斜交鋼箱梁橋頂推施工非對(duì)稱受力的局部構(gòu)造優(yōu)化

姜錫東,傅中秋,楊 波,劉慧麗,李志成,宣紀(jì)剛

(1.浙江交工集團(tuán)股份有限集團(tuán),浙江 杭州 310051;2.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210098)

鋼箱梁具有自重輕、抗扭剛度大以及跨越能力強(qiáng)等特點(diǎn)[1-3],在大跨徑及中小橋梁上得到了廣泛應(yīng)用。頂推法相較于其他施工工法具有施工工期短、對(duì)橋下通航影響小以及綠色環(huán)保等特點(diǎn),適用于跨越既有線路及航道的鋼箱梁橋架設(shè)施工中[4-5]。為適應(yīng)既有線路的走向和服從線路規(guī)劃,跨越既有線路橋梁多為支承中心線與主梁中軸線不垂直的斜交橋,考慮到斜交橋在橫隔板長度方向受力不均勻的現(xiàn)象[6]以及鋼箱梁薄壁特征,采用頂推法施工對(duì)前端支點(diǎn)處的梁體受力狀態(tài)具有不利影響[7],結(jié)構(gòu)易發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)、畸變和橫向彎曲等現(xiàn)象[8-10],因此更加需要對(duì)其結(jié)構(gòu)以及施工的安全性進(jìn)行研究。在頂推施工最不利工況下,支承位置附近構(gòu)件的受力最不利,為施工安全控制的關(guān)鍵因素,可以通過改變其布置形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法改善梁體受力和變形狀態(tài)[11]。

楊湛[12]在有限元模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了參數(shù)化分析,對(duì)不同曲率半徑下不同橫隔板構(gòu)造參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明當(dāng)橫隔板厚度較小時(shí),增加厚度可以顯著提高抗扭性能。牛艷偉等[13]通過制作直橋鋼箱梁節(jié)段縮尺模型進(jìn)行試驗(yàn),開展了橫隔板布置形式對(duì)荷載橫向分布的影響研究,結(jié)果表明跨中橫隔板相較于端橫隔板對(duì)荷載橫向均勻分布的作用更為有效。張?jiān)14]基于畸變效應(yīng)解析法,對(duì)直橋在不同橫隔板布置形式下的簡支箱梁畸變變形進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)跨中布置橫隔板會(huì)在減小畸變變形的同時(shí)增大畸變翹曲雙力矩,惡化預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的正截面開裂性。李宏江等[15]通過空間有限元分析的方法,開展了偏載作用下橫隔板對(duì)直橋箱梁應(yīng)力的影響研究,提出了適用于不同高跨比下橫隔板最大間距的經(jīng)驗(yàn)公式,大大簡化了設(shè)計(jì)計(jì)算。張莉[16]綜合分析了隔板數(shù)量、高跨比、寬高比等影響參數(shù)對(duì)簡支鋼箱梁畸變效應(yīng)的影響,建議不同箱梁寬高比下的跨內(nèi)橫隔板數(shù)量的合理取值。綜上所述,現(xiàn)有文獻(xiàn)多集中于施加偏心荷載模擬直橋鋼箱梁畸變,研究了橫隔板布置形式、數(shù)量、間距對(duì)結(jié)構(gòu)受力和變形的影響。斜交鋼箱梁橋在頂推施工懸臂工況下也會(huì)發(fā)生畸變以及局部屈曲現(xiàn)象,目前關(guān)于這方面的影響還不明確,也沒有針對(duì)斜交鋼箱梁頂推施工最大懸臂狀態(tài)下的受力狀態(tài)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。構(gòu)件參數(shù)對(duì)鋼箱梁整體剛度以及構(gòu)件之間的受力狀態(tài)至關(guān)重要,因此有必要開展頂推施工中構(gòu)件參數(shù)對(duì)斜交鋼箱梁橋受力特征影響分析。

以三跨連續(xù)斜交鋼箱梁橋?yàn)楸尘?從鋼箱梁局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度對(duì)斜交鋼箱梁頂推施工最大懸臂受力狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化研究,通過建立全橋有限元模型,開展斜交鋼箱梁橋的受力特征以及構(gòu)件構(gòu)造參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)受力和位移的影響研究。通過提取不同頂推工況和橫隔板厚度下的結(jié)構(gòu)豎向位移和Mises應(yīng)力,分析鋼箱梁各構(gòu)件應(yīng)力以及主、導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)位移的變化規(guī)律,擬提出頂推施工懸臂段受力優(yōu)化方案,為同類鋼箱梁頂推施工提供參考。

