某大跨度鋼箱連續梁橋整體吊裝仿真分析

李茂文

（南昌市城市規劃設計研究總院,江西 南昌 330038）

0 引言

本文研究對象鋼箱梁連續梁的設計方案為典型的大懸臂正交異性板鋼箱梁，其鋼箱梁施工過程為：在工廠加工成小節段，運輸至箱梁拼接場，并采用運梁平車移運至拼接胎架上進行大節段拼接、檢測和噴涂，并由臺車經滑道從拼接臺座滑移至出運碼頭前端，然后采用駁船裝載運至橋位，在橋位處采用整片箱梁浮吊吊裝就位并采用牛腿臨時定位，最終進行測量精確定位和梁段焊接。上述施工過程為典型的跨海鋼箱連續梁大橋大節段吊裝裝配方案，該方案施工過程中存在結構體系轉換，同時施工過程的不同階段梁段和輔助結構所受的荷載和邊界條件均存在差異，因此為準確把握施工過程鋼箱梁和輔助結構的受力特性，對鋼箱梁的施工全過程進行三維仿真分析是非常必要的，該方法也是進行鋼箱梁施工階段受力機理研究最為有效的方法和途徑之一。以一座跨海鋼箱連續梁大橋為研究對象，研究有限元數值計算在跨海大橋鋼箱梁整體吊裝施工階段仿真分析中的應用，具有重要的工程實踐意義和借鑒參考價值。

1 工程概況

1.1 橋型布置

本文所研究對象為某跨海大橋的其中一聯，此聯采用6×110 m等截面連續鋼箱梁形式，材料均采用Q345q。主梁采用帶翼板鋼箱梁，梁高4.5 m，梁寬段的橋面寬33.1 m，橋型布置如圖1和圖2所示。梁段各板件厚度參數見表1。

圖1 橋型立面布置簡圖（單位:m）

圖2 鋼箱梁標準斷面（單位：mm）

1.2 施工階段

箱梁整體吊裝施工階段如圖3所示。

大節段吊裝施工過程中存在大節段吊裝和梁段安裝過程中的安全問題，需要著重對于梁段吊裝過程進行驗算。在大節段起吊過程中，第一跨起吊梁段的長度最長，重量最大，故其起吊階段受力最不利，因此選取第一跨梁段起吊階段進行驗算。第一跨梁段起吊示意圖如圖4所示。

表1 構件尺寸參數

圖3 箱梁整體吊裝施工階段示意圖

圖4 第一跨梁段起吊示意圖（單位：mm）

對于梁段安裝階段，由于第二、三、四、五跨節段的重量均相等，并且第六跨節段的重量稍小，因此選取第二跨梁段安裝階段進行驗算。第二跨梁段安裝的示意圖如圖5所示。此時，第二跨梁段懸臂端需安裝牛腿，關于牛腿對于梁體的影響以及牛腿本身的安全性均需要進行驗算。

圖5 第二跨梁段安裝工況示意圖（單位：mm）

2 有限元模型

采用了ANSYS 12.1軟件，建立了全橋的運營階段分析模型，模型的板件尺寸、板件厚度等模型參數均嚴格按照設計圖紙來模擬，有限元模型未考慮橋梁的縱坡和橫坡。有限元模型單元均采用shel l 63殼單元進行模擬。

為了對第一跨梁段起吊階段下梁體的安全性進行驗算，建立了第一跨梁段起吊模型，此模型是嚴格按照實際梁段節段劃分的第一跨起吊梁段進行建模，未進行對稱建模等簡化處理。模型共劃分為390 699個單元、348 785個節點，如圖 6所示。同時為了對第二跨梁段安裝階段已安裝梁體的安全性進行驗算，建立了第二跨梁段安裝模型，由于在施工過程中第二跨安裝階段已安裝梁段即為第一跨起吊梁段，故此模型與第一跨梁段起吊模型相同。

圖6 第一跨梁段吊裝有限元模型示意圖

為了對第二跨梁段安裝時牛腿和梁段懸臂段的安全性進行驗算，建立了第二跨安裝時牛腿驗算模型。該模型包括兩個牛腿構造和已安裝梁段，已安裝梁段為第二跨梁體的懸臂段，該模型共劃分為390 818個單元、349 747個節點，如圖 7所示。

