某大跨度鋼箱連續(xù)梁橋吊裝牛腿仿真分析

袁江林

（南昌市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院，江西 南昌 330000）

0 引言

本文研究對象——鋼箱梁連續(xù)梁的設(shè)計(jì)方案為典型的大懸臂正交異性板鋼箱梁，其鋼箱梁施工主要過程為橋位處采用整片箱梁浮吊吊裝就位并采用牛腿臨時(shí)定位，最終進(jìn)行測量精確定位和梁段焊接。上述施工過程為典型的跨海鋼箱連續(xù)梁大橋大節(jié)段吊裝裝配方案，該方案施工過程中存在結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換，且最不利工況為鋼箱梁連接圍焊完成前。這時(shí)鋼箱梁的主要恒載和施工荷載由梁端牛腿承擔(dān)，施工過程的不同階段梁段和輔助結(jié)構(gòu)牛腿所受的荷載和邊界條件均存在差異，因此準(zhǔn)確把握施工過程臨時(shí)連接結(jié)構(gòu)牛腿及其連接處鋼箱梁局部受力特性是保證吊裝施工安全的關(guān)鍵。對鋼箱梁的施工全過程進(jìn)行三維仿真分析并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是非常必要的，該方法也是進(jìn)行鋼箱梁施工階段受力機(jī)理研究最為有效的方法和途徑之一。以一座跨海鋼箱連續(xù)梁大橋?yàn)檠芯繉ο螅芯坑邢拊獢?shù)值計(jì)算在跨海大橋鋼箱梁整體吊裝施工階段仿真分析中的應(yīng)用，具有重要的工程實(shí)踐意義和借鑒參考價(jià)值。

1 工程概況

1.1 橋型布置

本文所研究對象為某跨海大橋其中一聯(lián)，此聯(lián)采用6×110 m等截面連續(xù)鋼箱梁形式，材料均采用Q345q。主梁采用帶翼板鋼箱梁，梁高4.5 m，梁寬段的橋面寬33.1 m，橋型布置如圖1和圖2所示。梁段各件板件厚度參數(shù)見表1。

圖1 橋型立面布置簡圖（單位:m）

圖2 鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面（單位：mm）

1.2 施工階段

箱梁整體吊裝施工階段如圖3所示。

表1 構(gòu)件尺寸參數(shù)

圖3 箱梁整體吊裝施工階段示意圖

大節(jié)段吊裝施工過程中存在大節(jié)段吊裝和梁段安裝過程中的臨時(shí)結(jié)構(gòu)和其安裝位置梁段板件強(qiáng)度安全問題。對于牛腿而言，由于第二、三、四、五跨節(jié)段的重量均相等，并且第六跨節(jié)段的重量稍小，因此選取第二跨梁段安裝階段進(jìn)行驗(yàn)算，第二跨梁段安裝示意圖如圖4所示。此時(shí)，第二跨梁段懸臂端需安裝牛腿，關(guān)于牛腿對于梁體的影響以及牛腿本身的安全性均需要進(jìn)行驗(yàn)算。

圖4 第二跨梁段安裝工況示意圖（單位：mm）

2 有限元模型

采用了ANSYS 12.1軟件，建立了全橋的施工吊裝階段分析模型，模型的相關(guān)板件尺寸、厚度等參數(shù)均嚴(yán)格參照原設(shè)計(jì)圖紙來模擬，有限元模型未考慮橋梁的縱坡和橫坡。有限元模型單元均采用shell63板殼單元進(jìn)行模擬。

在牛腿架設(shè)點(diǎn)下牛腿對應(yīng)位置上加載豎向向下荷載F，綜合考慮各個(gè)構(gòu)件的自重，得到偏于安全的F最終加載值8 500 kN（實(shí)際MIDAS/Civil模型計(jì)算值為8 406.3 kN），另外施加的荷載為已安裝梁段的自重。

為了對第二跨梁段安裝時(shí)牛腿和梁段懸臂段的安全性進(jìn)行驗(yàn)算，建立了第二跨安裝時(shí)牛腿驗(yàn)算模型，該模型包括兩個(gè)牛腿構(gòu)造和已安裝梁段，已安裝梁段為第二跨梁體的懸臂段。該模型共劃分為460 584個(gè)單元、429 745個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 有限元模型示意圖

3 施工階段有限元計(jì)算分析

首先對待安裝梁段邊腹板上放置有兩個(gè)牛腿的臨時(shí)連接情況進(jìn)行施工模擬計(jì)算工作。從安裝最不利工況有限元仿真計(jì)算結(jié)果（見圖6）可以看出：牛腿高應(yīng)力區(qū)主要集中于牛腿前支點(diǎn)附近區(qū)域（如牛腿頂?shù)装?、牛腿中腹板、前支點(diǎn)相應(yīng)板件）以及前支點(diǎn)下橫隔板相應(yīng)區(qū)域，其中牛腿底板應(yīng)力高達(dá)300 MPa，如圖7所示；牛腿前支點(diǎn)附近處與牛腿前支點(diǎn)下主梁橫肋板局部Mises等效應(yīng)力最大值均達(dá)到377.3 MPa，已經(jīng)超過規(guī)范材料強(qiáng)度限值，結(jié)果如圖8所示。

