特大跨拱橋窄橋面鋼格子梁吊具設(shè)計研究

摘要：文章以某主跨為528 m的鋼管混凝土拱橋鋼格子梁吊裝施工為工程背景，針對其橋面寬度窄于拱肋寬度，采用纜索吊運施工吊具超長、自重量大、穩(wěn)定性差的工程特點，根據(jù)格子梁的結(jié)構(gòu)布置和吊具的彎矩分布情況對吊具結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，研發(fā)了新型吊具；為確保吊具的安全性，采用Midas Civil軟件對施工過程中所涉及的格子梁平吊、繞橫軸旋轉(zhuǎn)10°，繞縱軸旋轉(zhuǎn)10°三種荷載工況進行結(jié)構(gòu)計算分析，再采用Midas Fea軟件進行吊具最不利工況下的實體單元精細化建模計算分析，從多角度論證了該結(jié)構(gòu)安全可靠，相關(guān)成果可為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土拱橋；格子梁；吊具；優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：U448.22" " "文獻標識碼：A" " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.024

文章編號：1673-4874（2024）11-0076-04

0引言

根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)，我國現(xiàn)有鋼管混凝土拱橋總數(shù)已達到450余座，拱圈和格子梁安裝多采用纜索吊運施工技術(shù)［1］。格子梁作為橋面承重結(jié)構(gòu)，其施工質(zhì)量關(guān)乎整個工程的成敗。對于中承式鋼管混凝土拱橋格子梁吊運而言，其拱上部位格子梁多采用在格子梁上焊接或螺栓連接吊耳的形式進行吊運，其設(shè)計較簡單，多采用規(guī)范對設(shè)計吊耳的結(jié)構(gòu)尺寸的抗拉強度、抗剪強度等計算分析，確保設(shè)計安全可靠。對于拱下部位的鋼格子吊運，受拱肋間的橫聯(lián)影響，無法像拱上鋼格子梁一樣采用吊耳進行吊運安裝，多采用在鋼格子梁上安裝吊具，通過橫橋向格子梁兩端的吊具實現(xiàn)鋼格子梁的吊運。在以往的鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計中，橋面格子梁多寬于拱肋結(jié)構(gòu)，吊具懸挑出格子梁長度短，結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，施工安全容易保證。某主跨508 m中承式鋼管混凝土拱橋，其跨徑位居同類橋型世界第三。其格子梁的設(shè)計不同以往，格子梁橋面窄于拱肋，需懸挑＞5 m，導(dǎo)致吊具尺寸大、結(jié)構(gòu)厚重，造成施工難度大、經(jīng)濟性差等一系列問題。現(xiàn)有文獻有關(guān)鋼格子梁纜索吊運施工的研究較少，涉及格子梁吊具設(shè)計分析更加鮮見。張柳霜［2］以某主跨360 m鋼管混凝土拱橋為依托，主要介紹了橋面鋼格子梁的施工順序、地面運輸轉(zhuǎn)換軌道設(shè)計以及吊桿無應(yīng)力長度的高效計算方法，僅簡略提及拱下格子梁的吊運需在格子梁節(jié)段的主橫梁和次橫梁端安裝吊具。李莘哲等［3］以某主跨508 m斜拉橋纜索吊運施工為依托，詳細介紹了采用架橋機安裝疊合梁橋面板的施工過程，其采用的旋轉(zhuǎn)吊具無法適應(yīng)本項目鋼格子梁施工。黃金文等［4］以當時世界最大跨徑鋼管混凝土拱橋——合江長江一橋為工程依托，詳細介紹了纜索吊運系統(tǒng)、主拱圈和鋼格子梁安裝關(guān)鍵施工技術(shù)，其中，拱下格子梁的安裝采用的吊具是通過螺栓外接主橫梁和次橫梁的施工方式，該結(jié)構(gòu)形式吊具為后續(xù)鋼管混凝土拱橋鋼格子梁吊具的設(shè)計提供了參考。然而某主跨為528 m的鋼管混凝土拱橋鋼格子梁端部與合江長江一橋差別大，同樣無法適應(yīng)。此外，現(xiàn)有的鋼格子梁研究多是從施工工藝角度介紹，很少有針對鋼格子梁吊具設(shè)計過程中需要考慮的計算因素和對設(shè)計流程進行全方位的詳細介紹。然而，吊具作為承擔(dān)鋼格子梁吊運的主要承重結(jié)構(gòu)，其安全性和施工便捷性關(guān)乎整個工程的成敗。因此，很有必要以某主跨508 m鋼管混凝土拱橋鋼格子梁纜索吊運施工為工程背景，對其鋼格子梁吊具進行詳細設(shè)計，為大橋的高效、經(jīng)濟、安全施工提供理論依據(jù)和實踐基礎(chǔ)。

