基于Midas Civil的超高大跨龍門架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

汲港升，馬士賓，董少敏，龐京杰，馮瑞椿

(1.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401；2. 北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，北京 102612；3.承德路瑞公路養(yǎng)護(hù)工程有限公司，河北 承德 067000)

0 引言

隨著全國(guó)城市建設(shè)的快速發(fā)展，交通量不斷增加，城市重要節(jié)點(diǎn)地區(qū)的橋梁改造工程不斷增多。特別是我國(guó)西南地區(qū)一些城市，橋梁高度大，現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地小，項(xiàng)目受場(chǎng)地等環(huán)境影響，常規(guī)架設(shè)方法無(wú)法實(shí)施。對(duì)于此類受地理環(huán)境、工期限制等諸多因素影響的高橋墩、大跨徑橋梁架設(shè)工程，采用超高大跨龍門架的施工方案，相對(duì)于使用其他類型的吊裝方式，可有效節(jié)約成本，縮短工期，并可有效減少不良環(huán)境對(duì)施工的影響[1]。目前，國(guó)內(nèi)龍門架的使用越來(lái)越廣泛，但龍門架在施工過(guò)程中的安全性問(wèn)題，是國(guó)內(nèi)超高大跨龍門架發(fā)展過(guò)程中需要研究克服的難點(diǎn)[2-3]。

北京西路立交主線橋因受地理、場(chǎng)地環(huán)境、工期等諸多因素影響，無(wú)法利用橋頭運(yùn)梁，需要在第一跨垂直提升小箱梁，提升重量約100 t，提升高度達(dá)50 m，因此成為了北京西路立交工程中最困難的部分。為了解決這一技術(shù)難題，經(jīng)過(guò)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等綜合比較后采用超高大跨龍門架的施工方案可有效解決施工環(huán)境限制問(wèn)題，并對(duì)超高大跨龍門架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、整體結(jié)構(gòu)受力分析和施工監(jiān)控，優(yōu)質(zhì)高效地確保了北京西路立交主線橋施工的順利進(jìn)行。

1 工程概況

黔春大道北京西路立交主線橋位于貴陽(yáng)市1.5環(huán)道路西段，按左、右分幅設(shè)置：左幅橋梁總長(zhǎng)1 025.6 m，分8聯(lián)布置，橋梁第5～7聯(lián)為預(yù)制小箱梁結(jié)構(gòu)(共65片)；右幅橋梁總長(zhǎng)940.39 m，分8聯(lián)布置，橋梁第3～6聯(lián)為預(yù)制小箱梁結(jié)構(gòu)(共60片)；左幅1、2、3、4、8聯(lián)、右幅1、2、7、8聯(lián)采用懸臂澆筑施工工藝。道路標(biāo)準(zhǔn)斷面寬度為40 m，雙向八車道(含BRT車道)，成為了貴陽(yáng)市最大的市政立交橋。北京西路立交主線橋共有預(yù)制小箱梁125片，對(duì)于小箱梁，其中梁、邊梁預(yù)制寬度分別采用2.4、2.85 m，預(yù)留濕接縫的寬度為0.825 m；小箱梁頂板厚度為20 cm，底板、腹板厚度18 cm(跨中)，28、30 m 跨徑小箱梁梁高1.7 m，32.5、33.9、35 m 跨徑小箱梁梁高2.0 m，最大梁重為136.838 t。主線橋預(yù)制小箱梁段主梁由預(yù)制帶翼小箱梁+現(xiàn)澆濕接縫組合而成，結(jié)構(gòu)型式為簡(jiǎn)支橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)。

北京西路立交樞紐地處黔靈山脈，地形較為復(fù)雜，同時(shí)，黔春路、北京西路、川黔鐵路、貴廣高鐵等交通路徑在此聚集，在相對(duì)狹小的空間內(nèi)，施工作業(yè)面非常小，大型施工器械和車輛無(wú)法進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)，因此施工難度極大。且受工期限制的影響，需在懸臂澆筑段施工的同時(shí)進(jìn)行小箱梁吊裝，導(dǎo)致無(wú)法從橋頭運(yùn)梁，需要利用龍門架從第一孔起吊小箱梁，然后由架橋機(jī)沿著順橋向進(jìn)行安裝，完成吊梁、移梁、箱梁架設(shè)等工作。立交主線橋與超高大跨龍門架的整體布置三維效果示意圖如圖1所示。

