基于ABAQUS盆克特2號大橋鋼梁施工方案分析

雷 強(qiáng) 李 佳

（1.中鐵二十一局集團(tuán)第一工程有限公司 新疆烏魯木齊 830026；2.新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院 新疆烏魯木齊 830047）

1 引言

鋼板組合梁橋是一種使用工字鋼主梁與橋面板進(jìn)行部分或全部裝配式安裝的橋型，具有自重輕、承載能力強(qiáng)、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外于20世紀(jì)已廣泛應(yīng)用于各種體量的橋梁建設(shè)［1－3］。諸多學(xué)者對該橋型探究了頂推、吊裝等多種施工方案的優(yōu)點(diǎn)與不足［4－8］。王輔圣［9］使用有限元模擬了鋼管混凝土桁架組合梁多種施工工況；楊宏等［10］通過分析鋼梁分段吊裝技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，得出分段吊裝可提高施工精度和減少安全隱患的結(jié)論。可見，探尋科學(xué)的施工方案比選方法對于提高工程質(zhì)量、規(guī)避安全風(fēng)險具有重要意義。王海波等［11］從設(shè)備投入、工程量等方面分析施工方案優(yōu)缺點(diǎn)并打分；趙成貴［12］從施工安全風(fēng)險、技術(shù)難度等方面分析施工方案優(yōu)缺點(diǎn)并進(jìn)行對比。

本文依托盆克特2號大橋項(xiàng)目，從幾種常用鋼梁施工方案中選定三種可行的方案，使用UG設(shè)計(jì)軟件對鋼梁及橋面板進(jìn)行1∶1三維建模，運(yùn)用ABAQUS有限元軟件對模型進(jìn)行數(shù)值模擬，探究不同施工方案下鋼梁各部分應(yīng)力、位移變化規(guī)律，由定量數(shù)據(jù)分析對比各方案對鋼梁整體應(yīng)力分布、施工控制精度、成橋承載力等的影響以選出最優(yōu)方案，為項(xiàng)目專項(xiàng)施工方案評選提供數(shù)據(jù)支持。

2 工程實(shí)例及有限元模型

（1）工程概況

盆克特2號大橋位于京新高速巴里坤至木壘段K227＋556.5處，地處寒冷、高溫差地區(qū)。全橋共4聯(lián)：4×25 m＋3×50 m＋4×25 m＋4×25 m，全長462 m。下部構(gòu)造為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，鋼板組合梁位于4?！?＃墩，采用3×50 m鋼板組合梁，左右幅每孔4片，共24片。其橋墩空間分布構(gòu)造如圖1所示。

圖1 橋墩空間分布構(gòu)造（單位：cm）

（2）鋼梁及橋面板有限元模型

50 m單片鋼梁自重約35 t，采用Q345D鋼板焊接制成。頂推或分步吊裝方案橋面結(jié)構(gòu)如圖2所示；組合梁吊裝方案吊裝總重約122.3 t，單幅單孔由四片鋼梁組成，如圖3所示。

圖2 頂推及分步吊裝橋面結(jié)構(gòu)

圖3 組合梁吊裝鋼梁及橋面板結(jié)構(gòu)

Q345D鋼板力學(xué)性能參數(shù)為：密度γ＝78.5 kN/m3，彈性模量Es＝2.06×105MPa，泊松比為0.31，熱膨脹系數(shù)α＝1.2×10－5。

C50自密實(shí)鋼筋混凝土橋面板力學(xué)性能參數(shù)為：密度 γ＝26 kN/m3，彈性模量Es＝3.45×104MPa，泊松比為0.2，熱膨脹系數(shù) α＝1.0 ×10－5。

3 施工方案分析

（1）鋼梁頂推與橋面板吊裝方案

方案一為鋼梁頂推施工，在鋼梁前端連接導(dǎo)梁，待單孔四片鋼梁均架設(shè)完成后逐片起吊橋面板并鋪裝。主要施工流程：頂推設(shè)備安裝→設(shè)置前導(dǎo)梁頂推第一片鋼梁施工→施工完成后鋼梁頂面局部剪力釘焊接→鋼梁循環(huán)頂推施工與剪力釘焊接→安裝端橫梁與支座橫梁→吊裝起重設(shè)備安裝→橋面板逐片起吊鋪裝→橋面板濕接縫澆筑→拆除頂推及吊裝設(shè)備。