1 斜交鋼箱梁受力特征分析

1.1 有限元建模

以204國道阜寧花園至亭湖新興段工程(亭湖段)YFTH3標(biāo)段項(xiàng)目中的跨鹽靖高速鋼箱梁橋?yàn)楸尘斑M(jìn)行研究,該橋?yàn)殡p幅三跨連續(xù)斜交鋼箱梁橋,橋型布置為42 m+70 m+42 m,截面形式為單箱三室,梁高3.0 m,頂板寬18.05 m,底板寬17.02 m,頂板厚16 mm～28 mm,底板厚16 mm～28 mm,腹板厚16 mm～24 mm。頂板采用U形加勁肋,腹板采用板式加勁肋,底板采用縱向加勁肋。采用步履式頂推進(jìn)行施工,鋼箱梁前端最大懸臂值為36 m,尾端最大懸臂值為24 m。

根據(jù)所依托的工程橋梁采用Abaqus建立模型并通過HyperMesh劃分高質(zhì)量網(wǎng)格,最后再導(dǎo)入Abaqus進(jìn)行有限元分析。由于模型縱向尺寸較大,采用實(shí)體建模會(huì)導(dǎo)致后期計(jì)算量龐大,且全橋主要受力構(gòu)件都為薄壁結(jié)構(gòu),因此采用殼單元對(duì)模型進(jìn)行簡化處理。采用S3R、S4R單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)尺寸為150 mm。模型材料根據(jù)實(shí)際工程采用Q345qD(主橋部分)和Q235qD(導(dǎo)梁部分),模型僅考慮鋼材的彈性變形,采用理想彈性的本構(gòu)關(guān)系?？紤]到鋼箱梁自重影響,鋼材的彈性模量E=210 GPa,鋼材質(zhì)量密度為7.85×10-9t/mm3,重力加速度g=9.8 m/s2,泊松比v=0.3,模型如圖1所示。根據(jù)頂推施工方法的特點(diǎn),采用“梁不動(dòng)墩動(dòng)”的模擬方法來模擬鋼箱梁在頂推施工過程中的移動(dòng)行為。

圖1 有限元模型

1.2 計(jì)算工況

根據(jù)依托項(xiàng)目的頂推施工流程,選取最大懸臂工況作為研究對(duì)象,將其分成4個(gè)小工況模擬鋼箱梁在懸臂頂推的過程,得到懸臂頂推過程中的斜交鋼箱梁橋的結(jié)構(gòu)受力和位移變化規(guī)律,具體計(jì)算工況見表1。

表1 計(jì)算工況

1.3 受力特征分析

通過提取各工況下最大懸臂根部區(qū)域內(nèi)外側(cè)支承反力和主要構(gòu)件(如頂、底板、腹板以及橫隔板)應(yīng)力峰值以及主、導(dǎo)梁內(nèi)外側(cè)位移值,分析得到結(jié)構(gòu)受力和位移變化規(guī)律,見圖2、圖3、圖4。

圖2 臨時(shí)支架內(nèi)外側(cè)支承反力

圖3 構(gòu)件Mises應(yīng)力峰值

圖4 主、導(dǎo)梁變形

由圖2可知,內(nèi)外側(cè)反力數(shù)值及其差值均隨著頂推距離大致呈線形增加,兩者比值基本保持在1.83～1.84之間。內(nèi)外側(cè)支承反力差值的增大,導(dǎo)致整體受力更加不均勻,加劇支承位置局部應(yīng)力集中。由圖3中可知,各構(gòu)件應(yīng)力均大致呈線性上升的趨勢,其中腹板和橫隔板在各工況下的應(yīng)力峰值基本相等且高于其它構(gòu)件。底板、頂板、腹板以及橫隔板板應(yīng)力峰值分別增加了49.75 MPa、12.03 MPa、69.23 MPa和81.49 MPa,故橫隔板應(yīng)力峰值隨頂推前進(jìn)距離的變化最大,腹板次之,頂板最小。根據(jù)圖4可知,隨頂推距離的增加,主、導(dǎo)梁內(nèi)外側(cè)下?lián)现导捌洳钪岛团まD(zhuǎn)角度均逐漸增大,加劇了結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形。

根據(jù)鋼箱梁頂推模型結(jié)果分析可知,斜交橋存在非對(duì)稱受力現(xiàn)象,易于加劇支承位置的局部應(yīng)力集中。在懸臂工況下鋼箱梁主體發(fā)生扭轉(zhuǎn),對(duì)鋼箱梁頂推施工和受力都十分不利,需對(duì)斜交鋼箱梁在頂推施工中的受力進(jìn)行優(yōu)化研究。根據(jù)多位學(xué)者以板件厚度和材料彈性模量乘積作為板件剛度來衡量加固效果[17],可知厚度對(duì)構(gòu)件剛度影響較大,故而研究構(gòu)件厚度對(duì)斜交鋼箱梁頂推受力狀態(tài)的影響非常必要。