圖1 橋梁與超高大跨龍門架主體結(jié)構(gòu)布置三維效果示意Figure 1 Three-dimensional effect of main structure layout of bridge and super-high span gantry

2 超高大跨龍門架設(shè)計(jì)

2.1 平面布置

北京西路立交主線橋小箱梁的架設(shè)采用了2臺(tái)超高大跨龍門架，龍門架兩側(cè)立柱與永久墩柱通過(guò)平聯(lián)進(jìn)行連接。龍門架中間立柱在高度20.68、38.68 m處通過(guò)平聯(lián)與永久墩柱進(jìn)行連接。立柱采用4根壁厚16 mm、直徑609 mm的鋼管組成，立柱均設(shè)置在混凝土基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上，在基礎(chǔ)施工時(shí)提前預(yù)埋地腳螺栓。超高大跨龍門架的間距為31.49 m，主梁凈寬為24、27 m，將中間立柱與永久墩柱之間的距離作為提梁區(qū)域進(jìn)行箱梁的吊裝作業(yè)[4-5]。超高大跨龍門架平面布置如圖2所示。

圖2 超高大跨龍門架平面布置Figure 2 Super-high span gantry plane layout

2.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)造

龍門架通常由主梁桁架、立柱、基礎(chǔ)、動(dòng)力系統(tǒng)、導(dǎo)軌架、懸吊系統(tǒng)、安全與防護(hù)裝置組成。北京西路立交主線橋由于墩柱高達(dá)50 m，為降低墩柱計(jì)算長(zhǎng)細(xì)比，需要每隔6 m設(shè)置一道與永久墩柱相連的水平連接(平聯(lián))[6]。主梁桁架由5榀單層雙組加強(qiáng)型貝雷桁架組成，貝雷桁架之間配備118×45型支撐架。貝雷桁架頂部間距70～79 cm布設(shè)I32a工字鋼軌道分配梁，軌道分配梁上鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)軌道。由于采用了2臺(tái)超高大跨龍門架進(jìn)行架設(shè)工作，因此需要安裝兩個(gè)主梁桁架，其橫向間距為31.49 m。主梁桁架跨越了2個(gè)橋墩，其跨徑為24 m和27 m。超高大跨龍門架主體結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖3，貝雷主梁龍門架斷面圖見(jiàn)圖4，兩側(cè)立柱、中間立柱分別與永久墩柱的連接構(gòu)造如圖5所示。

圖3 超高大跨龍門架主體結(jié)構(gòu)形式(單位：cm)Figure 3 Main structure of super-high span gantry (Unit: cm)

圖4 貝雷主梁龍門架斷面圖(單位：cm)Figure 4 Sectional view of the gantry of Beret girder (Unit: cm)

圖5 兩側(cè)立柱、中間立柱與永久墩柱的連接構(gòu)造Figure 5 Connection structure of side column, intermediate column with permanent pier column

支腿立柱均采用直徑609 mm，壁厚16 mm的無(wú)縫鋼管，兩端采用2 cm厚鋼板封閉焊，并設(shè)置加勁板，上下立柱之間采用高強(qiáng)度螺栓緊固連接，水平立柱之間采用18#工字鋼作為水平支撐、斜支撐進(jìn)行連接，以增加其整體性和穩(wěn)定性。立柱頂端兩邊豎直腹桿設(shè)置加強(qiáng)，面積擴(kuò)大3倍，立柱頂端內(nèi)側(cè)兩邊貝雷梁底面弦桿設(shè)置加強(qiáng)，面積擴(kuò)大2倍。每根鋼立柱頂部設(shè)置了2根HW588×300的型鋼做分配梁，分配梁與貝雷主梁采用10#槽鋼焊接反壓固定，結(jié)構(gòu)構(gòu)造如圖6、圖7所示。底部與立柱基礎(chǔ)預(yù)埋螺栓固定，材料為14#工字鋼。鋼管水平立柱結(jié)構(gòu)水平支撐、斜支撐連接形式與地腳螺栓結(jié)構(gòu)形式如圖8所示。

