大跨徑鋼箱梁橋面大噸位吊裝細(xì)部分析

作者簡介：王彩艷（1995—），助理工程師，主要從事橋梁、路面養(yǎng)護工程項目計劃管理工作。

摘要：為了解決大跨徑鋼箱梁橋面大噸位吊裝施工過程中由于鋼箱梁橋面板薄弱導(dǎo)致局部應(yīng)力過大及橋面板承載能力計算方法的問題，文章提出了一種結(jié)合有限元模型及理論計算模型的方法，對該類施工方法的結(jié)構(gòu)安全進行驗算；針對橋面板承載能力不足的問題，提出了一種基礎(chǔ)鋁基板的優(yōu)化施工措施。結(jié)果表明，采用該加固方法是可行的。

關(guān)鍵詞：鋼箱梁；吊裝施工；橋面板；細(xì)部分析；有限元

中圖分類號：U448.21⁺3

0 引言

隨著橋梁設(shè)計技術(shù)的不斷發(fā)展，部分市政橋梁采用了鋼結(jié)構(gòu)造型進行裝飾^［1］，橋梁的設(shè)計跨徑也在不斷地提升^［2-3］，隨之而來的問題就是如何改進及提升原有的施工技術(shù)以滿足不斷提升的設(shè)計需求。鋼結(jié)構(gòu)橋梁^［4］具有成本低、結(jié)構(gòu)性能好、施工速度快、質(zhì)感強度好等優(yōu)點。然而其腹板、頂板的厚度較薄且通常采用輕薄的橋面板結(jié)構(gòu)，在橋面采用大噸位履帶吊進行吊裝施工時可能會導(dǎo)致鋼箱梁局部壓力過大、橋面板承載能力不足等情況，必須將預(yù)制好的構(gòu)件拆分成小重量的構(gòu)件進行吊裝施工，嚴(yán)重影響施工進度和安全，因此必須對鋼箱梁的細(xì)部結(jié)構(gòu)進行分析以及采取必要的加固措施。

本文依托某大跨徑鋼結(jié)構(gòu)風(fēng)雨橋橋面吊裝施工，針對大噸位橋面吊裝會產(chǎn)生鋼箱梁局部應(yīng)力過大、橋面板承載能力不足的問題，利用三維有限元計算軟件分析施工過程中橋梁的承載力，并探討此類結(jié)構(gòu)的施工優(yōu)化設(shè)計處理方法，為以后同類型施工提供有益參考。

1 工程概況

某鋼結(jié)構(gòu)風(fēng)雨橋位于廣西境內(nèi)，橫跨柳江，以極具民族特色的外觀造型，將被打造成為新的城市景觀名片。該主橋上部結(jié)構(gòu)主要包含鋼-混組合梁及橋上五座風(fēng)雨樓，其中八角亭一座、六角亭兩座、四角歇山亭兩座，各塔樓之間以廊亭相接，塔與廊主體均采用鋼結(jié)構(gòu)骨架，屋面裝飾仿古銅瓦，整體呈現(xiàn)出侗族傳統(tǒng)建筑特色。

主梁設(shè)計跨徑為90+130×3+124+96=700 m，是柳州市第一座公軌兩用大橋，橋梁總長1 569 m。主橋上部結(jié)構(gòu)為700 m風(fēng)雨橋，跨徑布置為96 m+124 m+3×130 m+90 m的等高連續(xù)組合鋼箱梁。主梁采用雙向單室組合鋼箱梁，梁高6.5 m，斷面采用槽形布置，包括頂板、腹板、底板以及橫隔板、挑梁、小縱梁，鋼梁橫向包括空腹式橫梁和實腹式橫梁，除支點位置及預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)采用實腹式橫梁外，其余位置均采用空腹式橫梁。標(biāo)準(zhǔn)空腹式橫梁標(biāo)準(zhǔn)間距為4 m，梁頂附近加密至3.5 m。橋面板采用分塊預(yù)制，板間現(xiàn)澆濕接縫連接的方式，橫向分為3塊預(yù)制板，共4道縱向現(xiàn)澆縫。預(yù)制橋面板厚260 mm，采用C50混凝土。橋梁典型橫斷面圖見圖1。

