新型變截面導(dǎo)梁設(shè)計研究

林文惜,南 迪

(保利長大工程有限公司 廣州市 510620)

1 工程概況

頂推施工是橋梁施工中的常用方法,具有設(shè)備簡單、施工平穩(wěn)、安全可靠、對橋下通航影響較小等特點,而導(dǎo)梁則是頂推過程中增大頂推跨度、減小主梁懸臂長度的重要措施。因此,合理設(shè)計適合每個項目施工方案的導(dǎo)梁顯得尤為重要[1]。在頂推過程中,導(dǎo)梁的長度、剛度和單位重量等參數(shù)對主梁的受力有著很大影響[2]。導(dǎo)梁作為施工臨時結(jié)構(gòu),通過適當(dāng)選取各參數(shù),能夠有效減小主梁的施工內(nèi)力。因此,通過優(yōu)化導(dǎo)梁設(shè)計來提高材料利用率,節(jié)約工程成本是必須考慮的問題[3]。

黃沙瀝特大橋主橋上部構(gòu)造采用鋼桁梁+拱橋結(jié)構(gòu)形式,跨度布置為(1×202)m,主梁為帶豎桿的華倫式桁架,橫向采用三片主桁結(jié)構(gòu),桁間距21.75m,邊桁桁高14.6m,中桁桁高15.035m。拱肋采用箱型截面,拱肋寬1.5m,拱頂高度2m,拱腳高度為4m。吊桿為平行鋼絲束。主橋的整體布置見圖1。

圖1 橋梁整體布置(單位:m)

2 導(dǎo)梁設(shè)計的必要性

黃沙瀝特大橋跨越黃沙瀝水道,該水道為III級通航水道。為確保安全施工,期間要求保留55m寬河道通航。主橋施工總體采用先梁后拱,在拼裝平臺逐步拼裝。由于拼裝平臺長度有限,且全橋長度202m,因此初步采用分節(jié)段逐步拼裝頂推的施工方案。

根據(jù)通航要求,設(shè)置間距為55m的臨時支墩,頂推過程中主桁架最大懸臂長度達75m,隨著懸臂長度增加,主桁支點處負彎矩也會逐漸增大,因此必須設(shè)計導(dǎo)梁,從而確保主桁在頂推過程中的強度、剛度和穩(wěn)定性滿足要求。

3 導(dǎo)梁設(shè)計參數(shù)選擇

導(dǎo)梁的長度、剛度、重量等參數(shù)對于主梁的施工內(nèi)力有很大影響。多項研究表明,導(dǎo)梁的重量對主梁最大彎矩的影響比長度和剛度的影響更為顯著。導(dǎo)梁較重時,懸臂根部的負彎矩峰值較大,導(dǎo)梁重量越小,頂推主梁最大正彎矩峰值越大。因此,選取合適的導(dǎo)梁長度、截面形式等參數(shù)非常重要。

3.1 導(dǎo)梁長度選取

導(dǎo)梁長度是導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)最重要的參數(shù)之一,影響整個頂推過程中導(dǎo)梁及主梁的受力狀態(tài)[4],同時也決定頂推過程中是否會發(fā)生主梁傾覆。根據(jù)《路橋施工計算手冊》[5],導(dǎo)梁長度一般為頂推跨徑的2/3左右。該項目頂推過程最大跨徑為73.2m,導(dǎo)梁長度擬選取47m。

3.2 導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)尺寸選取

頂推施工要求千斤頂與滑塊的支撐位置位于主梁節(jié)點處,因此導(dǎo)梁節(jié)段長度必須與主梁節(jié)間距保持一致。與主梁類似,導(dǎo)梁采用桁架結(jié)構(gòu),并采用變截面實現(xiàn)與主梁連接的同時滿足施工要求[6]。

導(dǎo)梁布置為9.03m+3m×12.2m+1.37m,高度15.04m。與主梁對應(yīng)的三片桁架結(jié)構(gòu),各片桁架之間采用標準方鋼進行連接。導(dǎo)梁整體模型如圖2所示。

圖2 導(dǎo)梁整體模型示意圖

3.3 導(dǎo)梁截面選取優(yōu)化

導(dǎo)梁材料,是影響導(dǎo)梁自重的另一關(guān)鍵因素。目前橋梁結(jié)構(gòu)用鋼最多的是Q345q 和Q370q鋼系列。采用高強度鋼材能夠節(jié)省導(dǎo)梁自重達20%,經(jīng)過設(shè)計計算導(dǎo)梁各桿件的實際受力大小及材料強度,結(jié)合該工程特點,導(dǎo)梁使用Q345qd鋼材,在節(jié)點板鋼板強調(diào)材料的三向性能。

