鋼桁梁橋施工的力學(xué)特性研究

盧麗群

摘要：基于國(guó)內(nèi)外鋼桁梁橋施工技術(shù)的研究與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在充分調(diào)研各施工方法特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，文章以某地鋼桁梁橋拼接施工過程為對(duì)象，輔以鋼桁梁橋數(shù)據(jù)參數(shù)，利用有限元仿真軟件Midas Civil軟件建立3D實(shí)體模型，在自重及其他荷載作用下，分別針對(duì)主桁結(jié)構(gòu)、聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)和拼接施工時(shí)的主桁架進(jìn)行力學(xué)分布計(jì)算與分析。結(jié)果表明：在位移差分別為10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm的工況下，主桁滿足安全穩(wěn)定要求;鋼桁梁施工在位移差為0～60mm范圍內(nèi)，滿足安全穩(wěn)定要求;橫移施工中的主桁架在鋼桁架橫移一半時(shí)應(yīng)力值出現(xiàn)極值，應(yīng)在橫移到整段中間處加強(qiáng)防護(hù)與安全監(jiān)控，但總體強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性均滿足要求。

關(guān)鍵詞：鋼桁梁橋;施工技術(shù);力學(xué)特性;有限元

中圖分類號(hào)：U448.21⁺1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.033

文章編號(hào)：1673-4874（2021）01-0117-04

0引言

隨著《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》的發(fā)布，我國(guó)交通建設(shè)邁向新時(shí)代。鐵路、公路橋梁施工技術(shù)的提升與施工裝備的升級(jí)不僅是我國(guó)從“交通大國(guó)”向“交通強(qiáng)國(guó)”轉(zhuǎn)變的重要因素，同時(shí)也是我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)和民生工程的根基。鋼桁架梁橋具有承載能力強(qiáng)、跨越能力大、施工速度快和結(jié)構(gòu)耐久性好等特點(diǎn)，在國(guó)外各類橋梁和我國(guó)鐵路橋梁建設(shè)中較早地得到普遍應(yīng)用[1]。近幾年，為提升我國(guó)公路橋梁的品質(zhì)和耐久性，降低全壽命周期成本，在公路橋梁中積極推進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)，鋼桁梁橋在公路橋梁中得到普遍應(yīng)用[2]。我國(guó)鋼桁梁橋主要在公路和鐵路建設(shè)中被廣泛運(yùn)用，在經(jīng)歷技術(shù)引進(jìn)與經(jīng)驗(yàn)積累的過程之后，進(jìn)入技術(shù)全面升級(jí)與裝備逐漸完善階段，如今已經(jīng)步入世界一流水平。目前具有代表性的鋼桁梁橋主要分布于武漢及其他三個(gè)城市，這些自主設(shè)計(jì)并建造的鋼桁梁橋代表著我國(guó)鋼桁架橋的先進(jìn)技術(shù)。同時(shí)，橋梁工程領(lǐng)域及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展直接關(guān)系到橋梁承載力及橋梁結(jié)構(gòu)形式的改變，而混凝土結(jié)構(gòu)作為橋梁工程的主要材料，其在施工過程中表現(xiàn)的力學(xué)性能和工作性能等至關(guān)重要。

鋼桁梁橋的施工方式主要有懸臂法、頂推法、轉(zhuǎn)體法等。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)鋼桁架橋施工及力學(xué)性能的研究主要集中在施工技術(shù)的升級(jí)與優(yōu)化和有限元模擬與驗(yàn)算等方面：馮政[3]通過鋼桁梁橋的主要施工方式介紹，在對(duì)比各類施工方法的基礎(chǔ)上針對(duì)鋼桁梁橋的特點(diǎn)，分析鋼桁梁橋技術(shù)，為大跨度鋼桁梁橋的施工技術(shù)升級(jí)提供理論依據(jù);鞠天祥[4]以筍溪河特大橋大跨徑鋼桁懸索橋施工為依托，分析了大跨徑鋼桁懸索橋施工及質(zhì)量控制要點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)中的優(yōu)化方案，為施工過程中的參數(shù)優(yōu)化提供參考;何佳軒[5]針對(duì)某鋼桁梁橋施工過程，通過有限元軟件模擬推演，分析出鋼桁梁橋薄弱位置并進(jìn)行安全性評(píng)估，

