超寬分體式鋼箱梁吊裝安全性能研究

馮殿怡， 劉顯彪

(西南交通大學(xué)，四川成都 610031)

大跨度斜拉橋主梁通常采用由眾多縱橫加勁和蓋板組成的封閉式扁平鋼箱梁結(jié)構(gòu)形式，其具有自重輕、彎扭剛度大等優(yōu)點[1]。為滿足抗風(fēng)要求，改善空氣動力性能，減輕結(jié)構(gòu)自重，將扁平鋼箱梁中分帶拉開形成雙箱或多箱斷面鋼箱梁，雙箱或多箱縱梁通過橫梁連接，即形成了分體式鋼箱梁。分體式鋼箱梁是閉口箱梁之后的重要創(chuàng)新，成為“第二代鋼箱梁”，既具有正交異性板的特點，同時又具備扁平鋼箱梁的典型構(gòu)造特點。

某大型斜拉橋，跨度總長為2 200 m，通航孔主跨2×720 m。橋型布置如圖1所示。橋跨線路屬于重要跨江通道，其交通特點為“重載、大交通量”。該三塔斜拉橋加勁梁采用超寬分體式鋼箱梁形式，橋面系采用跨越能力強的正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)。鋼箱梁全寬50.5 m，單箱梁寬19.75 m，橫向連接箱寬度達11 m，如圖2所示。

圖1 三塔斜拉橋橋型布置(單位：cm)

圖2 分體式鋼箱梁標準截面(單位：cm)

目前大跨度箱形梁結(jié)構(gòu)的吊裝方法主要有分段吊裝法、整體吊裝法、整體提升法、整體頂升法、高空滑移法等[2]。該斜拉橋分體式雙箱采用超寬橫向連接箱連接，在施工階段的吊裝過程中，借鑒了Morgenthal等[3]應(yīng)用在香港昂船洲大橋上的重型梁段吊裝方案，采用整體式梁段吊裝，分體式整節(jié)段梁呈“U”形，如圖3所示。但由于梁段重量大、尺寸寬，在吊裝過程中易發(fā)生整段梁扭轉(zhuǎn)、翹曲、畸變導(dǎo)致安裝精度不足等問題，甚至可能存在局部穩(wěn)定性較差、局部構(gòu)造剛度及承載力不足等結(jié)構(gòu)安全性問題。

圖3 分體式鋼箱梁整體節(jié)段

針對該橋鋼箱梁主梁“超寬幅”“分體式”等特點，針對施工階段整體吊裝的關(guān)鍵問題，本文將在超寬幅節(jié)段吊點構(gòu)造安全與箱梁變形控制方面展開研究。

1 仿真分析模型建立

分體式鋼箱梁受力和構(gòu)造體系比較復(fù)雜，其三維仿真分析具有一定的難度。同時，在考慮施工過程的情況下，需要進行多種受力條件下的仿真分析，建模工作量較大。若要建立合理的、符合鋼箱梁實際受力的仿真分析模型，需要考慮眾多方面的因素，如單元選擇、單元尺寸、約束條件等的影響。但另一方面也要考慮計算成本，適當(dāng)對模型進行一些簡化處理，以減小計算量。對于分體式鋼箱梁吊裝節(jié)段仿真分析而言，適用于其結(jié)構(gòu)體系的單元類型主要是三維板殼元，為了盡量真實模擬結(jié)構(gòu)的受力特性，選取4節(jié)點板殼元。采用大型通用有限元軟件ANSYS，建立了梁段起吊模型，此模型是嚴格按照實際梁段節(jié)段劃分進行建模，為了更好地模擬梁段在吊裝時的受力和約束情況，在節(jié)段整體模型上建立了吊耳局部構(gòu)造，將吊耳板件與頂板進行自由度耦合，在吊耳實際起吊位置建立約束。建立的梁段模型如圖4所示。