導(dǎo)梁主桁主要采用箱型截面及箱型變截面。在頂推過程中,桁架節(jié)點位置作為支撐點,其受力相對較復(fù)雜,而桁架結(jié)構(gòu)非節(jié)點位置一般承受的主要荷載為軸拉力或軸壓力,且頂推過程中導(dǎo)梁每個節(jié)段的受力大小存在明顯差異,因此可以根據(jù)施工過程的受力分析來對每個節(jié)段的截面尺寸進行一定的優(yōu)化,在滿足施工要求的前提下最大程度提高材料利用率[7]。

導(dǎo)梁截面尺寸的初步選取參考類似項目,根據(jù)整體模型計算結(jié)果進行優(yōu)化。將導(dǎo)梁截面應(yīng)力控制在270MPa以內(nèi),保證截面強度、穩(wěn)定性、變形滿足設(shè)計要求。經(jīng)過比選,確定導(dǎo)梁主桁采用的截面尺寸主要為650mm×650mm×16mm、600mm×600mm×16mm、550mm×550mm×16mm、500mm×500mm×16mm四種箱型截面及連接四種截面相應(yīng)的變截面。以第三、第四節(jié)段下弦桿為例,頂推過程中導(dǎo)梁上墩時,由于主梁剛度較大且主梁懸臂長度較小,導(dǎo)梁第三、第四節(jié)段受力較小,因此采用500mm×500mm×16mm的小箱型截面即可滿足施工要求。

反之,導(dǎo)梁第一、第二節(jié)段節(jié)點在頂推過程中作為支撐點時,其受力相對較大,是施工過程中導(dǎo)梁的不利工況,因此采用650mm×650mm×16mm的大箱型截面,且節(jié)點位置局部節(jié)點板進行加厚。工況15下,導(dǎo)梁第一節(jié)段節(jié)點作為頂推支撐點,此時由于跨中主梁節(jié)段最多,自重荷載最大,此工況為導(dǎo)梁最不利工況。

導(dǎo)梁主桁其余桿件均采用類似方法優(yōu)化截面,導(dǎo)梁橫聯(lián)及剪刀撐在滿足強度、剛度、穩(wěn)定性的前提下分別采用400mm×400mm×8mm及250mm×250mm×10mm的方鋼截面。

4 導(dǎo)梁整體模型驗算

由于導(dǎo)梁頂推采用3+1+1+1組頂推設(shè)備(千斤頂、滑塊),頂推過程采用千斤頂起頂→千斤頂頂推主梁前進→卸頂后主梁落于滑塊→千斤頂拉回的循環(huán)頂推施工流程,全頂推過程共計20個頂推工況。

導(dǎo)梁整體模型如圖3所示:

圖3 導(dǎo)梁不利工況15整體模型示意圖

根據(jù)頂推流程,將主梁和導(dǎo)梁按實際尺寸建模,分析頂推過程中主梁與導(dǎo)梁的受力情況,頂推過程下支點設(shè)邊界條件,支點節(jié)點與相應(yīng)的梁單元節(jié)點采用彈性連接。荷載考慮在自重、風(fēng)荷載、不均勻沉降、溫度荷載等基本組合作用下導(dǎo)梁的受力情況,并對桿件進行驗算,以保證全流程中導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)的強度、剛度和穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

風(fēng)荷載根據(jù)該項目所處位置考慮8級風(fēng),參照《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》,作用于桿件上的等效靜陣風(fēng)荷載計算風(fēng)荷載,見式(1):

(1)

式(1)中,Fg為構(gòu)件長度上的風(fēng)荷載,ρ為空氣密度,Ug為構(gòu)件基準高度上的等效靜陣風(fēng)風(fēng)速,CD為構(gòu)建阻力系數(shù),An為構(gòu)件單位長度上順風(fēng)向的投影面積。

文章列舉最不利工況15下的強度、穩(wěn)定性、剛度驗算結(jié)果。

4.1 工況15強度驗算結(jié)果

該工況下導(dǎo)梁第一節(jié)段與第二節(jié)段下弦桿交點處出現(xiàn)最大組合應(yīng)力,大小為263MPa,最大剪應(yīng)力為31.5MPa。最不利荷載組合為1.2倍自重荷載、1.4倍8級風(fēng)荷載、1.4倍溫度荷載、1.4倍支座沉降荷載組合作用。

4.2 工況15穩(wěn)定性驗算結(jié)果

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》中8.2.1規(guī)定,分別對不同截面在該工況下軸力最大及彎矩最大的構(gòu)件進行穩(wěn)定性驗算,驗算結(jié)果如表1所示。

表1 各截面穩(wěn)定性驗算結(jié)果表

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》中8.2.1規(guī)定,對壓彎構(gòu)件在軸力、彎矩作用組合下的穩(wěn)定性系數(shù)進行計算,對每個截面相應(yīng)的軸力最大桿件、彎矩最大桿件進行驗算。例如650mm×16mm截面所對應(yīng)的桿件中,軸力最大的桿件長細比為41,其在軸力、彎矩作用下的穩(wěn)定性系數(shù)為0.69。從表1可知,導(dǎo)梁各截面穩(wěn)定性均滿足要求。

