鋼箱梁吊裝施工及梁塊運(yùn)輸、吊裝變形驗(yàn)算

李相周，李晶晶

（湖北富昊工程項(xiàng)目管理咨詢有限公司，湖北武漢 430000）

鋼箱梁吊裝施工及梁塊運(yùn)輸、吊裝變形驗(yàn)算

李相周，李晶晶

（湖北富昊工程項(xiàng)目管理咨詢有限公司，湖北武漢 430000）

以某跨河連續(xù)梁橋?yàn)檠芯勘尘?，介紹了鋼箱梁吊裝施工方案及流程；利用ABAQUS軟件對(duì)鋼箱梁梁塊運(yùn)輸、吊裝過(guò)程中的應(yīng)力和變形進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明鋼箱梁應(yīng)力和變形均滿足規(guī)范要求，利用有限元軟件驗(yàn)算結(jié)果可為鋼箱梁安全施工提供理論保障。

橋梁；鋼箱梁；吊裝施工；有限元分析；變形驗(yàn)算

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加快和施工技術(shù)的提高，鋼箱梁以其自重輕、經(jīng)濟(jì)、架設(shè)方便等優(yōu)點(diǎn)在大型橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。鋼箱梁一般由頂板、底板、腹板、橫隔板、縱隔板及加勁肋等通過(guò)全焊接的方式連接而成，其吊裝施工是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，施工中必須確保安全。該文以杭州市化工路跨余杭塘河橋梁為例，運(yùn)用ABAQUS有限元軟件建立有限元模型，對(duì)鋼箱梁梁塊運(yùn)輸、吊裝過(guò)程進(jìn)行受力分析，為鋼箱梁吊裝施工提供參考。

1 工程概況

該跨河連續(xù)梁橋位于杭州市化工路和隱秀路交叉口南側(cè)，與余杭塘河斜交，右偏角度為80°。該橋平面位于半徑為326.1 m的圓曲線和緩和曲線上，同時(shí)位于半徑為1 833 m的豎曲線上，中跨跨越余杭塘河，南北走向，線路中心與河道斜交角度為右偏80°。起點(diǎn)樁號(hào)為K3+242.500（北端），終點(diǎn)樁號(hào)為K3+325.500（南端），中心樁號(hào)為K3+271.500。橋梁總長(zhǎng)108 m，寬度30.7 m，局部變寬。

主橋采用等截面連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)，全橋配跨為（25+58+25）m。主橋采用等截面全焊鋼箱梁結(jié)構(gòu)，單箱十室。道路中心線處梁高為1.9 m，寬度為30.7 m，頂板設(shè)置1.5%單項(xiàng)橫坡，底板與頂板平行，頂板厚度為18mm，中墩位置頂板變厚設(shè)計(jì)為20 mm，底板鋼板厚度為18 mm，挑臂斜底板和挑臂裝飾板均設(shè)計(jì)為12mm鋼板，鋼板材質(zhì)為Q345qC。橫隔板均按徑向布置，在道路中心線處間距為3 m，支座中心線處橫隔板厚度為20 mm，其余橫隔板厚度為14 mm，腹板厚度為14 mm。全橋共設(shè)置普通橫隔板38道，4道橫梁，9種形式；縱隔板（腹板）11道。圖1為鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面。

圖1 鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面（單位：mm）

2 鋼箱梁吊裝施工

2.1 吊裝方案

該橋鋼構(gòu)件超長(zhǎng)超寬，重量大，運(yùn)輸線路長(zhǎng)，數(shù)量多，運(yùn)輸、吊裝需歷時(shí)10 d，在構(gòu)件運(yùn)輸、吊裝過(guò)程中不能出現(xiàn)一點(diǎn)差錯(cuò)。主橋上部鋼箱梁在工廠制作，通過(guò)汽車(chē)運(yùn)輸?shù)綐蛭贿M(jìn)行安裝。

鋼箱梁總的吊裝施工方案如下：采用汽車(chē)吊+浮吊，以浮吊為主吊設(shè)備；晚上運(yùn)輸，白天吊裝。鋼箱梁采用支架法安裝。鋼箱梁縱向（順橋向，由大樁號(hào)側(cè)起）分為A、B、C、D、E 5段，橫向分為20個(gè)吊裝塊，其中A段設(shè)計(jì)為1個(gè)橫向吊裝塊，B段分為B-1～B-6 6個(gè)分塊，C段分為C-1～C-6 6個(gè)分塊，D段分為D-1～D-6 6個(gè)分塊，E段設(shè)計(jì)為1個(gè)橫向吊裝塊。全橋共計(jì)20吊，分段、分塊均以底板投影面尺寸劃分。該橋與余杭塘河河道斜交，加上航道部門(mén)要求施工必須留出通航尺寸（22 m），不允許在河道內(nèi)設(shè)置臨時(shí)支架，故分段較長(zhǎng)，增大了安裝難度。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，鋼箱梁吊裝采用一臺(tái)160 t浮吊（銘鑫浮吊6）作為主吊設(shè)備，350 t汽車(chē)吊作為輔吊設(shè)備。

