曲線鋼箱梁平轉(zhuǎn)體施工懸臂狀態(tài)有限元分析

楊柳， 張清， 王陽建， 陳得良*

(1.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410114; 2.深圳市路橋建設(shè)集團有限公司)

橋梁轉(zhuǎn)體施工幾乎不會對要跨越的既有工程造成任何交通影響，同時又能加快施工進度，所以當(dāng)需要跨越交通繁忙的道路或水路時會被廣泛應(yīng)用。轉(zhuǎn)體施工分為平轉(zhuǎn)法、豎轉(zhuǎn)法和平豎轉(zhuǎn)結(jié)合法，平轉(zhuǎn)法應(yīng)用最多。平轉(zhuǎn)法是指在橋墩(臺)設(shè)置轉(zhuǎn)盤，利用牽引系統(tǒng)將上部結(jié)構(gòu)由非設(shè)計軸線位置平轉(zhuǎn)到設(shè)計軸線位置的一種施工方法。目前轉(zhuǎn)體施工橋梁大多為直橋和大半徑彎橋梁，對于受現(xiàn)場條件限制而采用的小半徑鋼箱梁橋中國國內(nèi)研究較少，難點在于曲線效應(yīng)會帶來橫橋向大偏心，對施工過程中保持轉(zhuǎn)動體系的平衡挑戰(zhàn)很大。其次，鋼箱梁作為空間薄壁結(jié)構(gòu)，在彎扭耦合作用下，應(yīng)力分布情況要比一般橋梁更為復(fù)雜，因此對大曲率鋼箱梁轉(zhuǎn)體施工進行受力仿真分析十分必要。

1 工程概況

該轉(zhuǎn)體施工(50+80+50) m連續(xù)鋼箱梁位于廣(州)深(圳)沿江高速公路深圳段二期工程SJ1合同段H匝道橋第5聯(lián)。工程橫跨廣深高速公路，采用先節(jié)段拼裝后墩底平面轉(zhuǎn)體施工(圖1)。為了避免不對稱施工，單個橋墩上部轉(zhuǎn)體梁長均設(shè)為(39+39) m。施工方法為搭設(shè)臨時支架，14#、15#橋墩臨時固結(jié)，節(jié)段拼裝至設(shè)計轉(zhuǎn)體梁長，分步進行轉(zhuǎn)體施工后，調(diào)整線形，再進行邊跨、中跨段合龍

圖1 鋼箱梁現(xiàn)場拼裝和轉(zhuǎn)體示意圖

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箱梁平面位于R=150 m曲線段上，橋面橫坡為6%，鋼箱梁頂寬10.5 m，底寬6.5 m，梁體高2.5～4.5 m。鋼箱梁主要由正交異性板和各自的加勁肋組成，頂?shù)装搴穸确譃?6、24、30 mm3種，腹板厚度分為14、20 mm2種，頂、底、腹板縱肋厚度分別為10、12和11 mm，鋼箱梁每2 m設(shè)一道14 mm厚的縱向橫隔板，支座附近橫隔板加密。

2 有限元模型

針對鋼箱梁轉(zhuǎn)體部分(39+39) m的主體結(jié)構(gòu)，采用Ansys殼單元Shell63對其進行對稱建模。該橋在轉(zhuǎn)體前完成了橋面護欄施工，剩余橋面系及附屬工程是在邊、中跨合龍后再施工，因此還需對防撞護欄部分采用質(zhì)量單元Mass21進行模擬，得到單個橋墩上部鋼箱梁轉(zhuǎn)體總重量為738.7 t。轉(zhuǎn)體施工中支座臨時固結(jié)，支座中心點位于x=1 m和x=2.5 m處。對支座處面域進行固定約束，整個模型處于懸臂狀態(tài)，其中x軸指向曲線外側(cè)。

3 最大懸臂狀態(tài)下受力和變形分析

3.1 偏心距計算

鋼箱梁縱橋向平衡，由于鋼箱梁曲率大，存在較大的橫橋向偏心。轉(zhuǎn)體施工中需通過設(shè)置預(yù)偏心和配重來平衡原本的偏心，使結(jié)構(gòu)重心與轉(zhuǎn)動體系的中心盡量重合。該文用Ansys軟件計算得鋼箱梁的理論重心向其軸線內(nèi)側(cè)橫向偏心1.573 2 m，施工圖設(shè)計的橫向預(yù)偏心為橋墩中心線偏離鋼箱梁軸線1 m，而橋墩中心線又與轉(zhuǎn)動體系的中心線偏離0.3 m，整個結(jié)構(gòu)對于轉(zhuǎn)動體系中心線的偏心距計算示意圖如圖2所示。

圖2中：G1為鋼箱梁自重，G2為橋墩自重，N為轉(zhuǎn)體總重量，e1為鋼箱梁自重與轉(zhuǎn)動體系中心的偏心距，e2為橋墩與轉(zhuǎn)動中心的偏心距，可得整體對于轉(zhuǎn)動體系的偏心距為：

