連續(xù)鋼箱梁吊裝施工及其力學(xué)特性的分析

彭觀眾

(湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410004)

連續(xù)鋼箱梁吊裝施工及其力學(xué)特性的分析

彭觀眾

(湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410004)

以某橋梁為實例，主橋采用等截面連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)，全橋配跨為(25+58+25)m。選用鋼箱梁吊裝施工方案及流程。在鋼箱梁梁塊運(yùn)輸、吊裝整體過程中，鋼箱梁結(jié)構(gòu)以及具備充足的強(qiáng)度和剛度，是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與滿足正常成橋狀態(tài)的關(guān)鍵。為此，運(yùn)用大型通用有限元軟件，對鋼箱梁運(yùn)輸過程以及吊裝過程建立了精度的殼單元建模，對整體內(nèi)力與局部變形進(jìn)行了分析，并得出相應(yīng)結(jié)論，為指導(dǎo)鋼箱梁安全施工提供理論保障。

鋼箱梁； 整體吊裝； 殼單元； 內(nèi)力分析； 局部變形

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加快和施工技術(shù)的提高，鋼箱梁由于具有自重輕、經(jīng)濟(jì)、架設(shè)方便等優(yōu)點(diǎn)，成為工程中常采用的結(jié)構(gòu)形式，它一般由頂板、底板、腹板和橫隔板、縱隔板及加勁肋等通過全焊接的方式連接而成。實際應(yīng)用中，鋼箱梁的吊裝施工是一個復(fù)雜過程。黃莊燈等[1]對橋面吊機(jī)的自重和吊裝荷載通過支點(diǎn)力傳遞給鋼箱梁，分析了支承鋼箱梁在吊裝過程中的受力狀況及應(yīng)力分布情況，從而確保施工過程的安全。鄭浩楠等[2]介紹了大節(jié)段鋼箱梁整體制造和整體吊裝的施工工藝。張永濤等[3]對吊裝設(shè)備進(jìn)行選型研究。周旭[4]介紹了變幅式橋面吊機(jī)的安裝調(diào)試與試吊、鋼箱梁吊裝施工。鄭立慶[5]通過對鋼箱梁吊裝施工的探討，對箱梁分段、支架搭設(shè)、吊點(diǎn)布置、吊裝控制要素、吊機(jī)選用及受力驗算的要求做了詳細(xì)的分析。

以往殼結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于航空業(yè)工程、石油化工業(yè)以及大型工程機(jī)械起重設(shè)備的箱體、臂架橋梁結(jié)構(gòu)等[6]。在行業(yè)設(shè)計剖析中選用板殼單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，可以解足夠的精度與良好的效果，因此本文考慮以某橋梁為實例，選用殼單元對鋼箱梁結(jié)構(gòu)建立有限元模型，運(yùn)用ABAQUS有限元軟件，對鋼箱梁梁塊運(yùn)輸、吊裝過程進(jìn)行受力分析，確保施工過程中支承鋼箱梁的安全，同時為同類鋼箱梁吊裝施工提供一些參考。

1 有限殼單元的基本理論

對于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元分析，由于其結(jié)復(fù)雜，一般常采用一部分離散為實體單元，一部分離散為殼單元的體殼組合結(jié)構(gòu)模型。對于體殼組合結(jié)構(gòu)模型，由于體殼單元節(jié)點(diǎn)自由度不一致，因此需要研究和解決兩類不同類型的耦合問題。如圖1所示，三維實體單元與殼單元之間有2個共用節(jié)點(diǎn)，對于三維實體單元，節(jié)點(diǎn)i的物理自由度可以表示為：

對于殼單元，在節(jié)點(diǎn)i的物理自由度為:

圖1 三維實體單元與殼單元共用節(jié)點(diǎn)