2.2 鋼箱梁吊裝施工流程

該橋鋼箱梁中跨跨越余杭塘河，橋梁線形平縱均為曲線，橋面較寬（30.7 m），橫斷面為等截面扁平

正交異性全焊鋼箱梁，主橋與河道斜交，給鋼箱梁制造和安裝帶來(lái)困難。按照公路鋼箱梁一般制造方法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)河道橋位安裝環(huán)境，同時(shí)滿足吊裝要求，把鋼箱梁按照縱向（順橋向）分段、橫向分塊的原則在預(yù)制場(chǎng)內(nèi)整胎正裝制作，即在胎架上組拼、焊接和預(yù)拼裝一次性完成，然后分段、分塊脫胎運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行吊裝。因該工程為新建，施工范圍內(nèi)無(wú)交通影響，故安排晚上運(yùn)輸、白天吊裝，保障施工安全。

根據(jù)浮吊大節(jié)段吊裝方案，首跨梁段施工時(shí)，直接利用浮吊吊裝至墩頂臨時(shí)支座上方，并精確控制位置；中跨及尾跨梁段施工時(shí)，一端利用梁端臨時(shí)牛腿掛設(shè)于已架梁段懸臂端，另一端支撐于墩頂臨時(shí)支座上方。相鄰節(jié)段之間鋼箱梁完成焊接連接后再進(jìn)行下一跨梁段施工。大節(jié)段鋼箱梁吊裝見(jiàn)圖2。

鋼箱梁基本安裝順序是由主橋兩端向中間安裝，并從3號(hào)橋臺(tái)（學(xué)院路側(cè)）開(kāi)始安裝，每一段由橋梁外弧向內(nèi)弧依次安裝，即A→B→C←D←E，先安裝橋梁兩端A、E兩個(gè)橫向塊，再安裝B、D縱向吊裝塊，最后安裝合龍段C。

圖2 鋼箱梁吊裝示意圖

鋼箱梁分段依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙、規(guī)范、公路運(yùn)輸要求并結(jié)合橋位吊裝要求，以底板尺寸為標(biāo)準(zhǔn)，頂?shù)装濉⒏拱搴缚p錯(cuò)開(kāi)間距滿足設(shè)計(jì)要求即≥50 cm；全橋共劃分為2個(gè)橫向段（A、E）、3個(gè)縱向段（B、C、D），共計(jì)20吊（見(jiàn)圖3）。

圖3 鋼箱梁底板分段、分塊示意圖（單位：mm）

在運(yùn)輸?shù)跹b前對(duì)鋼箱梁進(jìn)行質(zhì)量檢查，檢查內(nèi)容和方法見(jiàn)表1。

表1 鋼箱梁檢查內(nèi)容

箱梁吊裝施工中，橋面吊機(jī)在船上或附近碼頭拼好后用浮吊直接吊至橋面進(jìn)行安裝。安裝調(diào)試完畢后即可在橋塔主跨側(cè)進(jìn)行梁段懸拼施工。同塔的2臺(tái)橋面吊機(jī)同時(shí)起吊鋼箱梁，從主墩開(kāi)始，起吊鋼箱梁段就位，調(diào)整梁段的斜率，與前一梁段進(jìn)行臨時(shí)連接，精確控制相鄰梁段間縫寬接近于設(shè)計(jì)值，完成箱梁全部截面的焊接，第一次張開(kāi)拉索；橋面吊機(jī)移去前面位置，第二次張開(kāi)拉索，起吊下一段鋼箱梁段，完成臨時(shí)連接。依次循環(huán)完成標(biāo)準(zhǔn)梁段安裝。

3 鋼箱梁梁塊運(yùn)輸、吊裝變形驗(yàn)算

取最長(zhǎng)的C2塊鋼箱梁進(jìn)行變形驗(yàn)算，驗(yàn)算內(nèi)容包括運(yùn)輸過(guò)程中的變形及鋼箱梁吊裝過(guò)程中的變形。C2塊鋼箱梁長(zhǎng)39.2 m，寬5 m，重量117 t。通過(guò)ABAQUS有限元建模進(jìn)行驗(yàn)算，考慮到鋼箱梁在施工階段采用懸臂拼裝的特點(diǎn)，鋼箱梁段間焊縫連接處的邊界條件用全固結(jié)模擬，另一端部位移邊界條件為全自由，即將梁段考慮為單懸臂構(gòu)件。

