新型變截面導梁設計研究

林文惜,南 迪

(保利長大工程有限公司 廣州市 510620)

1 工程概況

頂推施工是橋梁施工中的常用方法,具有設備簡單、施工平穩、安全可靠、對橋下通航影響較小等特點,而導梁則是頂推過程中增大頂推跨度、減小主梁懸臂長度的重要措施。因此,合理設計適合每個項目施工方案的導梁顯得尤為重要[1]。在頂推過程中,導梁的長度、剛度和單位重量等參數對主梁的受力有著很大影響[2]。導梁作為施工臨時結構,通過適當選取各參數,能夠有效減小主梁的施工內力。因此,通過優化導梁設計來提高材料利用率,節約工程成本是必須考慮的問題[3]。

黃沙瀝特大橋主橋上部構造采用鋼桁梁+拱橋結構形式,跨度布置為(1×202)m,主梁為帶豎桿的華倫式桁架,橫向采用三片主桁結構,桁間距21.75m,邊桁桁高14.6m,中桁桁高15.035m。拱肋采用箱型截面,拱肋寬1.5m,拱頂高度2m,拱腳高度為4m。吊桿為平行鋼絲束。主橋的整體布置見圖1。

圖1 橋梁整體布置(單位:m)

2 導梁設計的必要性

黃沙瀝特大橋跨越黃沙瀝水道,該水道為III級通航水道。為確保安全施工,期間要求保留55m寬河道通航。主橋施工總體采用先梁后拱,在拼裝平臺逐步拼裝。由于拼裝平臺長度有限,且全橋長度202m,因此初步采用分節段逐步拼裝頂推的施工方案。

根據通航要求,設置間距為55m的臨時支墩,頂推過程中主桁架最大懸臂長度達75m,隨著懸臂長度增加,主桁支點處負彎矩也會逐漸增大,因此必須設計導梁,從而確保主桁在頂推過程中的強度、剛度和穩定性滿足要求。

3 導梁設計參數選擇

導梁的長度、剛度、重量等參數對于主梁的施工內力有很大影響。多項研究表明,導梁的重量對主梁最大彎矩的影響比長度和剛度的影響更為顯著。導梁較重時,懸臂根部的負彎矩峰值較大,導梁重量越小,頂推主梁最大正彎矩峰值越大。因此,選取合適的導梁長度、截面形式等參數非常重要。

3.1 導梁長度選取

導梁長度是導梁結構最重要的參數之一,影響整個頂推過程中導梁及主梁的受力狀態[4],同時也決定頂推過程中是否會發生主梁傾覆。根據《路橋施工計算手冊》[5],導梁長度一般為頂推跨徑的2/3左右。該項目頂推過程最大跨徑為73.2m,導梁長度擬選取47m。

3.2 導梁結構尺寸選取

頂推施工要求千斤頂與滑塊的支撐位置位于主梁節點處,因此導梁節段長度必須與主梁節間距保持一致。與主梁類似,導梁采用桁架結構,并采用變截面實現與主梁連接的同時滿足施工要求[6]。

導梁布置為9.03m+3m×12.2m+1.37m,高度15.04m。與主梁對應的三片桁架結構,各片桁架之間采用標準方鋼進行連接。導梁整體模型如圖2所示。

圖2 導梁整體模型示意圖

3.3 導梁截面選取優化

導梁材料,是影響導梁自重的另一關鍵因素。目前橋梁結構用鋼最多的是Q345q 和Q370q鋼系列。采用高強度鋼材能夠節省導梁自重達20%,經過設計計算導梁各桿件的實際受力大小及材料強度,結合該工程特點,導梁使用Q345qd鋼材,在節點板鋼板強調材料的三向性能。

導梁主桁主要采用箱型截面及箱型變截面。在頂推過程中,桁架節點位置作為支撐點,其受力相對較復雜,而桁架結構非節點位置一般承受的主要荷載為軸拉力或軸壓力,且頂推過程中導梁每個節段的受力大小存在明顯差異,因此可以根據施工過程的受力分析來對每個節段的截面尺寸進行一定的優化,在滿足施工要求的前提下最大程度提高材料利用率[7]。

導梁截面尺寸的初步選取參考類似項目,根據整體模型計算結果進行優化。將導梁截面應力控制在270MPa以內,保證截面強度、穩定性、變形滿足設計要求。經過比選,確定導梁主桁采用的截面尺寸主要為650mm×650mm×16mm、600mm×600mm×16mm、550mm×550mm×16mm、500mm×500mm×16mm四種箱型截面及連接四種截面相應的變截面。以第三、第四節段下弦桿為例,頂推過程中導梁上墩時,由于主梁剛度較大且主梁懸臂長度較小,導梁第三、第四節段受力較小,因此采用500mm×500mm×16mm的小箱型截面即可滿足施工要求。

反之,導梁第一、第二節段節點在頂推過程中作為支撐點時,其受力相對較大,是施工過程中導梁的不利工況,因此采用650mm×650mm×16mm的大箱型截面,且節點位置局部節點板進行加厚。工況15下,導梁第一節段節點作為頂推支撐點,此時由于跨中主梁節段最多,自重荷載最大,此工況為導梁最不利工況。

導梁主桁其余桿件均采用類似方法優化截面,導梁橫聯及剪刀撐在滿足強度、剛度、穩定性的前提下分別采用400mm×400mm×8mm及250mm×250mm×10mm的方鋼截面。

4 導梁整體模型驗算

由于導梁頂推采用3+1+1+1組頂推設備(千斤頂、滑塊),頂推過程采用千斤頂起頂→千斤頂頂推主梁前進→卸頂后主梁落于滑塊→千斤頂拉回的循環頂推施工流程,全頂推過程共計20個頂推工況。

