基于MIDAS軟件的大跨鋼箱梁吊裝力學(xué)性能分析

潘龍文,葉麗宏

(1.杭州西湖城市建設(shè)投資集團(tuán)有限公司,浙江 杭州 310013；2.浙江工程建設(shè)管理有限公司，浙江 杭州 310012)

人行天橋又稱(chēng)人行立交橋,只能允許行人通過(guò),可有效避免車(chē)流和人流平面相交時(shí)的沖突,保障人們能夠安全地穿越,提高車(chē)行速度,減少交通事故的發(fā)生。鋼結(jié)構(gòu)體系具有自重輕、安裝容易、施工周期短、抗震性能好、投資回收快、環(huán)境污染少等綜合優(yōu)勢(shì),我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)工程市場(chǎng)前景非常廣闊[1]。鋼箱梁吊裝涉及設(shè)計(jì)和施工安全問(wèn)題,特別是振頻大小對(duì)撓度的影響性如何,對(duì)吊裝時(shí)的鋼箱梁人行天橋的結(jié)構(gòu)安全性和舒適性至關(guān)重要。本文基于Midas軟件進(jìn)行不同工況下的臨時(shí)支撐架靜力驗(yàn)算及上部結(jié)構(gòu)驗(yàn)算,并運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析最大壓應(yīng)力、最大拉應(yīng)力、撓度、振頻等技術(shù)參數(shù)的關(guān)系,探討出撓度和振頻之間存在顯著線性相關(guān)性的結(jié)論,從而為指導(dǎo)大跨鋼箱梁吊裝設(shè)計(jì)和施工安全技術(shù)提供了重要理論依據(jù),并且對(duì)類(lèi)似鋼箱梁設(shè)計(jì)和施工均具有一定的借鑒意義。

1 工程概況

本項(xiàng)目位于錢(qián)江世紀(jì)城核心區(qū)臨江地塊,北側(cè)過(guò)錢(qián)塘江是錢(qián)江新城,西側(cè)與奧體中心相鄰,南側(cè)是濱江高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū),東側(cè)可達(dá)蕭山國(guó)際機(jī)場(chǎng),是杭州南向發(fā)展帶上的重要節(jié)點(diǎn)。觀瀾路人行天橋?yàn)榭缭綖懧愤B接T字形橫向與豎向的人行通道,橋位場(chǎng)地位于蕭山錢(qián)江世紀(jì)城觀瀾路南北側(cè),全長(zhǎng)193 m,分為五聯(lián),鋼結(jié)構(gòu)部分共五聯(lián),第一聯(lián)至第五聯(lián)長(zhǎng)度分別為20、48、25、35、65 m,設(shè)計(jì)使用年限50年,鋼箱梁均采用Q345C材質(zhì)。見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 觀瀾路人行天橋工程立面

圖2 觀瀾路人行天橋工程航拍

2 鋼箱梁吊裝工況分析

2.1 150 t汽車(chē)吊吊裝工況分析

鋼箱梁梁段最大重量為71.6 t,采用2臺(tái)150 t汽車(chē)吊抬吊吊裝,抬吊時(shí)每臺(tái)吊機(jī)吊裝重量為71.6÷2÷0.75(考慮0.75的折減系數(shù))=47.7 t。當(dāng)150 t汽車(chē)吊主臂長(zhǎng)25.6 m,工作半徑為10 m時(shí),起重量為50 t,而鋼箱梁梁段抬吊時(shí)單機(jī)起重量為47.7 t,滿足吊裝要求。

2.2 25 t汽車(chē)吊吊裝工況分析

挑臂梁最大重量為7 t,采用2臺(tái)25 t汽車(chē)吊抬吊吊裝,抬吊時(shí)每臺(tái)吊機(jī)吊裝重量為7÷2÷0.75(考慮0.75的折減系數(shù))=4.6 t。當(dāng)25 t汽車(chē)吊主臂長(zhǎng)20.5 m,工作半徑為5.5 m時(shí),起重量為9.5 t,而挑臂梁梁段抬吊時(shí)單機(jī)起重量4.6 t,滿足吊裝要求。

