懸臂拼裝鋼箱梁斜拉橋線形施工控制

鄒雨亭

（廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029）

0 引 言

懸臂拼裝的鋼箱梁斜拉橋施工控制過程中，需要確定主梁的無應(yīng)力構(gòu)形和安裝線形。安裝線形指的是不同吊裝工況下待安裝梁段懸臂端的連線。無應(yīng)力構(gòu)形指的是主梁在胎架上的制作構(gòu)形。安裝線形關(guān)注的是鋼梁吊裝現(xiàn)場(chǎng)線形的控制，無應(yīng)力構(gòu)形關(guān)注的是鋼梁制作現(xiàn)場(chǎng)梁段的預(yù)制長(zhǎng)度和梁段間預(yù)拼接角度。安裝線形的意義較為明確，但考慮到鋼箱主梁懸臂拼裝過程中的線形受溫度的影響，直接按照安裝標(biāo)高理論值進(jìn)行鋼箱主梁定位變得不可行。無應(yīng)力構(gòu)形卻不直觀且不夠被重視，梁段在工廠預(yù)制時(shí)不計(jì)算無應(yīng)力構(gòu)形，而直接按設(shè)計(jì)構(gòu)形進(jìn)行預(yù)制，要么以安裝線形作為無應(yīng)力構(gòu)形進(jìn)行預(yù)制[1-3]。對(duì)于前種做法，對(duì)于全焊接接口鋼箱梁可通過現(xiàn)場(chǎng)切割頂、底板鋼梁長(zhǎng)度來調(diào)整接頭拼裝角度，勢(shì)必造成大量的現(xiàn)場(chǎng)切割工作量，而對(duì)于全栓接鋼箱梁幾乎很難實(shí)現(xiàn)。對(duì)于后者做法，顯然是錯(cuò)誤的，因安裝線形為不同吊裝工況下的線形，以之為基準(zhǔn)來預(yù)制無應(yīng)力構(gòu)形，將會(huì)導(dǎo)致待安裝梁段與已安裝梁段間的夾角過大而造成焊縫寬度要么過寬，要么過窄，與之伴隨的是焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響[4]。

綜上所述，本文以南寧市某雙塔鋼箱梁斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘埃紫纫詥纹簽檠芯繉?duì)象，采用ANSYS 建立其在吊裝工況下的局部模型，得出梁段在吊裝過程中的變形對(duì)無應(yīng)力構(gòu)形幾乎沒有影響。其次以全橋?yàn)檠芯繉?duì)象，以局部計(jì)算結(jié)果為支撐，采用Midas Civil 模擬施工過程建立全橋模型，通過一種巧妙的建模方法“一次性激活除合龍單元以外的所有單元（僅有剛度，無自重），荷載按實(shí)際施工過程加載”，提出了鋼箱主梁無應(yīng)力構(gòu)形和安裝線形的計(jì)算方法。最后給出了考慮溫度效應(yīng)影響的鋼箱主梁定位標(biāo)高的計(jì)算公式，為今后類似項(xiàng)目線形提供參考。

1 工程概述

該橋主橋跨徑布置為（45+100+300+100+45）m雙塔雙索面連續(xù)鋼箱梁斜拉橋，為半漂浮體系，橋?qū)?9 m，橋面設(shè)雙向6 車道，設(shè)計(jì)荷載為城市-A 級(jí)。上部結(jié)構(gòu)為橫向分離的封閉鋼箱梁，兩分離主梁中間采用橫箱連接，箱內(nèi)梁高3.438 m。索塔采用單柱式空心薄壁圓端型變截面，斜拉索按“密索”布置，標(biāo)準(zhǔn)索距為12 m，索面形狀為豎琴型。橋型立面圖如圖1 所示。

圖1 橋型立面圖

根據(jù)本工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和區(qū)域地形、地貌及施工條件，鋼箱梁安裝施工總體思路為：采用整節(jié)段水路運(yùn)輸，在主塔附近靠邊跨側(cè)搭設(shè)棧橋及支架，支架上安裝變幅式桅桿吊機(jī)，采用倒退拖拉和吊機(jī)前移方法拼裝邊跨12～3號(hào)鋼箱梁，邊跨鋼箱梁安裝完成后利用吊機(jī)安裝墩頂0～1號(hào)鋼箱梁，接著安裝2號(hào)鋼箱梁使得邊跨合龍，再繼續(xù)往中跨安裝直至全橋合龍[5-7]（見圖2、圖3）。

圖2 邊跨鋼箱梁安裝方案圖

圖3 中跨鋼箱梁安裝方案圖

2 梁段無應(yīng)力構(gòu)形的確定

鋼主梁斜拉橋的懸臂拼裝不能像混凝土梁段那樣實(shí)現(xiàn)梁端間轉(zhuǎn)角和懸臂端標(biāo)高的較大調(diào)整，完全依靠斜拉索索力調(diào)整標(biāo)高，將導(dǎo)致較大的內(nèi)力誤差。更為嚴(yán)重的是，必然導(dǎo)致主梁較大的拼接誤差。誤差的累積使得線形偏離理論值較多，很難再調(diào)整過來[3-4]。