2 工程概況

某橋梁平面位于半徑為326.1 m的圓曲線和緩和曲線上，全橋同時在半徑 1 833 m的豎曲線上，中跨跨越江河，南北走向，線路中心與河道斜交角度為右偏80°，橋梁起點(diǎn)樁號為K3+242.500(北端)，終點(diǎn)樁號為K3+325.500(南端)，橋梁中心樁號為K3+271.500，橋梁總長為108 m，橋梁寬度為30.7 m，局部變寬。主橋采用等截面連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)，全橋配跨為(25+58+25)m。主橋采用等截面全焊鋼箱梁結(jié)構(gòu)，單箱十室。道路中心線處梁高為1.9 m，寬度為30.7 m，頂板設(shè)置1.5%單向橫坡，底板與頂板平行，頂板厚度為18mm，中墩位置頂板變厚設(shè)計為20 mm，底板鋼板厚度為18mm，挑臂斜底板和挑臂裝飾板均設(shè)計為12 mm鋼板，鋼板材質(zhì)為Q345QC。橫隔板均按徑向布置，在道路中心線處間距為3.0 m，支座中心線處橫隔板厚度為20 mm，其余橫隔板厚度為14 mm，腹板厚度為14 mm。全橋共設(shè)置普通橫隔板38道，4道橫梁，9種形式；縱隔板(腹板)11道，鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖2。

圖2 連續(xù)鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面示意(單位：cm)

2.1 吊裝方案確定

根據(jù)本工程的鋼構(gòu)件超長超寬，具有重量大、運(yùn)輸線路長、數(shù)量多、歷時長等特點(diǎn)，本橋梁工程總的吊裝施工方案為：汽車吊+浮吊，以浮吊為主吊設(shè)備；晚上運(yùn)輸，白天吊裝。鋼箱梁采用支架法安裝。鋼箱梁縱向分為A、B、C、D、E 5段，橫向分為20塊吊裝塊，其中：A分段設(shè)計為1個橫向吊裝塊，B分段分為(B-1～B-6)6個分塊，C分段分為(C-1～C-6)6個分塊，D分段分為(D-1～D-6)6個分塊，E分段設(shè)計為1個橫向吊裝塊。由于本工程橋梁與河道斜交(右偏80°)，又航道部門要求施工必須留出通航尺寸(22 m)，不允許在河道內(nèi)設(shè)置臨時支架，使得本橋梁分段較長，增大橋梁安裝難度。結(jié)合現(xiàn)場情況，鋼箱梁吊裝采用1臺160 t浮吊(銘鑫浮吊6) 作為主吊，350 t汽吊作為輔吊。

2.2 鋼箱梁吊裝施工流程

按照公路鋼箱梁一般制造方法，結(jié)合現(xiàn)場河道橋位安裝環(huán)境，同時滿足吊裝要求，把鋼箱梁按照縱向 (順橋向) 分段、橫向分塊原則在預(yù)制場內(nèi)整胎正裝制作即在胎架上組拼、焊接和預(yù)拼裝一次性完成，然后分段分塊脫胎，運(yùn)至現(xiàn)場進(jìn)行吊裝。安裝順序是由主橋兩端向中間安裝，并從3號橋臺開始安裝，每一段由橋梁外弧向內(nèi)弧依次安裝，即：A→B→C←D←E，先安裝橋梁兩端A、E兩個橫向塊，再安裝B、D縱向吊裝塊，最后安裝合攏段C。箱梁吊裝施工中，橋面吊機(jī)在船上或附近碼頭拼好后用浮吊直接吊至橋面進(jìn)行安裝。安裝調(diào)試完畢后，就可以在橋塔主跨側(cè)進(jìn)行梁段的懸拼施工。同塔的2臺橋面吊機(jī)同時起吊鋼箱梁，從主墩開始，起吊鋼箱梁段就位，調(diào)整梁段的斜率，與前一梁段進(jìn)行臨時連接，精確控制相鄰梁段間縫寬接近于設(shè)計值，完成箱梁全部截面的焊接，第1次張開拉索；橋面吊機(jī)移去前面位置，第2次張開拉索，起吊下一段鋼箱梁段，完成臨時連接，依次循環(huán)標(biāo)準(zhǔn)梁段安裝。鋼箱梁吊裝流程如圖3所示。