圖6 分配梁與貝雷主梁連接結(jié)構(gòu)形式(單位：cm)Figure 6 Connection between the distribution beam with the Beret girder (Unit: cm)

圖7 分配梁與貝雷梁采用10#槽鋼反壓固定(單位：cm)Figure 7 Back pressure fixed by 10# U-steel between the distribution beam with the Beret girder (Unit: cm)

圖8 立柱鋼管水平、斜支撐連接與地腳螺栓結(jié)構(gòu)形式(單位：cm)Figure 8 Steel pipe column horizontal and slanted support connection and anchor bolt structure (Unit: cm)

3 超高大跨龍門架受力特性分析

3.1 Midas Civil整體建模

采用Midas Civil進(jìn)行整體建模，采用材料抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值對(duì)龍門架主體結(jié)構(gòu)各桿件進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算，尋找重要桿件最不利狀況時(shí)天車位置，進(jìn)行荷載反加分析各構(gòu)件的受力情況，并分別對(duì)龍門架結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體驗(yàn)算分析和立柱鋼管局部屈曲模態(tài)分析、立柱基礎(chǔ)整體穩(wěn)定性分析。龍門架主體結(jié)構(gòu)全部采用梁?jiǎn)卧M，軌道與軌道分配梁之間、軌道分配梁與貝雷片加強(qiáng)弦桿之間、貝雷片加強(qiáng)弦桿與貝雷弦桿、貝雷片加強(qiáng)弦桿與鋼立柱頂分配梁型鋼之間均采用剛性連接[6-7]。貝雷主梁龍門架整體建模模型如圖9所示。

圖9 貝雷主梁龍門架整體建模模型Figure 9 Overall modeling model of Beret girder gantry

3.2 荷載與工況

天車荷載采用車輛荷載進(jìn)行模擬，車輛軸距采用CAD模型中所量距離(1.5 m+1.6 m+1.5 m)，軸重234 kN(包含箱梁自重)；其他荷載采用節(jié)點(diǎn)荷載和梁?jiǎn)卧奢d進(jìn)行模擬，根據(jù)龍門架與小箱梁結(jié)構(gòu)的尺寸等，超高大跨龍門架所承受的荷載如下：小箱梁自重最大值為138 t，每榀提梁架受到的荷載為690 kN，卷?yè)P(yáng)機(jī)的荷載為90 kN，考慮沖擊系數(shù)集中荷載為936 kN，天車啟動(dòng)水平力為46.8 kN，吊梁鐘擺力為2.9 kN，橫向風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為12.27 kN。

利用Midas Civil移動(dòng)荷載追蹤功能追蹤以下5處桿件應(yīng)力最大時(shí)荷載位置。第1處為中立柱處貝雷加強(qiáng)弦桿最大組合應(yīng)力時(shí)荷載位置(工況一)，第2處為跨中軌道最大組合應(yīng)力時(shí)荷載位置(工況二)，第3處為邊立柱處貝雷加強(qiáng)弦桿最大組合應(yīng)力時(shí)荷載位置(工況三)，第4處為中立柱鋼管壓應(yīng)力最大時(shí)荷載位置(工況四)，第5處為中立柱鋼管壓應(yīng)力最大時(shí)荷載位置(工況五)。

本模擬考慮荷載較多導(dǎo)致荷載組合工況較多，模型中自重和天車(考慮箱梁荷載)荷載較大，而其他荷載較小，因此主要查看自重和天車荷載組合作用下的各構(gòu)件應(yīng)力，分析其受力情況，其他荷載主要對(duì)鋼立柱有較大影響，因此將提取其他荷載對(duì)鋼立柱產(chǎn)生的絕對(duì)值應(yīng)力大小,然后和自重與天車荷載組合作用下的應(yīng)力進(jìn)行組合分析。龍門架結(jié)構(gòu)為兩跨結(jié)構(gòu)體系，27 m+24 m，以下提取結(jié)果為27 m一跨的計(jì)算結(jié)果。

3.3 龍門架結(jié)構(gòu)整體驗(yàn)算[1.1×(1.1×自重+天車荷載)]