圖4 吊裝節(jié)段仿真模型

2 超寬幅節(jié)段吊點構(gòu)造安全與優(yōu)化設(shè)計研究

吊點位置的優(yōu)化布置是吊裝全過程中至關(guān)重要的一環(huán)，吊點位置的選擇對于箱梁節(jié)段受力狀況及吊裝安全性能具有重大影響。吊點初始位置根據(jù)設(shè)計圖確定，對于跨中典型梁段，向塔側(cè)吊點位于向塔側(cè)第一塊橫隔板上，背塔側(cè)吊點位于背塔側(cè)第2塊橫隔板上。

根據(jù)設(shè)計圖的布置，計算出的吊點支反力如圖5所示?？梢钥闯觯诖朔N情況下，吊點的前后、左右受力都不均勻，同一位置的2個吊點反力相差也較大，這種受力不均的狀態(tài)可能會導(dǎo)致吊梁平衡難以調(diào)整，且可能導(dǎo)致箱梁發(fā)生吊裝時側(cè)傾的危險，因此需要進行吊點優(yōu)化布置。

圖5 初始位置吊點力(單位：mm、kN)

初始設(shè)計位置的一個不合理之處在于，并未考慮橫向位置中橫隔板的影響。吊點被布置在了頂板U肋上方，此處為一空腔，頂板沒有橫隔板的支撐，故會造成頂板受力不合理、變形較大，對吊點力的分配也有影響；且不滿足實際施工的要求。優(yōu)化布置位置為頂板與橫隔板交界處，即橫隔板凸起的中點。為了確定較為合理的吊點布置形式，本專題進行了大量試驗計算，包括調(diào)整吊點的橫向、縱向位置，改變同一處2個吊點的間隔等。最終優(yōu)化布置的吊點力計算結(jié)果見圖6。

圖6 優(yōu)化布置后吊點力(單位：mm、kN)

由計算結(jié)果可以看出，同一位置2個吊點受力相差不大，內(nèi)外側(cè)吊點力也基本平衡。向塔側(cè)與背塔側(cè)吊點力有一定的差距，可以通過平衡梁解決，故此方案是比較合理的。經(jīng)過進一步驗算，在吊裝過程中，腹板的應(yīng)力較小，其余大部分板件的高應(yīng)力區(qū)都分布在吊點附近，最大拉應(yīng)力有60 MPa左右，滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

3 超寬幅節(jié)段分體式箱梁變形控制及措施研究

梁段提升時，兩幅鋼箱梁安裝吊耳，由吊機后端的卷揚機同步牽引提升。斜拉橋懸臂端與吊裝段鋼箱梁的受力體系和作用荷載均相差很大, 拼接斷面箱梁不可避免產(chǎn)生一定程度的變形差。如果變形差過大, 會給箱梁拼裝帶來很大的困難[4]。因此需要考察梁段在提升過程中的變形，是否滿足施工要求。梁段在吊升過程中的豎向變形云圖如圖7所示，最大豎向變形量為3.57 mm。各板件具體變形計算結(jié)果如表1所示。

圖7 梁段豎向變形(單位：mm)

表1 各板件3個方向最大變形結(jié)果 單位：mm

通過以上計算可以得出結(jié)論，在吊裝過程中，梁段向塔側(cè)變形較大，向塔側(cè)外緣截面會產(chǎn)生小幅度的畸變，最大變形發(fā)生在風(fēng)嘴的上下加勁肋處。其主要原因是向塔側(cè)吊點距外邊緣較遠，導(dǎo)致此側(cè)梁體受到提升作用較弱，產(chǎn)生了下?lián)?。最大變形量?.57 mm，小于施工要求的最大變形量6 mm，因此可認為不會影響正常的施工。

4 結(jié)論

本文對1座大型三塔斜拉橋施工過程中超寬分體式鋼箱梁的吊裝安全性能展開研究，通過仿真分析的方法，對吊點構(gòu)造進行了優(yōu)化設(shè)計，并驗算了各板件的變形量。經(jīng)過大量對比分析，確定了合理的優(yōu)化方案，吊裝過程中梁段的應(yīng)力和變形都能滿足規(guī)范要求，可認為優(yōu)化后的方案具備較好的施工安全性。