼；轉(zhuǎn)體；有限元

1 概述

本文所涉及的鋼桁橋為鋼桁梁50米+80米+50米三跨連續(xù)梁，平面位于直線上，豎曲線為R=1800米圓曲線，曲線頂點在中跨跨中位置。該橋采用整體節(jié)點，桁高為變高度，8.8米～15.75米不等，下弦為平弦，上弦為曲弦；節(jié)間長度：中跨為6.67 m，邊跨為7.06米；主桁中心距17.7m。

鋼桁梁由主桁上弦桿、下弦桿、腹桿，橋面系縱梁、橫梁，下平縱聯(lián)、上橫聯(lián)、非機動車道懸臂梁等組成。鋼桁梁為栓焊結(jié)構(gòu)，各桿件截面形式設(shè)計為組焊式箱形和組焊式工形兩種。

2 懸拼法方案簡介

根據(jù)施工圖和現(xiàn)場條件，采用對稱懸拼法施工。

如圖1，鋼梁下弦從梁兩端向中間計算，E1.E2….。在E4、E7、E9點按計算布置臨時支墩，E1點用工程墩，E8墩頂部設(shè)臨時支墩。臨時墩縱橋向距中線8.85米；在距縱橋向距中線12米處布設(shè)臨時龍門吊機棧橋。利用龍門吊機提升鋼桁梁桿件，首先安裝墩頂兩個節(jié)間，經(jīng)調(diào)整姿態(tài)后，與臨時支墩固結(jié)，然后由龍門吊機對稱架設(shè)兩端節(jié)間。中跨架設(shè)至跨中，留上弦桿接口。

通過設(shè)置在E7、E9上的水平及豎向液壓千斤頂進行姿態(tài)調(diào)整，使中跨跨中懸臂端姿態(tài)處于鉛垂面并且各對接節(jié)點處于同一標(biāo)高上以滿足合龍要求。安裝合龍段及端部其余節(jié)段。E7、E9豎向千斤頂同步頂升，挪下E8點臨時支墩，替換上盆式支座并落梁。

3 初始剛性轉(zhuǎn)體計算

施工方案中最關(guān)鍵的工序是跨中兩對接懸臂端姿態(tài)的調(diào)整以及合龍段的安裝。在架設(shè)前通過有限元計算調(diào)整E4、E7、E8、E9點的初始標(biāo)高，使左右半橋相對設(shè)計姿態(tài)具有一定的剛性轉(zhuǎn)體，待左右半橋拼接完成后在自重的作用下兩對接懸臂端姿態(tài)理論上便能滿足合龍要求，從而減少調(diào)整難度并縮短工期。利用BEAM188單元建立鋼桁橋的半橋的有限元模型。

3.1 左半橋剛性轉(zhuǎn)體。利用位移邊界條件定義左半橋E8節(jié)點為初始標(biāo)高為設(shè)計標(biāo)高，E4點標(biāo)高相對設(shè)計標(biāo)高的位移為36.4mm，E7點標(biāo)高相對設(shè)計標(biāo)高的位移為-9.1mm，E9點標(biāo)高相對設(shè)計標(biāo)高的位移為8.6mm，并施加重力。

計算結(jié)果顯示在重力作用下E14節(jié)點（對接節(jié)點）Y方向的位移為21.4mm，繞Z坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)角度為0.129*10-5rad，此時對接轉(zhuǎn)角基本為0。

圖2 位移變化云圖

3.2 右半橋剛性轉(zhuǎn)體。利用位移邊界條件定義右半橋E4點標(biāo)高相對設(shè)計標(biāo)高的位移為3.8mm，E7點標(biāo)高相對設(shè)計標(biāo)高的位移為17.9mm，E8點標(biāo)高相對設(shè)計標(biāo)高的位移為22.6mm，E9點標(biāo)高相對設(shè)計標(biāo)高的位移為27.0mm，并施加重力。

計算結(jié)果顯示在重力作用下E14節(jié)點（對接節(jié)點）Y方向的標(biāo)高為21.4mm，繞Z坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)角度為0.112*10-3rad，此時對接節(jié)點轉(zhuǎn)角基本為0。

根據(jù)以上計算結(jié)果，左右半橋?qū)狱c標(biāo)高一致，并且轉(zhuǎn)角均為0，滿足對接要求。

4 支墩反力計算及鋼橋應(yīng)力分析

為了保證拼接精度，在拼裝過程不允許出現(xiàn)支墩樁基下沉的現(xiàn)象，因此需要計算整個拼裝過程中各樁基的反力值，以保證樁基有足夠的承載力。

圖3 支墩位置

通過對成橋過程中的各典型工況進行有限元建模分析，得出各支墩的樁基支反力最大支反力如下表所示：

墩號 L1 L4 L7 L8 L9

反力 80.5 tf 128.9tf 281.4tf 494.5tf 211.4tf

拼裝過程中產(chǎn)生的最大應(yīng)力為104MPa，發(fā)生于E7、E9點整體頂升落梁工況，如下圖所示：

圖4 整體落梁工況

5 結(jié)論

5.1 通過調(diào)整左右半橋使其相對設(shè)計姿態(tài)具有一定的剛性轉(zhuǎn)體，待左右半橋拼接完成后在自重的作用下兩對接懸臂端姿態(tài)理論上便能滿足合龍要求。