3.3.1應(yīng)力值分析

龍門架整體結(jié)構(gòu)各部件在天車荷載作用下的最大應(yīng)力值如表1所示。龍門架整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析如圖10所示。

16 Mn鋼材結(jié)構(gòu)的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取310 MPa，Q235鋼材結(jié)構(gòu)的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值190 MPa。計(jì)算分析貝雷桿件(材料性質(zhì)為16 Mn的桿件)最大應(yīng)力為200.28 MPa，產(chǎn)生位置為立柱處加強(qiáng)弦桿；非貝雷桿件(材料性質(zhì)為Q235鋼的桿件)最大應(yīng)力為147.92 MPa，產(chǎn)生位置為貝雷梁底部加強(qiáng)桿件。經(jīng)整體結(jié)構(gòu)分析龍門架各桿件最大應(yīng)力均小于材料抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，滿足規(guī)范要求[8]。

表1 龍門架結(jié)構(gòu)總體各部件在天車荷載作用下的最大應(yīng)力值Table 1 Maximum stress value of each component of the whole gantry structure under roof load

圖10 龍門架整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析Figure 10 Stress analysis of whole structure of gantry

3.3.2位移分析

針對(duì)超高大跨龍門架的自重和天車荷載,以及5種不利荷載作用位置工況下龍門架結(jié)構(gòu)發(fā)生的位移進(jìn)行了計(jì)算分析?？紤]自重、天車荷載共同作用下龍門架整體位移分析如圖11所示。在考慮龍門架自重、天車荷載,以及5種荷載工況作用下超高大跨龍門架的最大位移值如表2所示。

圖11 龍門架整體位移分析Figure 11 Displacement analysis of whole structure of gantry

計(jì)算分析得到的超高大跨龍門架最大位移計(jì)算值均小于L/500=54 mm，故龍門架結(jié)構(gòu)發(fā)生的位移滿足規(guī)范要求。

表2 龍門架不同荷載工況下結(jié)構(gòu)的位移值Table 2 Displacement values of the whole gantry under differ-ent load conditions

3.4 立柱鋼管的局部屈曲分析

由于鋼管立柱的底部屬于應(yīng)力集中部位,選取立柱最下端鋼管進(jìn)行立柱鋼管的局部屈曲驗(yàn)算。荷載工況為最大軸力對(duì)應(yīng)的彎矩和剪力,以及最大彎矩對(duì)應(yīng)的軸力和剪力。其最大軸力與最大彎矩工況下的應(yīng)力分析計(jì)算結(jié)果如圖12所示。

圖12 鋼管立柱最大軸力與最大彎矩工況應(yīng)力分析Figure 12 Analysis of maximum axial force and maximum bending moment working stress of vertical steel pipe

最大軸力工況下的立柱鋼管局部受力最大應(yīng)力值為24.32 MPa<190 MPa，最大應(yīng)力值小于材料抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，滿足規(guī)范要求；最大彎矩工況下的立柱鋼管局部受力最大應(yīng)力值為20.08 MPa<190 MPa，最大應(yīng)力值小于材料抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，滿足規(guī)范要求。

對(duì)2種工況下的立柱鋼管在重力作用與節(jié)點(diǎn)荷載作用下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并考慮1.2倍系數(shù)，立柱鋼管的最大軸力和最大彎矩屈曲分析特征值如表3、表4所示。

表3 最大軸力下立柱鋼管屈曲分析特征值Table 3 Characteristic value of buckling analysis of steel pipe column under maximum axial force

經(jīng)過(guò)立柱鋼管的局部屈曲分析計(jì)算，最大軸力與最大彎矩工況下的10種模態(tài)下的最小屈曲特征值分別達(dá)到了89.951 457和119.747 628，具有很高的局部失穩(wěn)抵抗能力，即立柱鋼管不會(huì)發(fā)生局部失穩(wěn)破壞現(xiàn)象。