圖3 鋼箱梁吊裝流程

3 鋼箱梁有限元模型分析

根據(jù)浮吊大節(jié)段吊裝方案，首跨梁段施工時，直接利用浮吊吊裝至墩頂臨時支座上方，并精確控制位置；當(dāng)中跨及尾跨梁段施工時，一端利用梁端臨時牛腿掛設(shè)于已架梁段懸臂端，另一端支撐于墩頂臨時支座上方，并利用牛腿與墩頂處的調(diào)位裝置精確調(diào)位。相鄰節(jié)段之間鋼箱梁完成焊接連接后，再進(jìn)行下一跨梁段施工。本次計算選用殼單元進(jìn)行建模，牛腿結(jié)構(gòu)和鋼箱梁均選用30×200×360鋼板，鋼板材質(zhì)均選用Q345C鋼制造，取最長C2塊鋼箱梁進(jìn)行變形計算，內(nèi)容包括運(yùn)輸過程中變形及鋼箱梁在吊裝過程中的變形。C2塊鋼箱梁長39.2 m，寬5 m，重量為117 t。鋼箱梁通過ABAQUS有限元分析時，考慮鋼箱梁在施工階段是采用懸臂拼裝的特點(diǎn)，鋼箱梁段間焊縫連接處的邊界條件用全固結(jié)模擬，另一端部位移邊界條件為全自由，即將梁段考慮為單懸臂構(gòu)件。

3.1 殼單元建模剖析

為了提高求解精度，采用ABAQUS殼單元進(jìn)行建模，其計算效率大大提高，位移變化趨勢幾乎一致，應(yīng)力會在交界處呈現(xiàn)一定程度的不連續(xù)，但對整體應(yīng)力并不影響。鋼箱梁彈性模量取206 GPa，泊松比取0.3，如圖4所示有限元模型。

圖4 C2塊有限元模型

3.1.1 模型荷載及約束情況

鋼箱梁采用運(yùn)梁車進(jìn)行運(yùn)輸，運(yùn)梁車由車頭及托跑組成，鋼箱梁出廠時將運(yùn)梁車上托盤與鋼箱梁進(jìn)行焊接固定，本次模擬通過對鋼箱梁底部靠邊側(cè)2 m處(0.15 m×5 m=0.75 m2)范圍進(jìn)行縱向、橫向、豎向3向約束。鋼箱梁運(yùn)輸過程中，鋼箱梁主要承受自身的自重荷載，考慮到運(yùn)輸過重中豎直方向可能出現(xiàn)的沖擊情況，取1.3荷載沖擊系數(shù)。 即計算運(yùn)輸重量G=1.3×117×9.8 kN=1 490.6 kN。

3.1.2 計算結(jié)果

1) 采用ABAQUS有限元建模進(jìn)行計算，取最長C2塊鋼箱梁進(jìn)行變形驗算，如圖5所示，鋼箱梁最大Mises應(yīng)力值，而鋼箱梁最大Mises應(yīng)力部位如圖6所示。

圖5 鋼箱梁Mises應(yīng)力云圖

圖6 鋼箱梁最大Mises應(yīng)力部位

由圖5和圖6可知，鋼箱梁在運(yùn)輸過程中最大應(yīng)力位置為運(yùn)梁車托盤與箱梁接觸部位，最大壓應(yīng)力為114.2 MPa，小于200 MPa容許值。鋼箱梁各個部位的位移情況如圖7所示。

圖7 鋼箱梁位移云圖

由圖7可知，鋼箱梁最大變形位置為跨中腹板缺失處(另一側(cè)有腹板處變形較小)。鋼箱梁最大變形為14.3 mm，小于35 200 mm/500=70.2 mm，鋼箱梁變形滿足規(guī)范要求。

