某大跨度鋼箱連續梁橋吊裝牛腿仿真分析

袁江林

（南昌市城市規劃設計研究總院，江西 南昌 330000）

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，其鋼箱梁施工主要過程為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，且最不利工況為鋼箱梁連接圍焊完成前。這時鋼箱梁的主要恒載和施工荷載由梁端牛腿承擔，施工過程的不同階段梁段和輔助結構牛腿所受的荷載和邊界條件均存在差異，因此準確把握施工過程臨時連接結構牛腿及其連接處鋼箱梁局部受力特性是保證吊裝施工安全的關鍵。對鋼箱梁的施工全過程進行三維仿真分析并根據計算結果對相關結構進行優化設計是非常必要的，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。梁段各件板件厚度參數見表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。

表1 構件尺寸參數

圖3 箱梁整體吊裝施工階段示意圖

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臨時結構和其安裝位置梁段板件強度安全問題。對于牛腿而言，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，第二跨梁段安裝示意圖如圖4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4 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，建立了全橋的施工吊裝階段分析模型，模型的相關板件尺寸、厚度等參數均嚴格參照原設計圖紙來模擬，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shell63板殼單元進行模擬。

在牛腿架設點下牛腿對應位置上加載豎向向下荷載F，綜合考慮各個構件的自重，得到偏于安全的F最終加載值8 500 kN（實際MIDAS/Civil模型計算值為8 406.3 kN），另外施加的荷載為已安裝梁段的自重。

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460 584個單元、429 745個節點，如圖5所示。

圖5 有限元模型示意圖

3 施工階段有限元計算分析

首先對待安裝梁段邊腹板上放置有兩個牛腿的臨時連接情況進行施工模擬計算工作。從安裝最不利工況有限元仿真計算結果（見圖6）可以看出：牛腿高應力區主要集中于牛腿前支點附近區域（如牛腿頂底板、牛腿中腹板、前支點相應板件）以及前支點下橫隔板相應區域，其中牛腿底板應力高達300 MPa，如圖7所示；牛腿前支點附近處與牛腿前支點下主梁橫肋板局部Mises等效應力最大值均達到377.3 MPa，已經超過規范材料強度限值，結果如圖8所示。

圖6 改進前整體模型應力云圖（單位：kPa）

圖7 改進前牛腿底板應力云圖（單位：kPa）

圖8 牛腿前支點下主梁橫隔板應力（單位：kPa）

通過對原設計牛腿連接結構的分析，造成牛腿前支點附近處應力局部過高的主要原因在于：

（1）原設計牛腿前支點與鋼箱梁連接為螺栓固結形式，前支點處轉動自由度無法釋放，從而導致牛腿前后支點的“杠桿作用”無法發揮，使得安裝梁段荷載的大部分由牛腿前支點承擔，而牛腿后支腿無法充分發揮應有的作用。

（2）以前支點為界，牛腿主箱梁加勁板的設置存在較大差異：牛腿頂底板之間的水平加勁板在牛腿前支點處被牛腿橫隔板截斷而未延伸至后支腿上方。

根據有限元計算結果分析了導致應力過高的主要原因后對吊裝牛腿臨時連接設計做了下列優化改進：

（1）將牛腿前支點處的螺栓固結形式改為鉸接形式，從而釋放前支點處的轉動自由度。

（2）通過增加補強加勁板的方式對牛腿前支腿處的主梁橫隔板進行加強。

（3）在待安裝主梁中腹板處增加一道牛腿，將臨時牛腿的數量由兩個增加為三個，以增加施工安全儲備。

根據上述改進重新建立了第二跨安裝時牛腿驗算模型，該模型包括三個牛腿構造和吊裝梁段。該模型共劃分為460 584個單元、429 745個節點，如圖9所示。

圖9 改進后有限元模型示意圖

牛腿前支點處為鉸接建模處理方式為：先在牛腿前支點轉動中心處建立一個主節點與牛腿底板鉸接處所有點之間施加彈性連接形成主從關系；然后在牛腿前支點轉動中心處建立另外一個主節點并與對應在主梁頂板鉸接處所有點之間施加豎向彈性連接主從關系；最后在兩主節點間再建立三個剛度無窮大的限值平動自由度的一維彈性連接單元以釋放牛腿前支點處鉸接板件的轉動約束。

改進后臨時牛腿連接結構在安裝最不利工況下有限元仿真計算結果如圖10所示。其中牛腿底板應力高達179.7 MPa，如圖11所示；牛腿前支點附近處與牛腿前支點下主梁橫肋板局部Mises等效應力為180.1 MPa，結果如圖12所示。

圖10 改進后整體模型應力云圖（單位：kPa）

圖11 改進后牛腿底板應力云圖（單位：kPa）

圖12 改進后牛腿前支點下主梁橫隔板應力（單位：kPa）

臨時牛腿連接結構改進前后計算結果如圖13所示。從仿真計算結果可以看出，牛腿以及牛腿支腿處附近主梁板件的最大應力得到顯著降低。其中，最為關心的牛腿前支點下主梁橫隔板最大應力由改進前的377 MPa銳減至180.3 MPa，牛腿自身頂板最大應力由改進前的253.6 MPa減小到194.2 MPa，牛腿自身底板最大應力由改進前的300.4 MPa減小到179.7 MPa。綜合來看，牛腿前支點附近處其他板件的應力分布情況有顯著改善，表明牛腿的改進措施是十分合理有效的。

圖13 牛腿連接結構改進前后應力

4 結語

牛腿前支點與鋼箱梁連接為螺栓固結形式，前支點處轉動自由度無法釋放，從而使得安裝梁段荷載的大部分由牛腿前支點承擔，局部應力增大，設計時應避免。在大節段鋼箱梁的整體吊裝施工中細節決定成敗，因此對于每個構造細節應給予足夠的關注，而有限元仿真計算作為最行之有效的手段應當充分發揮其作用。本文希望通過對某大跨度鋼箱梁整體吊裝施工全過程的仿真計算為其他工程提供借鑒和參考。