3 施工階段有限元計算分析

3.1 第一跨梁段吊裝

圖7 第二跨梁段吊裝有限元模型示意圖

為了確定較為合理的吊點橫向位置，施工設計時進行了多次試驗計算，并根據計算結果確定了最佳的橫向吊點位置。限于篇幅，此處僅取試算過程中橫向吊點位置距箱梁中心線11 975 m m的典型計算結果進行對比說明。

橫向吊點位置為距離梁段橫橋向中心線11 975 m m的計算結果，如圖8所示。由圖可知，頂板最大von M i ses應力為91 M Pa，實腹式橫隔板最大von M i ses應力為506 M Pa，此時橫隔板應力明顯偏大，并且最大von M i ses應力出現在吊點位置處，需要對橫向位置進行重新選擇。通過移動吊點的橫向位置，把其放在實腹式橫隔板與中腹板的交接處，計算結果如圖9所示。頂板最大von M i ses應力為69 M Pa，實腹式橫隔板最大von M i ses應力為106 M Pa，此時橫隔板應力得到明顯改善。

圖 8 橫向11 975 mm時von Mises應力云圖（單位：kPa）

圖9 橫向10 800 mm時von Mises應力云圖（單位：kPa）

通過對比分析發現，對于第一跨梁段起吊階段，吊點的橫向位置放在實腹式橫隔板與中腹板的交接處為最佳位置，即橫向吊點位置為離箱梁中心線10 800 m m。

采用最佳吊點位置吊裝第一跨梁段計算結果如圖10所示。頂板最大應力為69.1 M Pa，出現在吊點A處；頂板U肋最大應力為111.0 M Pa，出現在吊點A處；底板最大應力為84.9 M Pa，出現在箱梁第一跨跨中處；直腹板最大應力為111.4 M Pa，出現在吊點B處；斜腹板最大應力為105.4 M Pa，出現在吊點B處；橫隔板最大應力為176.9 M Pa，出現在吊點B處。從以上計算結果可知各關鍵板件的應力均滿足規范和施工要求，但出現的位置卻不同，計算時應予以關注。

圖10 第一跨吊裝各關鍵板件應力圖

3.2 第二跨梁段吊裝

第二跨梁段吊裝計算結果如圖11所示。頂板最大應力為114.3 M Pa，出現在箱梁1#支墩處；頂板U肋最大應力為81.7 M Pa，出現在箱梁1#支墩處；底板最大應力為112.2 M Pa，出現在箱梁1#支墩處；直腹板最大應力為72.7 M Pa，出現在箱梁1#支墩處；斜腹板最大應力為163.6 M Pa，出現在箱梁1#支墩處；橫隔板最大應力為120.9 M Pa，出現在箱梁1#支墩處。從以上計算結果可知各關鍵板件的應力均出現在箱梁1#支墩處，這主要是由于架設第二跨箱梁焊接完成前第一跨箱梁“伸臂”處于懸臂狀態造成的。總體來看，第二跨梁段吊裝時各板件應力滿足規范和施工要求。

圖11 第二跨吊裝各關鍵板件應力圖

第二跨梁段懸臂端需安裝牛腿，關于牛腿對于梁體的影響以及牛腿本身的安全性均需要進行驗算。第二跨梁段計算結果如圖12所示。

圖12 第二跨箱梁各關鍵板件應力圖

第二跨梁段吊裝階段牛腿計算結果如圖13所示。頂板最大應力為53.7 M Pa，底板最大應力為84.4 M Pa，腹板最大應力為105.7 M Pa，橫隔板最大應力為77.1 M Pa。從以上計算結果可知各關鍵板件的應力均滿足規范和施工要求。

圖13 牛腿各關鍵板件應力圖(單位：MPa)

4 結語

（1）吊點的橫向位置放在實腹式橫隔板與中腹板的交接處，為大跨度箱梁吊裝最佳位置。

（2）鋼箱梁連續梁在整體吊裝施工過程中應力滿足規范和施工要求。

（3）牛腿在鋼箱梁連續梁整體吊裝施工過程中應力滿足規范和施工要求。