3.2 實體單元建模剖析

吊裝模型與運(yùn)輸模型類似取最重塊C2進(jìn)行計算，為了提高求解精度鋼箱梁采用殼單元進(jìn)行模擬，而吊耳采用實體單元進(jìn)行模擬。如圖8所示，箱梁吊裝采用8點(diǎn)起吊。吊耳一側(cè)布置4只，布置位置為箱梁橫隔板上方，橫向間距為4.6 m，縱向間距為6 m。

圖8 箱梁吊裝有限元模型

3.2.1 模型荷載及約束情況

鋼箱梁起吊過程中主要承受自身的自重荷載，考慮到起吊過程中豎直方向出現(xiàn)的沖擊情況，取1.3荷載沖擊系數(shù)。即計算吊裝重量為G=1.3×117×9.8 kN=1 490.6 kN。

1)鋼箱梁吊裝時采用卸扣扣緊吊耳進(jìn)行起吊，因此計算時將吊耳穿孔進(jìn)行3向約束。

如圖9～圖12所示鋼箱梁在吊裝過程中最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在吊耳下方U型加勁肋與橫隔板交界處，最大拉應(yīng)力為92.4 MPa，小于170 MPa容許值，符合規(guī)范要求。

圖9 荷載施加情況

圖11 鋼箱梁Mises應(yīng)力云圖

圖12 鋼箱梁最大Mises應(yīng)力部位

圖10 約束條件情況

如圖13所示鋼箱梁最大變形位置為跨中腹板缺失處(另一側(cè)有腹板處變形較小)。鋼箱梁最大變形為3.7 mm，小于23 200 mm/500=46 mm，鋼箱梁變形滿足規(guī)范要求。

圖13 鋼箱梁位移云圖

4 結(jié)論

本文通過有限單元?dú)だ碚摻⒘说冉孛孢B續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)以及鋼箱梁的整體模型，利用ABAQUS軟件，分別對鋼箱梁結(jié)構(gòu)運(yùn)輸過程和吊裝過程的受力和變形情況進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明：

1) 在鋼箱梁的運(yùn)輸過程中，最大應(yīng)力集中在運(yùn)梁車托盤與箱梁接觸部位，最大壓應(yīng)力為114.2 MPa；箱梁最大變形位置為跨中腹板缺失處，最大變形為14.3 mm。

2) 在鋼箱梁的吊裝過程中，鋼箱梁最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在吊耳下方U型加勁肋與橫隔板交界處，最大拉應(yīng)力為92.4 MPa；鋼箱梁最大變形位置為跨中腹板缺失處，最大變形為3.7 mm。

通過以上結(jié)果可知，鋼箱梁在運(yùn)輸過程中的最大應(yīng)力和變形量比吊裝過程的大，且兩個過程中，有限元仿真計算值滿足規(guī)范要求，為指導(dǎo)鋼箱梁安全施工提供理論保障。

[1] 黃莊燈,鄧年春,陳立.橋面吊機(jī)吊裝支承鋼箱梁應(yīng)力分析[J].廣西工學(xué)院院報，2012,9(23):91-94.

[2] 鄭浩楠,楊帥,朱曼.連續(xù)鋼箱梁橋大節(jié)段吊裝關(guān)鍵問題分析[J].交通科學(xué)與工程，2015,6(2):46-51.

[3] 張永濤,周仁忠,高紀(jì)兵.崇啟大橋大節(jié)段整體吊裝技術(shù)研究[J].公路，2011,10(10):83-89.

[4] 周旭.荊岳公路大橋南主跨鋼箱梁吊裝施工技術(shù)[J].公路工程，2013,38(5):184-187.

[5] 鄭立慶.鋼箱梁吊裝施工探討[J].山東交通科技，2014(6):92-93.

[6] 付帥.基于Abaqus的體殼單元組合建模研究[J].機(jī)械制造與自動化,2014(3):102-104.

1008-844X(2017)02-0219-05

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