在無應(yīng)力構(gòu)形確定之前，需要思考一個(gè)問題，即如何模擬梁段的吊裝。常規(guī)做法是，吊裝下一片梁時(shí)僅在前一片梁段橋面吊機(jī)前、后錨點(diǎn)所在節(jié)點(diǎn)處施加集中力，以模擬待吊裝梁段的重量。這種方法建模進(jìn)行線形控制忽略了一個(gè)問題，即待吊裝梁段自重作用下的變形是否會(huì)對(duì)線形的控制產(chǎn)生影響。本文通過建立ANSYS 建立局部分析模型給予了回答。

2.1 有限元模型的建立

取4 個(gè)梁段為研究對(duì)象，采用板單元SHELL 181 模擬鋼箱梁頂板、底板、腹板、橫隔板及U 型加勁肋，分析吊裝第5 片梁的工況下主梁的變形和拼接端口的相對(duì)變形。有限元模型及加載圖如圖4 所示。

圖4 局部分析模型及加載圖

（1）主梁變形計(jì)算

在吊裝第5 片梁的工況下，作用于前4 片梁上的荷載有吊機(jī)前支點(diǎn)壓力、后錨點(diǎn)拉力、斜拉索拉力和梁段自重。待吊裝梁段變形如圖5、圖6 所示。

圖5 待吊裝梁段頂板豎向位移云圖

圖6 待吊裝梁段底板豎向位移云圖

由圖5、圖6 可知，待吊裝梁段頂板、底板（非吊點(diǎn)位置）在吊裝過程中豎向位移最大值為1.4 mm。

由圖7～ 圖10 可知，待吊裝梁段吊點(diǎn)處（橫隔板位置）頂板、底板豎向位移最大值為0.75mm。

圖7 前吊點(diǎn)處橫斷面頂板豎向位移

圖8 前吊點(diǎn)處橫斷面底板豎向位移

圖9 后吊點(diǎn)處橫斷面頂板豎向位移

圖10 后吊點(diǎn)處橫斷面底板豎向位移

（2）待吊裝梁段、已安裝梁段端口變形計(jì)算

因左、右幅對(duì)稱，為方便闡述，僅提取主梁半幅橫斷面部分控制點(diǎn)變形計(jì)算結(jié)果，控制點(diǎn)布置如圖11 所示。

圖11 變形控制點(diǎn)布置橫斷面圖

由圖12 可知，待吊裝梁段端口最大值位于外腹板9號(hào)控制點(diǎn)處，為0.04 mm；已安裝梁段端口與待吊裝梁段端口相對(duì)位移最大值位于底板13號(hào)控制點(diǎn)處，為1.60 mm。

圖12 梁段端口變形計(jì)算結(jié)果

綜上所述，無論是待吊裝梁段本身的變形，還是待吊裝梁段與已安裝梁段端口之間的相對(duì)變形，值均非常小，幾乎可以忽略不計(jì)。這表明本橋主梁的剛度很大，在吊裝過程中的變形幾乎可以忽略不計(jì)。

采用Midas Civil 模擬施工過程建立全橋有限元模型（見圖13）。以局部計(jì)算結(jié)果為支撐，全橋模型在吊裝下一片梁時(shí)，僅在前一片梁段橋面吊機(jī)前、后錨點(diǎn)所在節(jié)點(diǎn)處施加集中力。集中力的大小根據(jù)橋面吊機(jī)的站位和待吊梁段的重量近似按“兩點(diǎn)支撐”結(jié)構(gòu)計(jì)算。同時(shí)在建模過程中采用了一種“一次性激活除合龍單元以外的所有單元（僅有剛度、無自重），荷載按實(shí)際施工過程加載”的巧妙的建模方法，考慮新生成節(jié)點(diǎn)的初始位移指定到沿著已成梁段切線上，以此來得到無應(yīng)力線形。

圖13 整體有限元模型

根據(jù)整體計(jì)算得到主梁的豎向累計(jì)位移，就可以由式（1）得出主梁無應(yīng)力線形，主梁累計(jì)位移計(jì)算結(jié)果如圖14 所示。

圖14 主梁無應(yīng)力線形（全橋）

由于岸側(cè)過渡墩至主塔之間SA12～SA1 梁段在支架上一次性焊接成型，故相應(yīng)的累計(jì)位移較少。江側(cè)主塔至跨中之間SJ2～ SJ12 梁段為單懸臂拼裝施工，相應(yīng)的累計(jì)位移也較大，SJ12 梁段的前端豎向累計(jì)位移達(dá)到-50.1 cm（以向下為負(fù)）。