2 構(gòu)件參數(shù)影響分析

2.1 工況設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析結(jié)果,開展主要構(gòu)件厚度對(duì)斜交鋼箱梁受力狀態(tài)影響的研究,以最不利工況(鋼箱梁向前頂推16 m)為模型邊界條件,分別對(duì)懸臂段整體和根部區(qū)域構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化對(duì)比。現(xiàn)以所依托工程下的各構(gòu)件厚度值為基礎(chǔ)值,分次增加相同厚度值,根據(jù)變化次數(shù)設(shè)置計(jì)算工況,具體見表2。

表2 構(gòu)件厚度變化

2.2 懸臂段構(gòu)件整體加厚

底板、腹板以及橫隔板為鋼箱梁頂推施工中的主要受力構(gòu)件。通過提取不同厚度下的左右側(cè)支承位置應(yīng)力峰值進(jìn)行對(duì)比,分析斜交鋼箱梁非對(duì)稱受力狀態(tài)隨構(gòu)件厚度變化的影響規(guī)律,見圖5。

圖5 整體優(yōu)化方案

根據(jù)圖5可知,增加懸臂段整體的底板和腹板厚度,對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的提高效果小于其對(duì)自重影響,鋼箱梁整體應(yīng)力峰值和左右側(cè)支承位置應(yīng)力峰值比值呈緩慢的上升趨勢。隨著橫隔板厚度的增加,鋼箱梁整體應(yīng)力峰值快速下降,左右側(cè)支承位置應(yīng)力峰值比值急劇減少并逐漸趨于1.43,故橫隔板相對(duì)于其它構(gòu)件可有效改善鋼箱梁應(yīng)力狀態(tài)。在鋼箱梁設(shè)計(jì)階段可通過增加橫隔板厚度的方法,改善斜交鋼箱梁的非對(duì)稱受力狀態(tài),緩解支承位置局部應(yīng)力集中,提高鋼箱梁施工的安全性。

2.3 懸臂段構(gòu)件局部加厚

在懸臂段根部前后2.6 m范圍內(nèi)對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行增厚優(yōu)化處理,其它邊界條件和提取方法與前文整體優(yōu)化一致。局部優(yōu)化結(jié)果如圖6所示,與整體優(yōu)化對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

圖6 局部優(yōu)化方案

圖7 整體優(yōu)化與局部優(yōu)化對(duì)比

根據(jù)圖6、圖7可知,鋼箱梁整體應(yīng)力峰值和左右側(cè)支承應(yīng)力峰值比值均隨各構(gòu)件厚度的增加而減少,在相同厚度增值下局部優(yōu)化的改善效果比整體優(yōu)化提升了大約67%,并進(jìn)一步減小了左右側(cè)支承應(yīng)力峰值比值。局部優(yōu)化方案相對(duì)于整體優(yōu)化方案大大降低了懸臂段構(gòu)件厚度增值帶來的自重,從而提高了構(gòu)件厚度增值對(duì)鋼箱梁受力狀態(tài)的改善效果。故可在鋼箱梁設(shè)計(jì)階段采用懸臂段根部區(qū)域優(yōu)化措施,改善斜交鋼箱梁的受力狀態(tài),提高鋼箱梁頂推施工安全性。

3 橫隔板局部加厚影響分析

3.1 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)以上分析結(jié)果,對(duì)國內(nèi)橋梁橫隔板厚度設(shè)計(jì)取值進(jìn)行調(diào)研,可知橫隔板厚度取值主要集中在8 mm～28 mm,其中12 mm的數(shù)量最多,10 mm次之[11],已建鋼箱梁橋橫隔板厚度概況如表3所示。以橫隔板厚度常用值12 mm為基礎(chǔ)值進(jìn)行調(diào)整,分別設(shè)置了0.5～3倍基礎(chǔ)值進(jìn)行對(duì)比研究。

表3 已建鋼箱梁橋橫隔板厚度概況

3.2 應(yīng)力分析

沿橫隔板與底板交界線進(jìn)行應(yīng)力提取并對(duì)比分析,其左右側(cè)支承位置應(yīng)力峰值及其比值變化規(guī)律如圖8所示,由于數(shù)據(jù)較多不宜觀察,以0.50、1.25、1.75和2.25倍厚度時(shí)的橫向應(yīng)力分布為例如圖9所示。

