基于MIDAS軟件的大跨鋼箱梁吊裝力學性能分析

潘龍文,葉麗宏

(1.杭州西湖城市建設投資集團有限公司,浙江 杭州 310013；2.浙江工程建設管理有限公司，浙江 杭州 310012)

人行天橋又稱人行立交橋,只能允許行人通過,可有效避免車流和人流平面相交時的沖突,保障人們能夠安全地穿越,提高車行速度,減少交通事故的發生。鋼結構體系具有自重輕、安裝容易、施工周期短、抗震性能好、投資回收快、環境污染少等綜合優勢,我國鋼結構工程市場前景非常廣闊[1]。鋼箱梁吊裝涉及設計和施工安全問題,特別是振頻大小對撓度的影響性如何,對吊裝時的鋼箱梁人行天橋的結構安全性和舒適性至關重要。本文基于Midas軟件進行不同工況下的臨時支撐架靜力驗算及上部結構驗算,并運用數理統計方法分析最大壓應力、最大拉應力、撓度、振頻等技術參數的關系,探討出撓度和振頻之間存在顯著線性相關性的結論,從而為指導大跨鋼箱梁吊裝設計和施工安全技術提供了重要理論依據,并且對類似鋼箱梁設計和施工均具有一定的借鑒意義。

1 工程概況

本項目位于錢江世紀城核心區臨江地塊,北側過錢塘江是錢江新城,西側與奧體中心相鄰,南側是濱江高新技術開發區,東側可達蕭山國際機場,是杭州南向發展帶上的重要節點。觀瀾路人行天橋為跨越瀾路連接T字形橫向與豎向的人行通道,橋位場地位于蕭山錢江世紀城觀瀾路南北側,全長193 m,分為五聯,鋼結構部分共五聯,第一聯至第五聯長度分別為20、48、25、35、65 m,設計使用年限50年,鋼箱梁均采用Q345C材質。見圖1、圖2。

圖1 觀瀾路人行天橋工程立面

圖2 觀瀾路人行天橋工程航拍

2 鋼箱梁吊裝工況分析

2.1 150 t汽車吊吊裝工況分析

鋼箱梁梁段最大重量為71.6 t,采用2臺150 t汽車吊抬吊吊裝,抬吊時每臺吊機吊裝重量為71.6÷2÷0.75(考慮0.75的折減系數)=47.7 t。當150 t汽車吊主臂長25.6 m,工作半徑為10 m時,起重量為50 t,而鋼箱梁梁段抬吊時單機起重量為47.7 t,滿足吊裝要求。

2.2 25 t汽車吊吊裝工況分析

挑臂梁最大重量為7 t,采用2臺25 t汽車吊抬吊吊裝,抬吊時每臺吊機吊裝重量為7÷2÷0.75(考慮0.75的折減系數)=4.6 t。當25 t汽車吊主臂長20.5 m,工作半徑為5.5 m時,起重量為9.5 t,而挑臂梁梁段抬吊時單機起重量4.6 t,滿足吊裝要求。

3 鋼箱梁吊裝工藝和順序

3.1 鋼箱梁吊裝工藝

鋼箱梁吊裝工藝見圖3。

圖3 鋼箱梁吊裝工藝流程

3.2 鋼箱梁吊裝順序

先施工第二、第四聯的鋼箱梁,接著施工第三、第一聯的鋼箱梁,最后施工第五聯的鋼箱梁,匝道穿插進行安裝施工。各聯內安裝施工順序按照編號依次進行,總體遵循從中間往兩側的安裝施工思路。鋼箱梁采用雙機抬吊的方法進行安裝,梁段縱向安裝順序為先中跨后邊跨,梁段橫向安裝順序為先中間后兩邊。吊裝前需對現場場地進行相應的硬化,以滿足吊機的站位。梁段橫向吊裝順序為先中間后兩邊,主要有以下幾個步驟(圖4)：

圖4 鋼箱梁吊裝現場照片

1)在臨時支撐架分配梁上標出道路中心線、軸線和分塊鋼箱梁底板邊線,并在邊界設置焊接限位裝置；2)吊裝橫向中間第1塊鋼箱梁；3)吊裝橫向中間第2塊鋼箱梁。落梁就位后調整焊縫間隙,在梁塊之間縱縫位置用碼板固定,對焊縫進行點焊；4)吊裝一側的挑臂鋼箱梁。挑臂梁就位后調整焊縫間隙,在梁塊之間縱縫位置用碼板固定,且碼板與頂板的焊縫全部焊接好后方可松鉤；5)吊裝另一側的挑臂鋼箱梁。挑臂梁就位后調整焊縫間隙,同樣在梁塊之間縱縫位置用碼板固定,且碼板與頂板的焊縫全部焊接好后方可松鉤。

4 Midas Civil軟件運用

4.1 Midas Cicil軟件

Midas Civil 軟件作為通用的空間有限元分析軟件和橋梁軟件的完美結合,廣泛地應用于土木工程領域多種結構的設計與分析,如鋼結構、鋼筋混凝土結構、預應力混凝土結構[2]。運用Midas軟件進行不同工況下的臨時支撐架靜力驗算及橋梁上部結構驗算,并對驗算數據進行數理統計分析,為鋼箱梁結構設計和施工安全提供了重要的理論依據。