2.2 無應(yīng)力構(gòu)型的確定

主梁各控制點(diǎn)的無應(yīng)力線形坐標(biāo)求出后，就可得到梁段的無應(yīng)力制作尺寸。確定梁段無應(yīng)力制作尺寸有兩種方法：（1）梁段采用帶直角的梯形，即將梁段的一端與軸線保持垂直，另一端轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度；（2）梁段采用矩形[8]。通常為了適應(yīng)梁段間的折角匹配，將梁段做成帶直角的梯形，梁段無應(yīng)力制作尺寸如圖15 所示。令第i-1 片主梁與第i 片主梁的預(yù)拼裝角度為Δαi，第i-1 片主梁傾角為αi-1，第i 片主梁傾角為αi。為了適應(yīng)梁段間的折角匹配，需將梁段兩端或一端的接觸面轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)簡(jiǎn)單的幾何關(guān)系，可以得到如下關(guān)系：

圖15 梁段無應(yīng)力制作尺寸圖

式中：ki、ki-1分別為第i 片主梁與第i-1 片主梁的斜率；hs、hx分別為截面的上下形心距；L（i-1）o為第i-1 片主梁軸線的無應(yīng)力長(zhǎng)度；L（i-1）s、L（i-1）x分別為頂、底板的無應(yīng)力長(zhǎng)度。

工廠預(yù)制過程中，還需考慮焊縫的寬度和收縮量的影響，一般由廠家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或?qū)崪y(cè)值給出。最終的制作尺寸應(yīng)減去梁段兩端的焊縫寬度，再加上焊縫收縮量[9-10]。

3 梁段安裝線形的確定

如前所述，主梁的安裝線形指的是不同吊裝工況下待安裝梁段懸臂端的連線，對(duì)于線性結(jié)構(gòu)，主梁的設(shè)計(jì)線形坐標(biāo)與安裝線形坐標(biāo)之間的關(guān)系，如下所示：

根據(jù)整體計(jì)算得到主梁的豎向累計(jì)位移，就可以由式（3）得出主梁的安裝標(biāo)高，詳見表1。可見，為達(dá)到設(shè)計(jì)線形，主梁中跨跨中預(yù)抬值為244 mm（向上）。

表1 S J 10 梁段定位時(shí)定位標(biāo)高計(jì)算單位：mm

4 考慮溫度影響的鋼箱梁定位標(biāo)高的修正

溫度對(duì)線形控制的影響分為晝夜溫差和季節(jié)性溫差，而在施工過程中起作用的是晝夜溫差產(chǎn)生的沿梁高變化的溫度梯度[11-13]。本文提出了一種考慮溫度影響的鋼箱梁定位標(biāo)高的確定的方法。

設(shè)第i 片主梁起吊匹配時(shí)，第i-1 片主梁前、后端標(biāo)高實(shí)測(cè)值為，理論值（不考慮溫度效應(yīng)影響）為，則溫度對(duì)前、后端標(biāo)高影響若要保證定位時(shí)第i-1片主梁與第i 片主梁之間夾角與理論值相同（未考慮頂、底板焊縫收縮差影響），則第i 片主梁安裝標(biāo)高的調(diào)整量按式（4）確定：

式中：Li-1、Li分別為第i-1 片及第i 片主梁的長(zhǎng)度。

新梁段起吊匹配時(shí)，主梁上各節(jié)點(diǎn)的標(biāo)高值計(jì)算公式如下：

式中：H1為節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)高程；Δ1為節(jié)點(diǎn)自生成到最終成橋狀態(tài)的豎向累計(jì)位移值；Δ2為節(jié)點(diǎn)自生成到當(dāng)前施工階段的豎向累計(jì)位移值。

以南岸的SJ10 梁段的標(biāo)高控制為例，設(shè)梁段SJ10 定位時(shí)，SJ9 前、后端實(shí)測(cè)標(biāo)高分別為、，梁段長(zhǎng)度L9=L10=12 m，其余相關(guān)參數(shù)見表1。由表1中數(shù)據(jù)可得SJ10 實(shí)時(shí)定位標(biāo)高為

利用上述計(jì)算公式，在施工現(xiàn)場(chǎng)即使結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)發(fā)生變化，也能實(shí)時(shí)求出梁段的定位標(biāo)高，給施工過程中線形的控制帶來極大的便利。

5 結(jié) 語

（1）本文論述了鋼箱主梁無應(yīng)力構(gòu)形及安裝線形的相關(guān)概念及計(jì)算方法。

（2）本文提出了在考慮溫度影響的梁段定位標(biāo)高的修正公式，并將其運(yùn)用于工程實(shí)例，簡(jiǎn)化了施工控制工作，提高了施工控制的效率，并取得了良好的控制效果，可以作為今后類型項(xiàng)目線形控制參考。