3.1 鋼箱梁運(yùn)輸過(guò)程中變形驗(yàn)算

為了提高求解精度，采用ABAQUS殼單元進(jìn)行建模。鋼箱梁彈性模量取206 GPa，泊松比取0.3。有限元計(jì)算模型長(zhǎng)39.2 m，寬5 m（見(jiàn)圖4）。

圖4 C2塊運(yùn)輸有限元模型

鋼箱梁采用運(yùn)梁車(chē)運(yùn)輸，運(yùn)梁車(chē)由車(chē)頭及托盤(pán)組成。鋼箱梁出廠時(shí)將運(yùn)梁車(chē)上托盤(pán)與鋼箱梁進(jìn)行焊接固定，模擬時(shí)對(duì)鋼箱梁底部靠邊側(cè)2 m處（0.15 m×5 m=0.75 m2）范圍進(jìn)行縱向、橫向、豎向三向約束。

運(yùn)輸過(guò)程中鋼箱梁主要承受自重荷載，考慮到豎直方向可能出現(xiàn)的沖擊情況，取1.3荷載沖擊系數(shù)，計(jì)算運(yùn)輸重量G=1.3×117×9.8=1 490.6 k N。驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)圖5～7。

由圖5～7可知：在運(yùn)輸過(guò)程中，鋼箱梁最大應(yīng)力出現(xiàn)在運(yùn)梁車(chē)托盤(pán)與箱梁接觸部位，最大壓應(yīng)力為114.2 MPa＜200 MPa容許值，符合規(guī)范要求；最大變形出現(xiàn)在跨中腹板缺失處（另一側(cè)有腹板處變形較?。?，最大變形量為14.3 mm＜35 200／500= 70.2 mm，滿足規(guī)范要求。

圖5 鋼箱梁運(yùn)輸中Mises應(yīng)力云圖（單位：Pa）

圖6 鋼箱梁運(yùn)輸中最大Mises應(yīng)力部位（單位：Pa）

圖7 鋼箱梁運(yùn)輸中位移云圖（單位：m）

3.2 鋼箱梁吊裝過(guò)程中變形驗(yàn)算

取最重塊C2進(jìn)行吊裝變形驗(yàn)算。吊裝模型與運(yùn)輸模型類(lèi)似，長(zhǎng)39.2 m，寬5 m。為了提高求解精度，鋼箱梁采用殼單元模擬，吊耳采用實(shí)體單元模擬。鋼箱梁采用8點(diǎn)起吊，吊耳一側(cè)布置4只，布置位置為箱梁橫隔板上方，橫向間距為4.6 m，縱向間距為6 m（見(jiàn)圖8、圖9）。

圖8 箱梁吊裝模型

圖9 箱梁吊裝有限元模型

鋼箱梁起吊過(guò)程中主要承受自重荷載，考慮到豎直方向出現(xiàn)的沖擊情況，取1.3荷載沖擊系數(shù)，計(jì)算吊裝重量G=1.3×117×9.8=1 490.6 k N。鋼箱梁采用卸扣扣緊吊耳進(jìn)行起吊，計(jì)算時(shí)將吊耳穿孔進(jìn)行三向約束。驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)圖10、圖11。

圖10 鋼箱梁吊裝中最大Mises應(yīng)力部位（單位：Pa）

圖11 鋼箱梁吊裝中位移云圖（單位：m）

由圖10、圖11可知：吊裝過(guò)程中，鋼箱梁最大應(yīng)力出現(xiàn)在吊耳下方U形加勁肋與橫隔板交接處，最大拉應(yīng)力為92.4 MPa＜170 MPa容許值，符合規(guī)范要求；最大變形出現(xiàn)在跨中腹板缺失處（另一側(cè)有腹板處變形較小），最大變形量為3.7 mm＜23 200／500=46 mm，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼箱梁分塊超長(zhǎng)超寬、重量大、運(yùn)輸路線長(zhǎng)，吊裝施工是一個(gè)非常復(fù)雜的工程，在構(gòu)件運(yùn)輸、吊裝、分塊、焊接等施工中必須確保安全。為此，需對(duì)大節(jié)段鋼箱梁梁塊運(yùn)輸、吊裝進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析，驗(yàn)算其應(yīng)力和變形是否符合規(guī)范要求。該文只分析了鋼箱梁梁塊運(yùn)輸、吊裝過(guò)程中的應(yīng)力和變形，橋面吊機(jī)吊裝支承鋼箱梁應(yīng)力分布情況有待進(jìn)一步分析。

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