（2）鋼梁與橋面板分步吊裝施工方案

方案二施工流程為：工廠預(yù)制鋼梁并運(yùn)至施工現(xiàn)場→鋼梁拼裝場地硬化→鋼梁拼裝焊接→架橋機(jī)設(shè)備安裝→第一片鋼梁吊裝施工→施工完成鋼梁頂面局部剪力釘焊接→鋼梁循環(huán)吊裝施工與剪力釘焊接→安裝端橫梁與支座橫梁→橋面板吊裝設(shè)備安裝→橋面板逐片起吊鋪裝→橋面板濕接縫澆筑→拆除架橋機(jī)及吊裝設(shè)備。

（3）組合梁吊裝施工方案

方案三為鋼梁頂面密布焊接剪力釘，如圖4所示，頂面預(yù)制50 m長、2.5 m寬橋面板，組合梁吊裝如圖5所示。主要施工流程為：工廠預(yù)制鋼梁并運(yùn)至施工現(xiàn)場→鋼梁拼裝場地硬化→鋼梁拼裝及剪力釘焊接→在鋼梁頂面采用后張預(yù)應(yīng)力法預(yù)制C50橋面板→采用HD JH50/200Ⅱ型架橋機(jī)架設(shè)單片組合梁→循環(huán)吊裝組合梁→安裝端橫梁與支座橫梁→橋面板濕接縫澆筑→拆除架橋機(jī)等設(shè)備。

圖4 剪力釘立面及空間分布

圖5 組合梁整體吊裝

4 ABAQUS有限元分析及方案比選

在鋼梁3個橫截面、13個縱截面上分別設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，對各方案下鋼梁監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力與位移進(jìn)行對比分析，得出各方案對鋼梁承載力、局部應(yīng)力的影響，評選最優(yōu)方案。監(jiān)測點(diǎn)布置如圖6所示（圖中“點(diǎn)3-1”表示縱截面3與橫截面1相交的監(jiān)測點(diǎn)，其余編號以此類推）。

圖6 鋼梁監(jiān)測點(diǎn)分布示意

4.1 頂推與分步吊裝方案分析

通過數(shù)值模擬獲得兩種施工方案下鋼梁上39個截面監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力與位移分布。頂推方案監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)見表1，分步吊裝方案數(shù)據(jù)見表2。

表2 分步吊裝方案監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)

頂推方案橫截面1最大應(yīng)力為97.4 MPa，橫截面2最大應(yīng)力34.86 MPa，橫截面3最大應(yīng)力92.07 MPa，均在縱截面9部位；分步吊裝方案橫截面1最大應(yīng)力39.05 MPa，橫截面2最大應(yīng)力7.94 MPa，橫截面3最大應(yīng)力14.24 MPa，均發(fā)生在縱截面7處。從位移看，頂推方案中最大位移均在鋼梁推出側(cè)最前端，為109 mm；分步吊裝方案最大位移均在鋼梁中間截面，為14.6 mm。

綜上，在鋼梁三個橫截面上頂推方案最大應(yīng)力均是分步吊裝方案的2倍以上，最大位移是分步吊裝方案的7.4倍。兩種施工方案下鋼梁均未達(dá)到Q345D鋼材屈服應(yīng)力345 MPa。在工程分析中認(rèn)為小位移或接近零位移對施工安全性更有保障。故分步吊裝方案對于鋼梁施工過程中減少應(yīng)力集中、整體應(yīng)力及位移精度控制均更有利。

為直觀對比兩種施工方案在鋼梁三個橫截面上應(yīng)力、位移變化情況，繪制橫截面應(yīng)力、位移趨勢圖如圖7～圖8所示。

圖7 頂推與分步吊裝監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力趨勢

圖8 頂推與分步吊裝監(jiān)測點(diǎn)位移趨勢

由圖7可知，在橫截面1上頂推方案在點(diǎn)9-1達(dá)到最大應(yīng)力97.4 MPa；分步吊裝方案最大應(yīng)力為39.05 MPa。在橫截面2上頂推方案在點(diǎn)9-2達(dá)到最大應(yīng)力34.86 MPa；分步吊裝方案在點(diǎn)7-2達(dá)到最大應(yīng)力7.94 MPa。在橫截面3上頂推方案在點(diǎn)9-3發(fā)生應(yīng)力集中92.07 MPa；分步吊裝方案在點(diǎn)7-3達(dá)到最大應(yīng)力14.23 MPa。頂推方案最大位移為108.9 mm，隨著靠近頂推側(cè)而逐漸減??；分步吊裝方案最大位移為14.63 mm。兩方案在橫截面2、3上位移曲線變化與橫截面1基本相同。