具有較高的應(yīng)用價(jià)值。雖然學(xué)者們?yōu)楦玫靥嵘┕ば书_展了眾多針對(duì)鋼桁梁橋施工過程的研究，但針對(duì)施工過程中橫移架設(shè)的力學(xué)分析與特性研究還鮮有出現(xiàn)。本文基于前人鋼桁梁橋施工技術(shù)的研究經(jīng)驗(yàn)，以某地鋼桁梁橋拼接施工過程為對(duì)象，針對(duì)鋼桁梁橋的具體參數(shù)，利用有限元仿真軟件通過建立有限元實(shí)體模型進(jìn)行力學(xué)特性研究，試圖得到鋼桁梁橋拼接全過程中應(yīng)力分布與結(jié)構(gòu)位移的規(guī)律，在驗(yàn)證鋼桁梁拼接施工可行性的基礎(chǔ)上為今后鋼桁梁施工技術(shù)升級(jí)與創(chuàng)新提供研究依據(jù)。

1鋼桁梁模型

1.1工程概況

某橋梁跨越高鐵線路與公路線路之上，其鋼桁梁主桁為正三角結(jié)構(gòu)，其間為倒三角結(jié)構(gòu)，布置圖如圖1所示，尺寸參數(shù)如表1所示，斜交角為14°、72°，總重約為2700t。期初設(shè)計(jì)施工方案為配重縱向頂推法，簡(jiǎn)支梁鋪架后進(jìn)行簡(jiǎn)支梁平臺(tái)兩側(cè)鋼管幫寬布置，于拼裝平臺(tái)進(jìn)行導(dǎo)梁布置，其后配重，最后進(jìn)行頂推作業(yè)。經(jīng)過比選與優(yōu)化設(shè)計(jì)，原施工方案可能影響下部已有線路，施工風(fēng)險(xiǎn)較大，隨即進(jìn)行施工方案調(diào)整，采用剛桁架梁整體橫移方案施工。施工流程為：場(chǎng)地平整作業(yè)→支架基礎(chǔ)施工→支架安裝→軌道梁安裝→滑道安裝→龍門吊安裝→鋼桁梁組裝→支撐設(shè)備架設(shè)→附屬設(shè)備安裝→鋼桁梁涂裝→鋼桁梁橫移→滑道梁拆除→調(diào)整落梁位置→支座安裝作業(yè)→鋼桁梁驗(yàn)收→支架拆除作業(yè)。

1.2有限元模型

鋼桁梁施工過程中，由于全過程均需要考慮各部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力情況，且需要判斷最不利位置、關(guān)鍵部位、特殊構(gòu)件的情況，故采用有限元模型建模，考慮運(yùn)用普遍適用于橋梁分析研究的Midas Civil軟件進(jìn)行。參考表2～4參數(shù)建立的空間3D模型，包括主桁桿件、聯(lián)結(jié)部件、橋面部件等，采用M24、M27單元模擬橋面及其他聯(lián)結(jié)高強(qiáng)螺栓，鋼材鋼桁梁模型材料屬性設(shè)置參考表5。

由于主桁相關(guān)構(gòu)件在施工前已于工廠完成，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接時(shí)利用整體節(jié)點(diǎn)的方式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拼接。有限元模型如圖2所示。模型中包含896個(gè)有限元單元，荷載承載部分為橫梁與橫肋、其他邊界條件均設(shè)置為剛性連接，臨時(shí)支撐為固結(jié)單元。模型施加荷載情況分為恒載、活載及風(fēng)力。根據(jù)文獻(xiàn)[6]和[7]與現(xiàn)場(chǎng)情況，恒載為鋼橫梁自重7.85t/m³，二期恒載為140kN/m，橋面混凝土板重95kN/m。

2力學(xué)特性分析

2.1主桁結(jié)構(gòu)

施工階段中，主桁結(jié)構(gòu)在自重下發(fā)生位移，在位移差分別為10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm時(shí)，主桁應(yīng)力云圖中的極值即為主桁桿件最大、最小拉、壓應(yīng)力。觀察表6可知：在鋼桁梁施工過程中，各部分最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力隨著位移差的增大而增大，最大拉應(yīng)力為86.7MPa、最大壓應(yīng)力為150.4MPa，均小于材料許用應(yīng)力，因此主桁桿件各部滿足安全穩(wěn)定要求。