基于此，以在建主跨為508 m的中承式鋼管混凝土拱橋為工程依托，設(shè)計并采用新型鋼格子梁吊具，對施工過程中涉及的格子梁平吊、繞格子梁縱軸旋轉(zhuǎn)、繞格子梁橫軸旋轉(zhuǎn)等多種荷載工況進行計算分析，并采用實體單元建模對吊具施工中涉及的荷載工況進行精細化分析，完整介紹吊具設(shè)計的整個計算流程，相關(guān)成果可為類似工程提供參考。

1依托工程

1.1項目簡介

某大橋為中承式鋼管混凝土拱橋，主跨為528 m，計算跨徑為508 m，拱軸線采用高次拋物線。單片拱肋采用四肢桁架式格構(gòu)式結(jié)構(gòu)，兩片拱肋通過中間橫聯(lián)形成整體結(jié)構(gòu)。主拱弦管均為[WTBX]1 300 mm鋼管混凝土管，管內(nèi)采用C60自密實補償收縮混凝土灌注。大橋采用懸臂拼裝（纜索吊運斜拉扣掛）施工工藝，根據(jù)各節(jié)段長度和重量情況，將每片拱肋分別劃分成18個節(jié)段安裝，每節(jié)段拱肋最大吊裝重量為212.8 t，最大節(jié)段長度為39.16 m。單片拱肋在安裝完第6個節(jié)段后封拱腳。

1.2格子梁簡介

橋面系采用鋼格子梁+鋼-混凝土組合橋面板形式，橋面鋼格子梁由主縱梁、次縱梁與橫梁組成，其中主縱梁2道，布設(shè)于邊防撞護欄下方，次縱梁3道，均勻布置與主縱梁之間。主縱梁、次縱梁全橋均通長連續(xù)布置，詳見圖1。除主縱梁、挑梁、端橫梁采用箱形截面外，其余均采用工字形截面。鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的橋面底面鋼板為8 mm，橋面板標準總厚度（不含鋼底板）為15 cm，承托處的總厚度為25 cm。鋼-混凝土組合橋面板的水泥混凝土采用C40鋼纖維混凝土。格子梁劃分為35個節(jié)段，其中有6個拱上段，4個拱肋相交段，2個拱下第一段，22個標準段與1個合龍段，最大吊重為拱下第一段139.1 t。由于格子梁呈對稱布置，這里以半跨為例，展示其格子梁節(jié)段劃分情況，詳見圖2。

拱下節(jié)段鋼格子梁施工順序為：水上起吊→縱向運輸→格子梁就位→穿入吊桿→連接高強螺栓。由于施工過程中格子梁會產(chǎn)生繞縱軸和橫軸旋轉(zhuǎn)，結(jié)合大量的工程實際，充分考慮各風(fēng)險因素，包括起吊過程中的船只晃動以及吊運過程中的風(fēng)荷載等作用，取10°進行計算分析。

2新型吊具設(shè)計

因為標準節(jié)包含長吊具和短吊具兩種不同形式，這里以標準節(jié)為例，詳細介紹吊具的設(shè)計，設(shè)計過程中需考慮以下因素（詳見圖3和圖4）：