4.3 導(dǎo)梁最大懸臂工況剛度驗算結(jié)果

對頂推過程中導(dǎo)梁最大懸臂工況進行剛度驗算,標準荷載組合即1.0倍自重荷載、1.0倍8級風(fēng)荷載、1.0倍溫度荷載、1.0倍支座沉降荷載組合作用下導(dǎo)梁主桁片最大下?lián)献冃螢?0.4mm,橫向聯(lián)系下?lián)献冃螢?0.0mm。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》相關(guān)要求,47m導(dǎo)梁主桁片容許下?lián)献冃螢?7000/250=188mm,25m導(dǎo)梁橫向聯(lián)系桿件容許下?lián)献冃螢?5000/400=62.5mm,均滿足要求。

5 導(dǎo)梁局部模型驗算

5.1 節(jié)點有限元分析的必要性

節(jié)點為導(dǎo)梁受力的公共部分,具有連接各個桿件的作用。若節(jié)點失效,將直接導(dǎo)致導(dǎo)梁失去承載能力。

導(dǎo)梁整體模型采用梁單元進行計算,對節(jié)點區(qū)受力分析進行了一定的簡化,無法真實反映節(jié)點的受力性能,因此無法確定導(dǎo)梁節(jié)點局部強度在頂推過程中是否滿足要求。

實際頂推過程中,千斤頂與滑塊作為導(dǎo)梁與主梁的支點,其具有一定長度,導(dǎo)梁下弦桿支點處節(jié)點在千斤頂頂起與卸頂?shù)倪^程中存在受荷位置的改變,如圖4所示。

圖4 頂推過程千斤頂及滑塊示意圖

綜上,導(dǎo)梁節(jié)點區(qū)的有限元分析是導(dǎo)梁設(shè)計中不可缺少的部分。

5.2 有限元局部分析方法

進行局部實體分析的方式主要有兩種:(1)采用板單元或?qū)嶓w單元建立局部模型,將其插入整體梁單元模型中,與整體模型進行耦合進而分析。(2)通過整體模型得到位移變形或內(nèi)力結(jié)果,將其輸入至局部板單元或梁單元模型中進行分析。

在此采用方式(2)對導(dǎo)梁局部節(jié)點進行分析。

5.3 節(jié)點有限元分析結(jié)果

根據(jù)上文分析,頂推工況15下導(dǎo)梁第一、第二節(jié)段下弦桿交點處出現(xiàn)最大組合應(yīng)力,對此節(jié)點進行有限元分析。采用Midas FEA NX建立局部節(jié)點實體模型,并采用四面體單元劃分網(wǎng)格,桿件截面截斷處設(shè)定固定約束,荷載采用均布面荷載的方式施加于實際節(jié)點支撐截面處,面荷載實際大小為整體模型在基本組合1.2倍自重荷載、1.4倍8級風(fēng)荷載、1.4倍溫度荷載、1.4倍支座沉降荷載組合作用下的J2節(jié)點支反力大小。J2節(jié)點Mises應(yīng)力云圖結(jié)果如圖5所示。

圖5 J2節(jié)點Mises應(yīng)力云圖

經(jīng)驗算,在最不利組合下,導(dǎo)梁各節(jié)點最大組合應(yīng)力為270MPa,滿足設(shè)計強度要求。

6 結(jié)論及展望

新型變截面導(dǎo)梁設(shè)計參數(shù)的選取很大程度上取決于主梁的結(jié)構(gòu)形式及施工方案。在滿足施工需求的前提下,對導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化是導(dǎo)梁設(shè)計的重要工作之一。為保證結(jié)構(gòu)安全,文章對導(dǎo)梁進行了整體模型建立及局部模型建立,對各個桿件的強度、剛度、穩(wěn)定性及各個節(jié)點的局部強度進行了驗算。

隨著頂推施工技術(shù)的日趨成熟,采用導(dǎo)梁的全懸臂頂推施工技術(shù)在鋼桁梁橋施工方法中具有較大優(yōu)勢,而導(dǎo)梁作為施工過程中的重要結(jié)構(gòu)之一,其合理設(shè)計顯得十分重要。文章以一座202m跨徑的鋼拱橋頂推導(dǎo)梁施工設(shè)計為案例,詳細闡述分析了新型變截面導(dǎo)梁設(shè)計參數(shù)的選取、導(dǎo)梁截面的優(yōu)化及導(dǎo)梁的整體模型、局部模型驗算,在滿足施工要求的前提下,最大限度減少導(dǎo)梁自重,節(jié)約成本,具有顯著經(jīng)濟效益,為同類工程施工提供經(jīng)驗參考。