5.2 拼裝過程中鋼橋產(chǎn)生的最大應(yīng)力為104MPa，整體結(jié)構(gòu)安全。有限元計算鋼橋拼裝過程產(chǎn)生的應(yīng)力和變形，對鋼橋拼裝方案的設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻

[1] 陳永勇，唐錄和，姚鋒.南疆特大橋鋼桁梁懸拼架設(shè)技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2007.

[2] 宋亞洲.大跨度斜拉橋鋼主梁懸拼線形施工控制[C].長安大學(xué)，2012.

[3] 陳文海，郭彤.鋼箱梁懸拼階段應(yīng)力與變形分析[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2009.

作者簡介：張寶宏（1983- ），男，工程師，一級建造師，注冊造價師，2004年畢業(yè)于西南交通大學(xué)機械工程及自動化專業(yè)，研究方向：工程機械設(shè)計及特種工法。

摘 要：利用對稱懸拼法拼裝鋼桁橋，以達到產(chǎn)品受力合理、費用最低的目的。

關(guān)鍵詞：懸拼；轉(zhuǎn)體；有限元

1 概述

本文所涉及的鋼桁橋為鋼桁梁50米+80米+50米三跨連續(xù)梁，平面位于直線上，豎曲線為R=1800米圓曲線，曲線頂點在中跨跨中位置。該橋采用整體節(jié)點，桁高為變高度，8.8米～15.75米不等，下弦為平弦，上弦為曲弦；節(jié)間長度：中跨為6.67 m，邊跨為7.06米；主桁中心距17.7m。

鋼桁梁由主桁上弦桿、下弦桿、腹桿，橋面系縱梁、橫梁，下平縱聯(lián)、上橫聯(lián)、非機動車道懸臂梁等組成。鋼桁梁為栓焊結(jié)構(gòu)，各桿件截面形式設(shè)計為組焊式箱形和組焊式工形兩種。

2 懸拼法方案簡介

根據(jù)施工圖和現(xiàn)場條件，采用對稱懸拼法施工。

如圖1，鋼梁下弦從梁兩端向中間計算，E1.E2….。在E4、E7、E9點按計算布置臨時支墩，E1點用工程墩，E8墩頂部設(shè)臨時支墩。臨時墩縱橋向距中線8.85米；在距縱橋向距中線12米處布設(shè)臨時龍門吊機棧橋。利用龍門吊機提升鋼桁梁桿件，首先安裝墩頂兩個節(jié)間，經(jīng)調(diào)整姿態(tài)后，與臨時支墩固結(jié)，然后由龍門吊機對稱架設(shè)兩端節(jié)間。中跨架設(shè)至跨中，留上弦桿接口。

通過設(shè)置在E7、E9上的水平及豎向液壓千斤頂進行姿態(tài)調(diào)整，使中跨跨中懸臂端姿態(tài)處于鉛垂面并且各對接節(jié)點處于同一標(biāo)高上以滿足合龍要求。安裝合龍段及端部其余節(jié)段。E7、E9豎向千斤頂同步頂升，挪下E8點臨時支墩，替換上盆式支座并落梁。

3 初始剛性轉(zhuǎn)體計算

施工方案中最關(guān)鍵的工序是跨中兩對接懸臂端姿態(tài)的調(diào)整以及合龍段的安裝。在架設(shè)前通過有限元計算調(diào)整E4、E7、E8、E9點的初始標(biāo)高，使左右半橋相對設(shè)計姿態(tài)具有一定的剛性轉(zhuǎn)體，待左右半橋拼接完成后在自重的作用下兩對接懸臂端姿態(tài)理論上便能滿足合龍要求，從而減少調(diào)整難度并縮短工期。利用BEAM188單元建立鋼桁橋的半橋的有限元模型。

3.1 左半橋剛性轉(zhuǎn)體。利用位移邊界條件定義左半橋E8節(jié)點為初始標(biāo)高為設(shè)計標(biāo)高，E4點標(biāo)高相對設(shè)計標(biāo)高的位移為36.4mm，E7點標(biāo)高相對設(shè)計標(biāo)高的位移為-9.1mm，E9點標(biāo)高相對設(shè)計標(biāo)高的位移為8.6mm，并施加重力。