導梁整體模型如圖3所示:

圖3 導梁不利工況15整體模型示意圖

根據頂推流程,將主梁和導梁按實際尺寸建模,分析頂推過程中主梁與導梁的受力情況,頂推過程下支點設邊界條件,支點節點與相應的梁單元節點采用彈性連接。荷載考慮在自重、風荷載、不均勻沉降、溫度荷載等基本組合作用下導梁的受力情況,并對桿件進行驗算,以保證全流程中導梁結構的強度、剛度和穩定性滿足規范要求。

風荷載根據該項目所處位置考慮8級風,參照《公路橋梁抗風設計規范》,作用于桿件上的等效靜陣風荷載計算風荷載,見式(1):

(1)

式(1)中,Fg為構件長度上的風荷載,ρ為空氣密度,Ug為構件基準高度上的等效靜陣風風速,CD為構建阻力系數,An為構件單位長度上順風向的投影面積。

文章列舉最不利工況15下的強度、穩定性、剛度驗算結果。

4.1 工況15強度驗算結果

該工況下導梁第一節段與第二節段下弦桿交點處出現最大組合應力,大小為263MPa,最大剪應力為31.5MPa。最不利荷載組合為1.2倍自重荷載、1.4倍8級風荷載、1.4倍溫度荷載、1.4倍支座沉降荷載組合作用。

4.2 工況15穩定性驗算結果

根據《鋼結構設計標準》中8.2.1規定,分別對不同截面在該工況下軸力最大及彎矩最大的構件進行穩定性驗算,驗算結果如表1所示。

表1 各截面穩定性驗算結果表

根據《鋼結構設計標準》中8.2.1規定,對壓彎構件在軸力、彎矩作用組合下的穩定性系數進行計算,對每個截面相應的軸力最大桿件、彎矩最大桿件進行驗算。例如650mm×16mm截面所對應的桿件中,軸力最大的桿件長細比為41,其在軸力、彎矩作用下的穩定性系數為0.69。從表1可知,導梁各截面穩定性均滿足要求。

4.3 導梁最大懸臂工況剛度驗算結果

對頂推過程中導梁最大懸臂工況進行剛度驗算,標準荷載組合即1.0倍自重荷載、1.0倍8級風荷載、1.0倍溫度荷載、1.0倍支座沉降荷載組合作用下導梁主桁片最大下撓變形為30.4mm,橫向聯系下撓變形為40.0mm。根據《鋼結構設計規范》相關要求,47m導梁主桁片容許下撓變形為47000/250=188mm,25m導梁橫向聯系桿件容許下撓變形為25000/400=62.5mm,均滿足要求。

5 導梁局部模型驗算

5.1 節點有限元分析的必要性

節點為導梁受力的公共部分,具有連接各個桿件的作用。若節點失效,將直接導致導梁失去承載能力。

導梁整體模型采用梁單元進行計算,對節點區受力分析進行了一定的簡化,無法真實反映節點的受力性能,因此無法確定導梁節點局部強度在頂推過程中是否滿足要求。

實際頂推過程中,千斤頂與滑塊作為導梁與主梁的支點,其具有一定長度,導梁下弦桿支點處節點在千斤頂頂起與卸頂的過程中存在受荷位置的改變,如圖4所示。

圖4 頂推過程千斤頂及滑塊示意圖

綜上,導梁節點區的有限元分析是導梁設計中不可缺少的部分。

5.2 有限元局部分析方法

進行局部實體分析的方式主要有兩種:(1)采用板單元或實體單元建立局部模型,將其插入整體梁單元模型中,與整體模型進行耦合進而分析。(2)通過整體模型得到位移變形或內力結果,將其輸入至局部板單元或梁單元模型中進行分析。

在此采用方式(2)對導梁局部節點進行分析。

5.3 節點有限元分析結果

根據上文分析,頂推工況15下導梁第一、第二節段下弦桿交點處出現最大組合應力,對此節點進行有限元分析。采用Midas FEA NX建立局部節點實體模型,并采用四面體單元劃分網格,桿件截面截斷處設定固定約束,荷載采用均布面荷載的方式施加于實際節點支撐截面處,面荷載實際大小為整體模型在基本組合1.2倍自重荷載、1.4倍8級風荷載、1.4倍溫度荷載、1.4倍支座沉降荷載組合作用下的J2節點支反力大小。J2節點Mises應力云圖結果如圖5所示。

圖5 J2節點Mises應力云圖

經驗算,在最不利組合下,導梁各節點最大組合應力為270MPa,滿足設計強度要求。

6 結論及展望

新型變截面導梁設計參數的選取很大程度上取決于主梁的結構形式及施工方案。在滿足施工需求的前提下,對導梁結構參數進行優化是導梁設計的重要工作之一。為保證結構安全,文章對導梁進行了整體模型建立及局部模型建立,對各個桿件的強度、剛度、穩定性及各個節點的局部強度進行了驗算。

隨著頂推施工技術的日趨成熟,采用導梁的全懸臂頂推施工技術在鋼桁梁橋施工方法中具有較大優勢,而導梁作為施工過程中的重要結構之一,其合理設計顯得十分重要。文章以一座202m跨徑的鋼拱橋頂推導梁施工設計為案例,詳細闡述分析了新型變截面導梁設計參數的選取、導梁截面的優化及導梁的整體模型、局部模型驗算,在滿足施工要求的前提下,最大限度減少導梁自重,節約成本,具有顯著經濟效益,為同類工程施工提供經驗參考。