圖6 改進(jìn)前整體模型應(yīng)力云圖（單位：kPa）

圖7 改進(jìn)前牛腿底板應(yīng)力云圖（單位：kPa）

圖8 牛腿前支點(diǎn)下主梁橫隔板應(yīng)力（單位：kPa）

通過對原設(shè)計(jì)牛腿連接結(jié)構(gòu)的分析，造成牛腿前支點(diǎn)附近處應(yīng)力局部過高的主要原因在于：

（1）原設(shè)計(jì)牛腿前支點(diǎn)與鋼箱梁連接為螺栓固結(jié)形式，前支點(diǎn)處轉(zhuǎn)動(dòng)自由度無法釋放，從而導(dǎo)致牛腿前后支點(diǎn)的“杠桿作用”無法發(fā)揮，使得安裝梁段荷載的大部分由牛腿前支點(diǎn)承擔(dān)，而牛腿后支腿無法充分發(fā)揮應(yīng)有的作用。

（2）以前支點(diǎn)為界，牛腿主箱梁加勁板的設(shè)置存在較大差異：牛腿頂?shù)装逯g的水平加勁板在牛腿前支點(diǎn)處被牛腿橫隔板截?cái)喽囱由熘梁笾壬戏健?/p>

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果分析了導(dǎo)致應(yīng)力過高的主要原因后對吊裝牛腿臨時(shí)連接設(shè)計(jì)做了下列優(yōu)化改進(jìn)：

（1）將牛腿前支點(diǎn)處的螺栓固結(jié)形式改為鉸接形式，從而釋放前支點(diǎn)處的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

（2）通過增加補(bǔ)強(qiáng)加勁板的方式對牛腿前支腿處的主梁橫隔板進(jìn)行加強(qiáng)。

（3）在待安裝主梁中腹板處增加一道牛腿，將臨時(shí)牛腿的數(shù)量由兩個(gè)增加為三個(gè)，以增加施工安全儲(chǔ)備。

根據(jù)上述改進(jìn)重新建立了第二跨安裝時(shí)牛腿驗(yàn)算模型，該模型包括三個(gè)牛腿構(gòu)造和吊裝梁段。該模型共劃分為460 584個(gè)單元、429 745個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖9所示。

圖9 改進(jìn)后有限元模型示意圖

牛腿前支點(diǎn)處為鉸接建模處理方式為：先在牛腿前支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)中心處建立一個(gè)主節(jié)點(diǎn)與牛腿底板鉸接處所有點(diǎn)之間施加彈性連接形成主從關(guān)系；然后在牛腿前支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)中心處建立另外一個(gè)主節(jié)點(diǎn)并與對應(yīng)在主梁頂板鉸接處所有點(diǎn)之間施加豎向彈性連接主從關(guān)系；最后在兩主節(jié)點(diǎn)間再建立三個(gè)剛度無窮大的限值平動(dòng)自由度的一維彈性連接單元以釋放牛腿前支點(diǎn)處鉸接板件的轉(zhuǎn)動(dòng)約束。

改進(jìn)后臨時(shí)牛腿連接結(jié)構(gòu)在安裝最不利工況下有限元仿真計(jì)算結(jié)果如圖10所示。其中牛腿底板應(yīng)力高達(dá)179.7 MPa，如圖11所示；牛腿前支點(diǎn)附近處與牛腿前支點(diǎn)下主梁橫肋板局部Mises等效應(yīng)力為180.1 MPa，結(jié)果如圖12所示。

圖10 改進(jìn)后整體模型應(yīng)力云圖（單位：kPa）

圖11 改進(jìn)后牛腿底板應(yīng)力云圖（單位：kPa）

圖12 改進(jìn)后牛腿前支點(diǎn)下主梁橫隔板應(yīng)力（單位：kPa）

臨時(shí)牛腿連接結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后計(jì)算結(jié)果如圖13所示。從仿真計(jì)算結(jié)果可以看出，牛腿以及牛腿支腿處附近主梁板件的最大應(yīng)力得到顯著降低。其中，最為關(guān)心的牛腿前支點(diǎn)下主梁橫隔板最大應(yīng)力由改進(jìn)前的377 MPa銳減至180.3 MPa，牛腿自身頂板最大應(yīng)力由改進(jìn)前的253.6 MPa減小到194.2 MPa，牛腿自身底板最大應(yīng)力由改進(jìn)前的300.4 MPa減小到179.7 MPa。綜合來看，牛腿前支點(diǎn)附近處其他板件的應(yīng)力分布情況有顯著改善，表明牛腿的改進(jìn)措施是十分合理有效的。

圖13 牛腿連接結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后應(yīng)力

4 結(jié)語

牛腿前支點(diǎn)與鋼箱梁連接為螺栓固結(jié)形式，前支點(diǎn)處轉(zhuǎn)動(dòng)自由度無法釋放，從而使得安裝梁段荷載的大部分由牛腿前支點(diǎn)承擔(dān)，局部應(yīng)力增大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免。在大節(jié)段鋼箱梁的整體吊裝施工中細(xì)節(jié)決定成敗，因此對于每個(gè)構(gòu)造細(xì)節(jié)應(yīng)給予足夠的關(guān)注，而有限元仿真計(jì)算作為最行之有效的手段應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮其作用。本文希望通過對某大跨度鋼箱梁整體吊裝施工全過程的仿真計(jì)算為其他工程提供借鑒和參考。