計算結(jié)果顯示在重力作用下E14節(jié)點（對接節(jié)點）Y方向的位移為21.4mm，繞Z坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)角度為0.129*10-5rad，此時對接轉(zhuǎn)角基本為0。

圖2 位移變化云圖

3.2 右半橋剛性轉(zhuǎn)體。利用位移邊界條件定義右半橋E4點標(biāo)高相對設(shè)計標(biāo)高的位移為3.8mm，E7點標(biāo)高相對設(shè)計標(biāo)高的位移為17.9mm，E8點標(biāo)高相對設(shè)計標(biāo)高的位移為22.6mm，E9點標(biāo)高相對設(shè)計標(biāo)高的位移為27.0mm，并施加重力。

計算結(jié)果顯示在重力作用下E14節(jié)點（對接節(jié)點）Y方向的標(biāo)高為21.4mm，繞Z坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)角度為0.112*10-3rad，此時對接節(jié)點轉(zhuǎn)角基本為0。

根據(jù)以上計算結(jié)果，左右半橋?qū)狱c標(biāo)高一致，并且轉(zhuǎn)角均為0，滿足對接要求。

4 支墩反力計算及鋼橋應(yīng)力分析

為了保證拼接精度，在拼裝過程不允許出現(xiàn)支墩樁基下沉的現(xiàn)象，因此需要計算整個拼裝過程中各樁基的反力值，以保證樁基有足夠的承載力。

圖3 支墩位置

通過對成橋過程中的各典型工況進行有限元建模分析，得出各支墩的樁基支反力最大支反力如下表所示：

墩號 L1 L4 L7 L8 L9

反力 80.5 tf 128.9tf 281.4tf 494.5tf 211.4tf

拼裝過程中產(chǎn)生的最大應(yīng)力為104MPa，發(fā)生于E7、E9點整體頂升落梁工況，如下圖所示：

圖4 整體落梁工況

5 結(jié)論

5.1 通過調(diào)整左右半橋使其相對設(shè)計姿態(tài)具有一定的剛性轉(zhuǎn)體，待左右半橋拼接完成后在自重的作用下兩對接懸臂端姿態(tài)理論上便能滿足合龍要求。

5.2 拼裝過程中鋼橋產(chǎn)生的最大應(yīng)力為104MPa，整體結(jié)構(gòu)安全。有限元計算鋼橋拼裝過程產(chǎn)生的應(yīng)力和變形，對鋼橋拼裝方案的設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻

[1] 陳永勇，唐錄和，姚鋒.南疆特大橋鋼桁梁懸拼架設(shè)技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2007.

[2] 宋亞洲.大跨度斜拉橋鋼主梁懸拼線形施工控制[C].長安大學(xué)，2012.

[3] 陳文海，郭彤.鋼箱梁懸拼階段應(yīng)力與變形分析[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2009.

作者簡介：張寶宏（1983- ），男，工程師，一級建造師，注冊造價師，2004年畢業(yè)于西南交通大學(xué)機械工程及自動化專業(yè)，研究方向：工程機械設(shè)計及特種工法。

摘 要：利用對稱懸拼法拼裝鋼桁橋，以達到產(chǎn)品受力合理、費用最低的目的。

關(guān)鍵詞：懸拼；轉(zhuǎn)體；有限元

1 概述

本文所涉及的鋼桁橋為鋼桁梁50米+80米+50米三跨連續(xù)梁，平面位于直線上，豎曲線為R=1800米圓曲線，曲線頂點在中跨跨中位置。該橋采用整體節(jié)點，桁高為變高度，8.8米～15.75米不等，下弦為平弦，上弦為曲弦；節(jié)間長度：中跨為6.67 m，邊跨為7.06米；主桁中心距17.7m。

鋼桁梁由主桁上弦桿、下弦桿、腹桿，橋面系縱梁、橫梁，下平縱聯(lián)、上橫聯(lián)、非機動車道懸臂梁等組成。鋼桁梁為栓焊結(jié)構(gòu)，各桿件截面形式設(shè)計為組焊式箱形和組焊式工形兩種。

2 懸拼法方案簡介

根據(jù)施工圖和現(xiàn)場條件，采用對稱懸拼法施工。

如圖1，鋼梁下弦從梁兩端向中間計算，E1.E2….。在E4、E7、E9點按計算布置臨時支墩，E1點用工程墩，E8墩頂部設(shè)臨時支墩。臨時墩縱橋向距中線8.85米；在距縱橋向距中線12米處布設(shè)臨時龍門吊機棧橋。利用龍門吊機提升鋼桁梁桿件，首先安裝墩頂兩個節(jié)間，經(jīng)調(diào)整姿態(tài)后，與臨時支墩固結(jié)，然后由龍門吊機對稱架設(shè)兩端節(jié)間。中跨架設(shè)至跨中，留上弦桿接口。