可見，頂推方案在縱截面9極易發(fā)生局部應(yīng)力集中，短距離內(nèi)出現(xiàn)30～60 MPa增量變化，對鋼梁耐久性及使用性能均有影響；頂推方案最大位移是分步吊裝方案的2倍以上。根據(jù)鋼材特性，施工過程應(yīng)力越大，在鋼材內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力損傷、應(yīng)力殘留的概率越大。

4.2 分步吊裝與組合梁吊裝方案分析

分步吊裝的鋼梁質(zhì)量為35 t，組合梁吊裝質(zhì)量約122 t，吊裝質(zhì)量相差近3倍，可認(rèn)為分析兩方案吊裝階段鋼梁上應(yīng)力、位移分布情況意義不大，故對成橋前階段做靜力學(xué)分析，選出更優(yōu)方案。分步吊裝方案中全部荷載均由鋼梁承擔(dān)，將橋面板重力轉(zhuǎn)換為均布壓力載荷，如式（1），簡化分析鋼梁應(yīng)力及位移情況。將式（1）計(jì)算得出的均布壓力載荷施加于鋼梁頂面，得出分步吊裝方案成橋前數(shù)據(jù)如表3所示，組合梁吊裝數(shù)據(jù)如表4所示。

表3 分步吊裝方案成橋前監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)

表4 組合梁吊裝方案成橋前監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)

分步吊裝方案橫截面1最大應(yīng)力145.26 MPa，發(fā)生在點(diǎn)7-1；橫截面2應(yīng)力極大值68.98 MPa，發(fā)生在點(diǎn)1-2與13-2；橫截面3應(yīng)力極大值93 MPa，發(fā)生在點(diǎn)1-3與13-3。組合梁吊裝方案橫截面1最大應(yīng)力16.47 MPa，發(fā)生在點(diǎn)7-1；橫截面2應(yīng)力極大值30.5 MPa，發(fā)生在點(diǎn)1-2與13-2；橫截面3最大應(yīng)力46.6 MPa，發(fā)生在點(diǎn)7-3。分步吊裝鋼梁各截面應(yīng)力均是組合梁吊裝的2倍以上。兩方案最大位移均發(fā)生在鋼梁中心截面，分步吊裝方案為80 mm，組合梁吊裝方案為30.7 mm（見圖9～圖10）。

圖9 分步吊裝與組合梁吊裝應(yīng)力趨勢

圖10 分步吊裝與組合梁吊裝位移趨勢

可見，組合梁吊裝方案對于成橋階段削弱鋼梁應(yīng)力集中、增加成橋承載量更為有利。

由應(yīng)力分析結(jié)果可知，組合梁方案可顯著降低鋼梁上翼緣板的應(yīng)力，避免局部應(yīng)力集中。基于鋼結(jié)構(gòu)力傳遞效果，分步吊裝方案在兩端高強(qiáng)螺栓固定處必發(fā)生應(yīng)力集中，對鋼梁承載力有較大影響，組合梁吊裝方案無明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象。

由位移分析結(jié)果可知，同種施工方案在三個橫截面上位移變化趨勢及位移量近似等同。組合梁吊裝方案在避免鋼梁局部應(yīng)力集中、增加成橋使用壽命方面均具有顯著優(yōu)勢，最終選定組合梁吊裝方案為最優(yōu)方案。

5 結(jié)論

（1）分步吊裝方案相較于頂推方案可有效抵抗鋼梁變形，在整體應(yīng)力控制、削減局部應(yīng)力及施工位移精度控制上都具有顯著優(yōu)勢。

（2）成橋前階段組合梁方案較分步吊裝方案可顯著削弱鋼梁整體所受應(yīng)力，減小鋼梁上各點(diǎn)應(yīng)力、位移量，避免局部應(yīng)力集中。

（3）運(yùn)用ABAQUS有限元分析可為項(xiàng)目方案評選提供數(shù)據(jù)支持，對于制定合理高效的施工方案具有指導(dǎo)意義。