4.2 臨時支撐架靜力驗算

臨時支撐架材料：鋼管采用Φ450×20,材質為Q345B.分配梁采用雙拼HM600×300×14×23,橫撐、斜撐采用14#槽鋼,材質均為Q235B。

4.2.1 最不利組合1：單邊加載

F′=(15+124+124+15)/(2×13)=10.7 t,最大等效應力19.8 MPa,最大豎向變形0.652 mm。

4.2.2 最不利工況2：兩邊加載

F′=(15+124+124+15)/(2×13)=10.7 t,F″=(13+120+120+14)/(4×13)=5.13 t,最大等效應力19.8 MPa,最大豎向位移0.643 mm。

4.3 橋梁上部結構計算

4.3.1 結構計算分析

結構計算分析圖(以第一聯第一跨為例,其余圖略)見圖5。

圖5 結構計算分析

4.3.2 計算結果及分析結論

1)計算結果

上部結構計算結果見表1。

由表1可知，標準值組合下鋼箱梁最大壓應力的最大值為70.3 MPa,最大拉應力的最大值為67 MPa,均小于規范規定的鋼材容許應力210 MPa,故最大壓應力和最大拉應力滿足規范要求。

表1 上部結構計算結果

橋梁在活載引起的豎向撓度分別為9、7、36、13、26、5 mm,其撓度允許值分別為:

9 mm

36 mm

26 mm

故撓度滿足規范要求。

表1中第二聯最小振頻3.04 Hz>3 Hz,故振頻滿足規范要求。

據饒波研究成果,結構自振頻率隨梁高的增高、基礎剛度及墩剛度增大而增大,箱梁底緣寬度對結構自振頻率影響不大[3]。當橋梁自振頻率與行人步行頻率較接近時,會引起主梁振動和撓度過大使行人感到不適并危及天橋的安全。《城市人行天橋與人行地道技術規范(CJJ 69—95)》規定：為了避免共振,減少行人不安全感,天橋上部結構豎向自振頻率不應小于3 Hz[4]。

2)分析結論

運用回歸方程顯著性檢驗F檢驗法[5],根據回歸分析研究,在聯長、最大壓應力、最大拉應力、撓度、振頻5者中,只有撓度和振頻兩者的回歸是顯著的,其余兩兩之間不顯著。其中撓度和振頻回歸分析見表2。

表2 撓度與振頻關系

運用SPSS數理統計分析軟件,計算結果見表3、表4：

表3 撓度與振頻回歸統計

表4 撓度與振頻方差分析

F=8.796 557,a=0.05,Fa(1,4)=7.71,F=8.796 557>Fa(1,4)=7.71,回歸是顯著的。

運用SPSS軟件計算出的回歸系數分別為a=42.084,b=-4.960,則一元線性回歸方程為y=42.084-4.960x(x為振頻,y為撓度)；再用WPS2019軟件進行數理統計回歸分析驗證,所得回歸方程與上述完全一致,撓度與振頻相關性見圖6。

圖6 撓度與振頻相關性

以上說明：撓度和振頻之間存在顯著線性相關性。即撓度與振頻呈擬合線性反比關系,振頻越大,撓度越小；振頻越小,撓度越大。根據《城市人行天橋與人行地道技術規范(CJJ 69—95)》規定：為了避免共振,減少行人不安全感,天橋上部結構豎向自振頻率不應小于3 Hz。故在鋼箱梁設計驗算中,可使設計的鋼箱梁結構自頻振率較大(至少大于3 Hz),則橋梁在撓度方面的性能較為有利。另外,行人在鋼箱梁上行走振動頻率為1.8～2.5 Hz,施工時振頻較小(最高不超過3 Hz),則不會與鋼箱梁結構自振頻率保持一致,從而減少共振風險。當然,還可運用調頻質量阻尼器(TMD)減振系統削減人行天橋的共振反應,共振情況下減振率接近70%,提高了橋梁結構的安全性和舒適性[6]。

5 結 語

本文初步進行了大跨鋼箱梁吊裝力學性能分析,采用Midas Civil軟件進行不同工況下的臨時支撐架靜力驗算及橋梁上部結構驗算等,并運用SPSS軟件分析研究最大壓應力、最大拉應力、撓度、振頻等技術參數的關系,主要有以下結論：

1)撓度和振頻之間存在顯著線性相關性,回歸方程為：y=42.084-4.960x(x為振頻,y為撓度)。即振頻越大,撓度越小；振頻越小,撓度越大。

2)除撓度和振頻之間外,最大壓應力、最大拉應力、撓度、振頻等兩兩之間不存在顯著性相關性。

3)在鋼箱梁設計時,大跨鋼箱梁結構自振頻率大于3 Hz較為有利；而在鋼箱梁施工過程中,振動頻率較小(最高不超過3 Hz)可有效避免共振的安全風險。

4)可運用調頻質量阻尼器(TMD)進行有效的結構減震。