2 采用大噸位履帶吊的風(fēng)雨樓主體結(jié)構(gòu)施工方法

風(fēng)雨樓主體結(jié)構(gòu)的施工采用分塊吊裝方案，在主體結(jié)構(gòu)方管柱下方設(shè)置臨時支架，對風(fēng)雨樓的主體結(jié)構(gòu)進行分塊處理。在橋面設(shè)置拼裝區(qū)，拼裝區(qū)設(shè)置拼裝胎架用于零散件的地面拼裝，按照分塊方案進行地面散拼成鋼構(gòu)件后進行吊裝，從下到上逐層進行安裝。鋼構(gòu)件主要靠設(shè)置行駛于橋面板上方的350 t履帶吊進行吊裝。根據(jù)施工方案，履帶吊橫橋向位置不改變，車輛中心線位于橋梁中心線上，履帶吊單次吊裝最大重量為115 t。

3 模型的建立

3.1 計算思路

由于車輛及載重物荷載較大且履帶較窄，橋面板存在局部變形破壞的可能，因此本文考慮了橋面板在荷載作用下抗彎以及抗剪承載能力驗算。根據(jù)文獻(xiàn)^［5］的建議，采用雙向板進行驗算。根據(jù)橋梁實際受力情況，橋面板跨中最大正彎矩及支承上方負(fù)彎矩截面是設(shè)計考慮的首選要素，同時考慮支承處最大剪力。

橋面板的局部承載能力驗算通過建立有限元橋面板局部模型來進行，提取特征截面的彎矩與設(shè)計規(guī)范中計算的鋼筋混凝土梁的截面抗力值進行對比，驗算橋面板在檢算荷載下的承載能力。

鋼箱梁應(yīng)力局部通過建立在全橋中最為薄弱的梁段模型，施加最不利荷載進行驗算。

3.2 計算工況

根據(jù)履帶吊尺寸及性能參數(shù)，以及吊裝部件的荷載及履帶吊接地比壓的計算結(jié)果，考慮履帶吊起重臂平行于履帶方向吊裝與垂直于履帶吊裝兩種形式。其吊裝最不利工況下荷載形式特征見表1。

根據(jù)本橋?qū)嶋H情況，承載能力極限狀態(tài)下考慮以下基本組合：

基本組合一：1.0×（1.2恒載+1.4履帶車）。

大跨徑鋼箱梁橋面大噸位吊裝細(xì)部分析/王彩艷

3.3 局部模型

為提取橋面板特征截面的局部內(nèi)力，模型均采用殼單元建立，如圖2所示。模型選取全橋較為薄弱的C2梁段進行驗算，其中橋面板與鋼箱梁的連接在頂板及橫隔板頂板處現(xiàn)澆段固結(jié)，履帶與橋面采用面-面接觸進行模擬，通過對截面內(nèi)力的提取驗算橋面板的承載能力。提取局部內(nèi)力特征截面如圖3所示。

4 計算結(jié)果

4.1 截面內(nèi)力及鋼箱梁應(yīng)力計算結(jié)果

驗算荷載作用下，橋面板各特征截面的內(nèi)力計算結(jié)果如表2所示。

驗算荷載作用下，鋼箱梁最大應(yīng)力云圖如圖4所示。其中鋼箱梁最大應(yīng)力發(fā)生在挑梁與腹板結(jié)合處，最大應(yīng)力值為151.2 MPa，偏安全。

4.2 橋面板承載力驗算結(jié)果

4.2.1 正截面抗彎計算

首先按矩形截面的適筋板進行計算，取ζ=ζ_b=0.53，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ₀取1.0，彎矩計算值：