通過設(shè)置在E7、E9上的水平及豎向液壓千斤頂進行姿態(tài)調(diào)整，使中跨跨中懸臂端姿態(tài)處于鉛垂面并且各對接節(jié)點處于同一標(biāo)高上以滿足合龍要求。安裝合龍段及端部其余節(jié)段。E7、E9豎向千斤頂同步頂升，挪下E8點臨時支墩，替換上盆式支座并落梁。

3 初始剛性轉(zhuǎn)體計算

施工方案中最關(guān)鍵的工序是跨中兩對接懸臂端姿態(tài)的調(diào)整以及合龍段的安裝。在架設(shè)前通過有限元計算調(diào)整E4、E7、E8、E9點的初始標(biāo)高，使左右半橋相對設(shè)計姿態(tài)具有一定的剛性轉(zhuǎn)體，待左右半橋拼接完成后在自重的作用下兩對接懸臂端姿態(tài)理論上便能滿足合龍要求，從而減少調(diào)整難度并縮短工期。利用BEAM188單元建立鋼桁橋的半橋的有限元模型。

3.1 左半橋剛性轉(zhuǎn)體。利用位移邊界條件定義左半橋E8節(jié)點為初始標(biāo)高為設(shè)計標(biāo)高，E4點標(biāo)高相對設(shè)計標(biāo)高的位移為36.4mm，E7點標(biāo)高相對設(shè)計標(biāo)高的位移為-9.1mm，E9點標(biāo)高相對設(shè)計標(biāo)高的位移為8.6mm，并施加重力。

計算結(jié)果顯示在重力作用下E14節(jié)點（對接節(jié)點）Y方向的位移為21.4mm，繞Z坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)角度為0.129*10-5rad，此時對接轉(zhuǎn)角基本為0。

圖2 位移變化云圖

3.2 右半橋剛性轉(zhuǎn)體。利用位移邊界條件定義右半橋E4點標(biāo)高相對設(shè)計標(biāo)高的位移為3.8mm，E7點標(biāo)高相對設(shè)計標(biāo)高的位移為17.9mm，E8點標(biāo)高相對設(shè)計標(biāo)高的位移為22.6mm，E9點標(biāo)高相對設(shè)計標(biāo)高的位移為27.0mm，并施加重力。

計算結(jié)果顯示在重力作用下E14節(jié)點（對接節(jié)點）Y方向的標(biāo)高為21.4mm，繞Z坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)角度為0.112*10-3rad，此時對接節(jié)點轉(zhuǎn)角基本為0。

根據(jù)以上計算結(jié)果，左右半橋?qū)狱c標(biāo)高一致，并且轉(zhuǎn)角均為0，滿足對接要求。

4 支墩反力計算及鋼橋應(yīng)力分析

為了保證拼接精度，在拼裝過程不允許出現(xiàn)支墩樁基下沉的現(xiàn)象，因此需要計算整個拼裝過程中各樁基的反力值，以保證樁基有足夠的承載力。

圖3 支墩位置

通過對成橋過程中的各典型工況進行有限元建模分析，得出各支墩的樁基支反力最大支反力如下表所示：

墩號 L1 L4 L7 L8 L9

反力 80.5 tf 128.9tf 281.4tf 494.5tf 211.4tf

拼裝過程中產(chǎn)生的最大應(yīng)力為104MPa，發(fā)生于E7、E9點整體頂升落梁工況，如下圖所示：

圖4 整體落梁工況

5 結(jié)論

5.1 通過調(diào)整左右半橋使其相對設(shè)計姿態(tài)具有一定的剛性轉(zhuǎn)體，待左右半橋拼接完成后在自重的作用下兩對接懸臂端姿態(tài)理論上便能滿足合龍要求。

5.2 拼裝過程中鋼橋產(chǎn)生的最大應(yīng)力為104MPa，整體結(jié)構(gòu)安全。有限元計算鋼橋拼裝過程產(chǎn)生的應(yīng)力和變形，對鋼橋拼裝方案的設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻

[1] 陳永勇，唐錄和，姚鋒.南疆特大橋鋼桁梁懸拼架設(shè)技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2007.

[2] 宋亞洲.大跨度斜拉橋鋼主梁懸拼線形施工控制[C].長安大學(xué)，2012.

[3] 陳文海，郭彤.鋼箱梁懸拼階段應(yīng)力與變形分析[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2009.

作者簡介：張寶宏（1983- ），男，工程師，一級建造師，注冊造價師，2004年畢業(yè)于西南交通大學(xué)機械工程及自動化專業(yè)，研究方向：工程機械設(shè)計及特種工法。