在計算整體偏心距時，對于鋼箱梁的有限元模型則需考慮平彎曲率的影響以及各個構(gòu)件的幾何尺寸、材料等。此外，因為是墩底轉(zhuǎn)體施工，橋墩偏離轉(zhuǎn)動中心，因此計算整體的偏心距必須考慮橋墩的自重。

該文所計算的整體偏心距較小，配置之前若偏心距小于15 cm，可以不考慮配重，由此表明施工圖所設(shè)計的預(yù)偏心比較合理，無需配重。

圖2 轉(zhuǎn)體施工偏心距計算示意圖(單位：m)

3.2 撓度變形分析

圖3為鋼箱梁在最大懸臂狀態(tài)下的位移變形云圖。從圖3可以看出：鋼箱梁在最大懸臂狀態(tài)下的撓度最大值出現(xiàn)在鋼箱梁頂板曲線內(nèi)側(cè)，其大小為9.27 cm。

圖3 (39+39) m鋼箱梁靜力分析總位移云圖(單位：m)

圖4為鋼箱梁頂板曲線內(nèi)側(cè)和外側(cè)的撓度變化圖。圖4表明：對于大曲率鋼箱梁，在最大懸臂狀態(tài)下，其曲線內(nèi)側(cè)變形撓度要大于曲線外側(cè)的變形撓度，二者變形相差接近1 cm。表明平彎鋼箱梁在彎扭效應(yīng)作用下，其在懸臂狀態(tài)下的內(nèi)、外側(cè)變形是不同的，且內(nèi)側(cè)撓度要大于外側(cè)變形撓度。這種變形差異值需在鋼箱梁合龍段以及線形控制、制造過程中引起重視，否則將導(dǎo)致合龍和線形誤差以及次生應(yīng)力。

3.3 應(yīng)力分析

3.3.1 整體應(yīng)力分析

圖5為最大懸臂狀態(tài)下鋼箱梁的第一主應(yīng)力云圖。圖5表明：在最大懸臂狀態(tài)下，鋼箱梁在墩頂兩邊各L/2(L=39 m)內(nèi)，其頂板、懸臂板和腹板上緣出現(xiàn)了較大的主拉應(yīng)力，該主拉應(yīng)力區(qū)間為[18.3，41.2] MPa，其最大主拉應(yīng)力值41.2 MPa位于曲線內(nèi)側(cè)L/4附近的頂板。

圖4 鋼箱梁頂板曲線內(nèi)外側(cè)撓度變化圖

圖5 (39+39) m鋼箱梁第一主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

以曲線外側(cè)為正向，選取橫橋向距離主梁軸線1.5、3.0、4.5 m以及軸線處的7組頂板節(jié)點進行分析，圖6為這7組頂板節(jié)點主拉應(yīng)力沿橋梁縱向的變化關(guān)系。圖6表明：主拉應(yīng)力的最大值并沒有出現(xiàn)在墩頂位置，而是在距墩頂12 m附近出現(xiàn)，這與變截面、變厚度、臨時約束以及橫隔板的分布等有關(guān)。同時圖6還反映出距墩頂一定距離內(nèi)(約L/4)，頂板都有較大主拉應(yīng)力，該區(qū)域內(nèi)墩頂處頂板主拉應(yīng)力最大，而在L/4外的位置主拉應(yīng)力則隨距離的增大而減小。表明變截面懸臂鋼箱在施工過程中最大懸臂狀態(tài)的應(yīng)力監(jiān)測不能只關(guān)注墩頂位置。

圖7為最大懸臂狀態(tài)下鋼箱梁的壓應(yīng)力云圖。圖7表明：鋼箱梁在最大懸臂狀態(tài)下，出現(xiàn)較大主壓應(yīng)力的位置是：在墩頂兩邊各L/2內(nèi)的底板和腹板下緣，該主壓應(yīng)力區(qū)間為[-38.1，-85.7] MPa，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在墩頂附近。

圖6 頂板縱橋向主拉應(yīng)力變化圖

圖7 (39+39) m鋼箱梁第三主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖8為底板主壓應(yīng)力沿橋梁縱向的變化關(guān)系。其5組節(jié)點分別為距主梁軸線1.50 m、軸線處以及曲線內(nèi)外兩側(cè)的5組節(jié)點。圖8表明：底板主壓應(yīng)力的峰值同樣出現(xiàn)在z軸12 m附近，其他與主拉應(yīng)力變化趨勢類似。所不同的是，x=1.5 m以及曲線內(nèi)側(cè)的底板因在墩頂位于支座固結(jié)區(qū)域而壓應(yīng)力驟減至0，存在突變。