M=γ₀M_ud""" （1）

鋼筋保護層厚度按a_s=a′_s=30 mm取值。

順橋向截面計算高度h₀=h-a_s-?=260-41-22=197 mm，橫橋向截面計算高度h₀=h-a_s=260-41=219 mm截面主筋為HRB400，f_sd=360 MPa，計算得到截面高度x為：

根據(jù)文獻(xiàn)^［5］中抗彎承載能力驗算部分公式5.2.4-2的規(guī)定及4.1小結(jié)的結(jié)果，求得每延米寬度范圍內(nèi)的截面抗力如下。

Ⅰ-Ⅰ及Ⅱ-Ⅱ截面：

Ⅲ-Ⅲ截面：

求得各工況下特征截面的抗彎承載能力驗算結(jié)果如表3所示。

4.2.2 正截面抗彎計算

斜截面抗剪計算

文獻(xiàn)^［5］建議，矩形截面的受彎構(gòu)件當(dāng)符合下列條件時，可不進行斜截面抗剪承載力的驗算，對不配置箍筋的板式受彎構(gòu)件，計算值可按1.25倍的乘值提高系數(shù)。

γ₀Q_ud≤0.50×10^-3α₂f_tdbh₀×1.25""" （5）

式中：f_td——混凝土抗拉強度設(shè)計值（MPa）；

α₂ ——預(yù)應(yīng)力提高系數(shù)，對鋼筋混凝土受彎構(gòu)件，α₂＝1.0。

求得截面抗力如下：

Ⅰ及ⅠⅠ截面：

0.50×10^-3α₂f_tdbh₀×1.25=168.99 kN""" （6）

ⅠⅠⅠ截面：

0.50×10^-3α₂f_tdbh₀×1.25=250.48 kN""" （7）

各工況下橋面板抗剪承載能力的驗算結(jié)果如表4所示。

4.3 加固優(yōu)化方法

當(dāng)履帶吊車按照第1節(jié)所述位置進行吊裝時，橋面板的正截面抗彎承載能力滿足規(guī)范要求，但工況1及工況3下Ⅲ-Ⅲ截面的斜截面抗剪承載能力不滿足規(guī)范要求，建議對吊裝施工區(qū)域內(nèi)的橋面板進行加固。

在履帶吊車吊裝施工履帶所接觸的橋面板區(qū)域（履帶吊車吊裝施工區(qū)），鋪設(shè)2塊10.00 m×2.00 m×0.20 m（高）的鋼筋混凝土板，鋪設(shè)示意圖如圖5所示?；炷恋臉?gòu)造及配筋見圖6，其中橫向及縱向主筋均配置?16的帶肋螺紋鋼筋。在施工時需將履帶幾何位置限制在混凝土板加固范圍內(nèi)進行施工。

4.4 優(yōu)化后承載力驗算結(jié)果

加固后的局部有限元模型將鋁基板與橋面板采用面-面接觸約束進行模擬，加固后的計算模型見下頁圖7。模型中的邊界條件除荷載施加混凝土板外，其他邊界及荷載保持不變。加固后混凝土橋面板的承載能力計算結(jié)果見表5。

5 結(jié)語

本文針對大跨徑鋼箱梁橋面大噸位吊裝施工中鋼箱梁局部應(yīng)力過大、橋面板承載能力不足的問題，提出了基于有限元模型及理論計算相結(jié)合的計算方法，并對局部結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，結(jié)論及建議如下：

（1）在驗算荷載的作用下，鋼箱梁中橫梁與腹板連接處的應(yīng)力較大。在上述荷載作用下，鋼箱梁局部的最大應(yīng)力為151.2 MPa，滿足規(guī)范要求。

（2）針對橋面板截面抗力不足的問題，提出了一種基于鋁基板的橋面臨時加固措施，并對該方法的可行性進行了分析驗算。

（3）履帶吊大噸位橋面吊裝對橋面板的正截面抗彎承載能力以及斜截面抗剪承載能力均有一定的要求，建議在施工前對上述橋面板的承載能力進行驗算。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2023-04-09