3.5 立柱基礎(chǔ)分析驗(yàn)算

立柱基礎(chǔ)分析驗(yàn)算主要包含3部分驗(yàn)算內(nèi)容，主要有地基承載力驗(yàn)算、基礎(chǔ)傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算和基礎(chǔ)滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算[9]。以中、邊立柱基礎(chǔ)的4根立柱鋼管為研究對(duì)象，分析驗(yàn)算荷載為立柱基礎(chǔ)的最大軸力和最大彎矩與對(duì)應(yīng)的剪力值。中立柱基礎(chǔ)的平面尺寸為9.0 m×9.0 m，邊立柱基礎(chǔ)的平面尺寸為6.0×6.0 m，基礎(chǔ)與地基之間的摩擦系數(shù)為0.25。中、邊立柱基礎(chǔ)分析驗(yàn)算結(jié)果如表5、表6所示。

由驗(yàn)算結(jié)果可知，中立柱基礎(chǔ)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為10，大于1.5，基礎(chǔ)抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)為25.3，大于1.3，均滿足規(guī)范要求，中立柱基礎(chǔ)穩(wěn)定性較好，不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞。邊立柱基礎(chǔ)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為22，大于1.5，基礎(chǔ)抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)為268.1，大于1.3，均滿足規(guī)范要求，邊立柱基礎(chǔ)穩(wěn)定性較好，不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞。

表5 中立柱基礎(chǔ)分析驗(yàn)算結(jié)果Table 5 Foundation analysis of the center column

表6 邊立柱基礎(chǔ)分析驗(yàn)算結(jié)果Table 6 Foundation analysis of the Side column

3.6 工程位移監(jiān)測(cè)

為了進(jìn)行實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，在實(shí)際施工過(guò)程中對(duì)超高大跨龍門架進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)，各測(cè)點(diǎn)位移傳感器的位置如圖13所示。在計(jì)算分析中，只考慮豎向荷載的作用，剔除鋼立柱所產(chǎn)生的豎向位移對(duì)貝雷梁位移的影響，只考慮龍門架整體豎向位移，實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值的整理結(jié)果如表7、表8所示。由數(shù)據(jù)對(duì)比可以得出，實(shí)際測(cè)量整體最大豎向位移為37 mm,出現(xiàn)在左側(cè)龍門架二分之一跨橫移位置。實(shí)際測(cè)量值與理論計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)基本相同，但實(shí)際的位移要大于理論計(jì)算的值，這主要與超高大跨龍門架各部件之間的連接緊密程度、荷載移動(dòng)、施工誤差和實(shí)測(cè)誤差等因素有關(guān)。

圖13 左側(cè)、右側(cè)龍門架各測(cè)點(diǎn)位移傳感器位置

表7 左側(cè)龍門架整體豎向位移實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)果Table 7 Measured and calculated results of the overall vertical displacement of the left gantrymm

表8 右側(cè)龍門架整體豎向位移實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)果Table 8 Measured and calculated results of the overall vertical displacement of the right gantrymm

4 結(jié)語(yǔ)

北京西路立交主線橋小箱梁的安裝，因地制宜，在施工期限緊張與施工場(chǎng)地受限的情況下，采用超高大跨龍門架進(jìn)行安裝，有效降低了外界條件和環(huán)境的不良影響，降低了成本的投入，并且可以連續(xù)使用，保證施工的順利進(jìn)行。通過(guò)對(duì)超高大跨龍門架結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)進(jìn)行論述，并結(jié)合實(shí)際施工中的荷載與工況，采用Midas Civil有限元數(shù)值模擬分析的方法對(duì)超高大跨龍門架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和立柱鋼管的局部穩(wěn)定性、龍門架立柱基礎(chǔ)的承載力、抗傾覆和抗滑移穩(wěn)定性分析，最后結(jié)合實(shí)際施工過(guò)程對(duì)超高大跨龍門架的位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)一步證明了該龍門架結(jié)構(gòu)安全可靠。將超高大跨龍門架安裝小箱梁橋技術(shù)應(yīng)用到類似安裝高度超過(guò)50 m，跨徑超過(guò)40 m的橋墩高、跨徑大的橋梁施工過(guò)程中，為類似工程項(xiàng)目提供可復(fù)制可推廣經(jīng)驗(yàn)，對(duì)城市重要節(jié)點(diǎn)地區(qū)同類型高墩大跨橋梁建設(shè)具有一定參考意義和推廣價(jià)值。