圖8 橫隔板厚度對(duì)兩側(cè)支承應(yīng)力峰值的影響

圖9 不同橫隔板厚度的橫向應(yīng)力分布

由圖8可知,增加橫隔板厚度可降低鋼箱梁左右側(cè)支承位置處的應(yīng)力峰值及其比值,在厚度大于21 mm后,改善效果較差。從圖9可知,隨著橫隔板厚度的提高,主梁應(yīng)力比值橫向分布曲線整體上升,而峰值點(diǎn)隨著橫隔板厚度的增加而降低,從1.51逐漸降低到1.36,橫隔板作為橫向連接構(gòu)件,具有增加整體剛度和防止過大的局部應(yīng)力的作用。

根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)理論,在不考慮其他因素的情況下,結(jié)構(gòu)受力情況與各構(gòu)件的相對(duì)剛度值密切相關(guān),故從圖10中可知,其他區(qū)構(gòu)件應(yīng)力峰值因橫隔板剛度的增大而降低。從變化曲線各點(diǎn)切線值可知橫隔板厚度對(duì)底板和腹板應(yīng)力峰值的影響隨厚度的增加而降低,最終趨于平衡,在橫隔板厚度增值大于基礎(chǔ)值的75%時(shí),增加橫隔板厚度對(duì)底板和腹板的應(yīng)力峰值已無明顯改善效果。故增加橫隔板厚度可提高鋼箱梁應(yīng)力在橫橋向分布的均勻性,改善斜交鋼箱梁非對(duì)稱受力特征帶來的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象,提高了結(jié)構(gòu)的安全性。

圖10 各構(gòu)件最大應(yīng)力

3.3 結(jié)構(gòu)位移分析

根據(jù)前文斜交鋼箱梁受力特征分析可知,斜交鋼箱梁在頂推施工到產(chǎn)生懸臂節(jié)段時(shí)懸臂節(jié)段會(huì)產(chǎn)生下?lián)弦约芭まD(zhuǎn),該節(jié)對(duì)不同橫隔板厚度下主梁下?lián)现岛团まD(zhuǎn)角度的變化規(guī)律進(jìn)行研究,提取到的主梁位移以及計(jì)算得到的扭轉(zhuǎn)角度如表4所示。

表4 不同橫隔板厚度下的懸臂段兩側(cè)位移

由表4可知,主梁左右兩端下?lián)现导捌洳钪稻S著橫隔板厚度的增加而降低,其下降趨勢逐漸平緩,在厚度值為21 mm后,改善效果不明顯,扭轉(zhuǎn)角度與主梁兩側(cè)位移差值呈正比關(guān)系。故增加橫隔板厚度可以降低主梁扭轉(zhuǎn)角度,即增加主梁抗扭剛度。在橫隔板厚度增值小于75%時(shí),增加橫隔板厚度對(duì)主梁下?lián)现涤忻黠@改善效果,增值大于75%后改善效果不明顯,若還采取相同方式,則達(dá)不到理想效果。

4 結(jié) 論

基于有限元模擬研究了斜交鋼箱梁橋的受力特征。通過改變構(gòu)件參數(shù)分析了其對(duì)斜交鋼箱梁橋結(jié)構(gòu)Mises應(yīng)力和豎向位移的影響,提出了改善斜交鋼箱梁頂推施工中懸臂段局部受力的優(yōu)化方案,結(jié)論如下:

(1) 斜交鋼箱梁橋的結(jié)構(gòu)受力呈非對(duì)稱狀態(tài),主梁懸臂根部內(nèi)外側(cè)支承反力差值較大,且梁體發(fā)生扭轉(zhuǎn),容易加劇局部應(yīng)力集中。從頂推工況應(yīng)力分析可知,橫隔板應(yīng)力最大,腹板與橫隔板基本一樣,后依次為底板和頂板,在現(xiàn)場施工時(shí)應(yīng)對(duì)橫隔板和腹板重點(diǎn)監(jiān)測。

(2) 在懸臂段構(gòu)件參數(shù)優(yōu)化方案中,改變底板和腹板厚度引起的斜交鋼箱梁整體應(yīng)力降幅僅在5%左右,可忽略不計(jì)。提高橫隔板厚度可降低鋼箱梁整體應(yīng)力峰值達(dá)31%,并能有效改善斜交鋼箱梁的非對(duì)稱受力狀態(tài),緩解支承位置局部應(yīng)力集中,實(shí)橋可考慮在設(shè)計(jì)階段對(duì)懸臂段根部橫隔板進(jìn)行局部加厚以優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力。

(3) 當(dāng)橫隔板設(shè)計(jì)厚度大于現(xiàn)階段實(shí)橋統(tǒng)計(jì)常用厚度值(12 mm)的75%時(shí),對(duì)鋼箱梁整體的應(yīng)力峰值和非對(duì)稱受力狀態(tài)已無明顯改善效果。故在鋼箱梁設(shè)計(jì)階段不宜過度增加橫隔板厚度,以節(jié)省建設(shè)費(fèi)用,避免材料浪費(fèi)現(xiàn)象。