3 鋼箱梁吊裝工藝和順序

3.1 鋼箱梁吊裝工藝

鋼箱梁吊裝工藝見(jiàn)圖3。

圖3 鋼箱梁吊裝工藝流程

3.2 鋼箱梁吊裝順序

先施工第二、第四聯(lián)的鋼箱梁,接著施工第三、第一聯(lián)的鋼箱梁,最后施工第五聯(lián)的鋼箱梁,匝道穿插進(jìn)行安裝施工。各聯(lián)內(nèi)安裝施工順序按照編號(hào)依次進(jìn)行,總體遵循從中間往兩側(cè)的安裝施工思路。鋼箱梁采用雙機(jī)抬吊的方法進(jìn)行安裝,梁段縱向安裝順序?yàn)橄戎锌绾筮吙?梁段橫向安裝順序?yàn)橄戎虚g后兩邊。吊裝前需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地進(jìn)行相應(yīng)的硬化,以滿足吊機(jī)的站位。梁段橫向吊裝順序?yàn)橄戎虚g后兩邊,主要有以下幾個(gè)步驟(圖4)：

圖4 鋼箱梁吊裝現(xiàn)場(chǎng)照片

1)在臨時(shí)支撐架分配梁上標(biāo)出道路中心線、軸線和分塊鋼箱梁底板邊線,并在邊界設(shè)置焊接限位裝置；2)吊裝橫向中間第1塊鋼箱梁；3)吊裝橫向中間第2塊鋼箱梁。落梁就位后調(diào)整焊縫間隙,在梁塊之間縱縫位置用碼板固定,對(duì)焊縫進(jìn)行點(diǎn)焊；4)吊裝一側(cè)的挑臂鋼箱梁。挑臂梁就位后調(diào)整焊縫間隙,在梁塊之間縱縫位置用碼板固定,且碼板與頂板的焊縫全部焊接好后方可松鉤；5)吊裝另一側(cè)的挑臂鋼箱梁。挑臂梁就位后調(diào)整焊縫間隙,同樣在梁塊之間縱縫位置用碼板固定,且碼板與頂板的焊縫全部焊接好后方可松鉤。

4 Midas Civil軟件運(yùn)用

4.1 Midas Cicil軟件

Midas Civil 軟件作為通用的空間有限元分析軟件和橋梁軟件的完美結(jié)合,廣泛地應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域多種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析,如鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)[2]。運(yùn)用Midas軟件進(jìn)行不同工況下的臨時(shí)支撐架靜力驗(yàn)算及橋梁上部結(jié)構(gòu)驗(yàn)算,并對(duì)驗(yàn)算數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析,為鋼箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工安全提供了重要的理論依據(jù)。

4.2 臨時(shí)支撐架靜力驗(yàn)算

臨時(shí)支撐架材料：鋼管采用Φ450×20,材質(zhì)為Q345B.分配梁采用雙拼HM600×300×14×23,橫撐、斜撐采用14#槽鋼,材質(zhì)均為Q235B。

4.2.1 最不利組合1：?jiǎn)芜吋虞d

F′=(15+124+124+15)/(2×13)=10.7 t,最大等效應(yīng)力19.8 MPa,最大豎向變形0.652 mm。

4.2.2 最不利工況2：兩邊加載

F′=(15+124+124+15)/(2×13)=10.7 t,F″=(13+120+120+14)/(4×13)=5.13 t,最大等效應(yīng)力19.8 MPa,最大豎向位移0.643 mm。

4.3 橋梁上部結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.3.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

結(jié)構(gòu)計(jì)算分析圖(以第一聯(lián)第一跨為例,其余圖略)見(jiàn)圖5。

圖5 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

4.3.2 計(jì)算結(jié)果及分析結(jié)論

1)計(jì)算結(jié)果

上部結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，標(biāo)準(zhǔn)值組合下鋼箱梁最大壓應(yīng)力的最大值為70.3 MPa,最大拉應(yīng)力的最大值為67 MPa,均小于規(guī)范規(guī)定的鋼材容許應(yīng)力210 MPa,故最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

表1 上部結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

橋梁在活載引起的豎向撓度分別為9、7、36、13、26、5 mm,其撓度允許值分別為:

9 mm

36 mm

26 mm

故撓度滿足規(guī)范要求。

表1中第二聯(lián)最小振頻3.04 Hz>3 Hz,故振頻滿足規(guī)范要求。

據(jù)饒波研究成果,結(jié)構(gòu)自振頻率隨梁高的增高、基礎(chǔ)剛度及墩剛度增大而增大,箱梁底緣寬度對(duì)結(jié)構(gòu)自振頻率影響不大[3]。當(dāng)橋梁自振頻率與行人步行頻率較接近時(shí),會(huì)引起主梁振動(dòng)和撓度過(guò)大使行人感到不適并危及天橋的安全?！冻鞘腥诵刑鞓蚺c人行地道技術(shù)規(guī)范(CJJ 69—95)》規(guī)定：為了避免共振,減少行人不安全感,天橋上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不應(yīng)小于3 Hz[4]。

2)分析結(jié)論

運(yùn)用回歸方程顯著性檢驗(yàn)F檢驗(yàn)法[5],根據(jù)回歸分析研究,在聯(lián)長(zhǎng)、最大壓應(yīng)力、最大拉應(yīng)力、撓度、振頻5者中,只有撓度和振頻兩者的回歸是顯著的,其余兩兩之間不顯著。其中撓度和振頻回歸分析見(jiàn)表2。

表2 撓度與振頻關(guān)系

運(yùn)用SPSS數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析軟件,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3、表4：

表3 撓度與振頻回歸統(tǒng)計(jì)

表4 撓度與振頻方差分析

F=8.796 557,a=0.05,Fa(1,4)=7.71,F=8.796 557>Fa(1,4)=7.71,回歸是顯著的。

運(yùn)用SPSS軟件計(jì)算出的回歸系數(shù)分別為a=42.084,b=-4.960,則一元線性回歸方程為y=42.084-4.960x(x為振頻,y為撓度)；再用WPS2019軟件進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)回歸分析驗(yàn)證,所得回歸方程與上述完全一致,撓度與振頻相關(guān)性見(jiàn)圖6。

圖6 撓度與振頻相關(guān)性

以上說(shuō)明：撓度和振頻之間存在顯著線性相關(guān)性。即撓度與振頻呈擬合線性反比關(guān)系,振頻越大,撓度越?。徽耦l越小,撓度越大。根據(jù)《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范(CJJ 69—95)》規(guī)定：為了避免共振,減少行人不安全感,天橋上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不應(yīng)小于3 Hz。故在鋼箱梁設(shè)計(jì)驗(yàn)算中,可使設(shè)計(jì)的鋼箱梁結(jié)構(gòu)自頻振率較大(至少大于3 Hz),則橋梁在撓度方面的性能較為有利。另外,行人在鋼箱梁上行走振動(dòng)頻率為1.8～2.5 Hz,施工時(shí)振頻較小(最高不超過(guò)3 Hz),則不會(huì)與鋼箱梁結(jié)構(gòu)自振頻率保持一致,從而減少共振風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然,還可運(yùn)用調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD)減振系統(tǒng)削減人行天橋的共振反應(yīng),共振情況下減振率接近70%,提高了橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和舒適性[6]。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文初步進(jìn)行了大跨鋼箱梁吊裝力學(xué)性能分析,采用Midas Civil軟件進(jìn)行不同工況下的臨時(shí)支撐架靜力驗(yàn)算及橋梁上部結(jié)構(gòu)驗(yàn)算等,并運(yùn)用SPSS軟件分析研究最大壓應(yīng)力、最大拉應(yīng)力、撓度、振頻等技術(shù)參數(shù)的關(guān)系,主要有以下結(jié)論：

1)撓度和振頻之間存在顯著線性相關(guān)性,回歸方程為：y=42.084-4.960x(x為振頻,y為撓度)。即振頻越大,撓度越?。徽耦l越小,撓度越大。

2)除撓度和振頻之間外,最大壓應(yīng)力、最大拉應(yīng)力、撓度、振頻等兩兩之間不存在顯著性相關(guān)性。

3)在鋼箱梁設(shè)計(jì)時(shí),大跨鋼箱梁結(jié)構(gòu)自振頻率大于3 Hz較為有利；而在鋼箱梁施工過(guò)程中,振動(dòng)頻率較小(最高不超過(guò)3 Hz)可有效避免共振的安全風(fēng)險(xiǎn)。

4)可運(yùn)用調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD)進(jìn)行有效的結(jié)構(gòu)減震。