2.2聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)

聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)主要有上平聯(lián)和橫聯(lián)組成，在自重作用下，不同位移差會(huì)導(dǎo)致不同應(yīng)力值。在位移差為10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm的七個(gè)工況下，上平聯(lián)與橫聯(lián)的最大拉、壓應(yīng)力如表7所示。由此可知：上平聯(lián)中最大拉應(yīng)力均來(lái)自于橫桿，而最大壓應(yīng)力來(lái)自于斜桿，這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)中橫桿主要承受拉應(yīng)力、斜桿主要承受壓應(yīng)力。各位移最大時(shí)產(chǎn)生最大拉壓應(yīng)力，其中，最大拉應(yīng)力為121.8MPa，最大壓應(yīng)力為187.4MPa，均滿足許用應(yīng)力值要求。而對(duì)于橫聯(lián)來(lái)講，與上平聯(lián)趨勢(shì)相同，拉應(yīng)力滿足要求，但當(dāng)位移差>60mm時(shí)，壓應(yīng)力為91.7MPa，壓應(yīng)力超過許用應(yīng)力要求，因此鋼桁梁施工中應(yīng)控制承點(diǎn)相對(duì)位移在60mm范圍內(nèi)才可保證體系的穩(wěn)定性。

2.3橫移施工中的主桁架

鋼桁架橫移施工過程較復(fù)雜，利用仿真模擬進(jìn)行全過程施工中的力學(xué)特征十分繁瑣，但是可以依據(jù)最不利狀態(tài)將橫移施工全過程劃分為四個(gè)工況進(jìn)行分別分析，得到結(jié)果后在工況內(nèi)和工況之間通過對(duì)比最大拉、壓應(yīng)力值是否滿足規(guī)范要求。同時(shí)，通過最大豎向位移值與L/4=335mm的對(duì)比可以判斷其穩(wěn)定性是否滿足要求，從而指導(dǎo)施工，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。四個(gè)工況分別為：鋼桁架結(jié)束安裝、鋼桁架橫移0.25、鋼桁架橫移0.50、鋼桁架橫移0.75。通過有限元模型計(jì)算得到表8數(shù)據(jù)，可以看出各工況極值中工況三最大，在施工中應(yīng)注意鋼桁架在橫移整段長(zhǎng)度0.5處需要加強(qiáng)防護(hù)與安全監(jiān)控，但總體來(lái)將，各工況下強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性均滿足要求。

3結(jié)語(yǔ)

基于國(guó)內(nèi)外鋼桁梁橋施工技術(shù)的研究與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在充分調(diào)研各施工方法特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本文以某地鋼桁梁橋拼接施工過程為對(duì)象，輔以鋼桁梁橋?qū)嶋H數(shù)據(jù)參數(shù)為依據(jù)，利用有限元仿真軟件Midas Civil軟件建立3D實(shí)體模型，在自重及其他荷載作用下，分別針對(duì)主桁結(jié)構(gòu)、聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)和拼接施工時(shí)的主桁架進(jìn)行力學(xué)分布計(jì)算與分析，得到如下結(jié)論：

（1）在位移差分別為10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm工況下，主桁應(yīng)力極值隨著位移差的增大而增大，最大拉應(yīng)力為86.7MPa、最大壓應(yīng)力為150.4MPa，均滿足安全穩(wěn)定要求。

（2）在位移差分別為10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm工況下，上平聯(lián)與橫聯(lián)應(yīng)力極值均出現(xiàn)在位移最大時(shí)，上平聯(lián)最大拉應(yīng)力為121.8MPa、最大壓應(yīng)力為187.4MPa。橫聯(lián)位移差>60mm時(shí)，壓應(yīng)力為91.7MPa，壓應(yīng)力超過許用應(yīng)力要求。故鋼桁梁施工在60mm范圍內(nèi)可滿足安全穩(wěn)定要求。

（3）在最不利狀態(tài)的四個(gè)工況下，橫移施工中的主桁架在鋼桁架橫移一半時(shí)應(yīng)力值出現(xiàn)極值，最大拉、壓應(yīng)力分別為189.7MPa、200.1MPa，應(yīng)在橫移到整段中間處加強(qiáng)防護(hù)與安全監(jiān)控。各工況下強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性均滿足要求。

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