圖8 底板縱橋向主壓應(yīng)力變化圖

3.3.2 截面應(yīng)力分析

圖9、10分別為墩頂附近橫截面(z=0.5 m)的主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力云圖。圖9表明：對于墩頂橫截面，其主拉應(yīng)力在頂板位置最大，而在底板處最?。粓D10則表明：主壓應(yīng)力在頂板處最小，而在底板處最大，且隨橫截面高度變化規(guī)律明顯，其中底板壓應(yīng)力為0的區(qū)域為支座固結(jié)區(qū)域。

圖9 墩頂橫截面主拉應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖10 墩頂橫截面主壓應(yīng)力云圖(單位：Pa)

表1為鋼箱梁最大懸臂狀態(tài)下各個關(guān)鍵橫截面主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力峰值的分布情況。

圖11為不同截面處頂板主拉應(yīng)力隨橫橋向的變化規(guī)律。圖11表明：鋼箱梁在曲線內(nèi)外兩側(cè)頂板懸臂部分與腹板交接處(x=3.25 m)、頂板與中腹板交接處(x=0)均存在橫橋向主拉應(yīng)力突變，其余位置頂板主拉應(yīng)力變化相差不大。

圖12為不同截面處內(nèi)側(cè)腹板應(yīng)力隨高度的變化關(guān)系，正值表示主拉應(yīng)力，負值表示主壓應(yīng)力。圖12表明：懸臂端截面腹板的應(yīng)力接近0，其他截面腹板的應(yīng)力向上、下兩端逐漸增大，在與頂板相接處達到拉應(yīng)力最大值，與底板相接處達到壓應(yīng)力最大值。

3.3.3 曲率變化對偏心、撓度以及應(yīng)力的影響

為了研究曲率變化對轉(zhuǎn)體施工的影響，依次討論曲線半徑為50、60、70、75、80、150、200、300、600、800和1 000 m的11組其他尺寸相同的鋼箱梁，得到了橫向偏心以及最大下?lián)现档淖兓?guī)律，如圖13所示。圖14為鋼箱梁最大主拉應(yīng)力和最大主壓應(yīng)力隨曲率的變化規(guī)律。

表1 鋼箱梁最大懸臂狀態(tài)下關(guān)鍵橫截面應(yīng)力分布

圖11 頂板橫橋向主拉應(yīng)力變化圖

圖12 腹板應(yīng)力隨高度的變化圖

圖13 橫向偏心以及最大撓度隨曲率變化圖

圖14 鋼箱梁最大主拉、壓應(yīng)力隨曲率變化圖

圖13、14表明：當(dāng)曲線半徑超過800 m時，彎橋會逐漸趨于直橋，此時曲率的影響可以忽略，而當(dāng)曲線半徑小于300 m時，曲線半徑越小，鋼箱梁的橫向偏心、變形以及應(yīng)力就越大，曲率對轉(zhuǎn)體施工影響也就越大，尤其當(dāng)曲線半徑小于70 m時，橫向偏心會大于1/2底板寬3.25 m，此時很難設(shè)置較大的預(yù)偏心，只能通過橫向配重來保證轉(zhuǎn)體施工平衡。因此，合理的曲線半徑和底板寬是十分必要的。

4 結(jié)論

通過對深中通道深圳側(cè)接線H匝道橋第5聯(lián)鋼箱梁在最大懸臂狀態(tài)下的受力和變形進行有限元分析，得到如下結(jié)論：

(1) 平彎鋼箱梁在曲線內(nèi)側(cè)存在較大的橫向偏心，可采用設(shè)計預(yù)偏心的方法進行糾偏。

(2) 平彎鋼箱梁在彎扭耦合效應(yīng)作用下，在最大懸臂狀態(tài)下內(nèi)、外側(cè)撓度變形是不同的，這種變形差異值需在鋼箱梁合龍段以及線形控制和制造過程中引起重視。

(3) 鋼箱梁最大懸臂狀態(tài)應(yīng)力分布合理，但在縱橋向距中心1.5 m處的曲線內(nèi)側(cè)腹板下緣出現(xiàn)較大的壓應(yīng)力，應(yīng)考慮增大墩頂附近腹板剛度。

(4) 應(yīng)力分布規(guī)律研究表明：鋼箱梁彎扭耦合效應(yīng)明顯，最大應(yīng)力不只存在于墩頂位置，為保證轉(zhuǎn)體施工過程中的安全，應(yīng)重點在墩頂兩邊各L/4內(nèi)，監(jiān)控頂板和底板，橫截面重點監(jiān)控各個腹板的上下緣與頂、底板的交接處。

(5) 鋼箱梁曲線半徑超過800 m時，曲率的影響可以忽略，當(dāng)曲線半徑小于300 m時，曲線半徑越小，橫向偏心、變形及應(yīng)力越大，轉(zhuǎn)體施工挑戰(zhàn)越大。曲線鋼箱梁轉(zhuǎn)體施工設(shè)計底板尺寸時應(yīng)考慮橫橋向偏心的影響。