（1）吊具無法從端橫梁處接長，需通過在格子梁上方安裝吊耳，再將吊具與吊耳通過插銷連接，實現(xiàn)格子梁吊運。

（2）短吊具位置處有吊桿連接格子梁的吊耳，短吊具安裝位置需避免與主橫梁吊桿空間上發(fā)生沖突。

（3）吊具需根據(jù)其彎矩圖的分布情況進行優(yōu)化設(shè)計，盡可能減少結(jié)構(gòu)自重、降低成本，同時應(yīng)方便制作加工，兼顧吊運施工過程中安拆快捷。

基于以上原理，長吊具和短吊具以及與格子梁連接吊耳設(shè)計。其中，長短吊具均采用Q345鋼材的箱形截面，其中長吊具箱形截面為上、下翼板厚30 mm，寬36 cm；腹板厚12 mm，腹板高度為64～104 cm；加勁板板厚12 mm，長吊具重2.91 t；短吊具上、下翼板厚30 mm，寬36 cm；腹板厚12 mm，腹板高度為64 cm；加勁板板厚12 mm，短吊具重2.15 t。將吊具底部兩個吊耳與焊接于鋼格子梁上，通過銷軸連接便可進行格子梁吊運工作，具有安拆快捷、經(jīng)濟性好的優(yōu)點。

3格子梁吊運過程中的安全性分析

3.1有限元建模

利用Midas Civil軟件建立格子梁及吊具分析模型，格子梁和吊具均采用梁單元模擬，吊具與格子梁采用剛性單元連接。主要單元的類型、材料名稱和截面形狀尺寸如下頁表1所示。

3.2荷載計算及邊界條件

結(jié)構(gòu)僅考慮自重作用，容重取值采用行業(yè)標準，取標準段進行計算分析時，模型重量為121.1 t，與實際重量120.6 t一致；當?shù)踹\拱下第一節(jié)節(jié)段時，吊運139.1 t格子梁計算模型也為139.2 t。長吊具長為8.22 m，短吊具長為6.22 m，各吊點采用鉸接約束，建成后的計算模型如圖5所示。

3.3荷載工況

為有效考慮格子梁吊裝施工過程中施工的安全性，對格子梁平移和起吊過程中進行計算分析：（1）格子梁四點平吊；（2）考慮施工過程中吊裝偏差，分別采用沿著縱梁和橫梁旋轉(zhuǎn)10°進行起吊。見圖6。

3.4計算結(jié)果

3.4.1強度分析

這里以拱下第一節(jié)（吊重最大）和標準節(jié)為計算分析對象，分別對3種不同荷載工況下塔架結(jié)構(gòu)的強度進行計算分析，計算結(jié)果見表2。

由表2可知，標準節(jié)和拱下第一節(jié)段在3種不同荷載工況下，最大組合應(yīng)力和最大剪應(yīng)力分別為202.0 MPa和49.0 MPa，小于規(guī)范限值210.0 MPa和145 MPa，施工安全性良好。

3.4.2位移計算

格子梁吊運施工過程中最大變形結(jié)果如表3所示。

由表3可知，標準節(jié)和拱下第一節(jié)段在3種不同荷載工況下，最大變形分別為71.51 mm和36.04 mm，小于規(guī)范要求的限值，具有良好的剛度。拱下第一節(jié)變形約為標準節(jié)變形的50%，這主要是由拱下第一節(jié)四個吊具均為短吊具，懸挑出格子梁的長度短導(dǎo)致的。

3.4.3反力計算

進一步地，計算各吊點位置處的支座反力，以便進一步開展吊具的實體單元建模分析。根據(jù)以上建模，各支座處反力統(tǒng)計如表4所示。

由表4可以知道，整個格子梁吊運過程中，各吊點支座反力最大值為37.6 t。

4吊具安全性分析

4.1有限元建模

上一節(jié)采用梁單元進行格子梁吊運施工過程分析，未能精確考慮吊具加勁板、吊點處吊耳的作用。根據(jù)各支座反力的計算結(jié)果，長吊具和短吊具均取40 t采用Midas FEA軟件實體計算建模精細化分析，以確保吊具具有足夠的安全性。建模過程中，通過在兩片吊耳之間建立剛性連接單元，并施加40 t集中荷載，然后以節(jié)點耦合的方式將吊具吊點處各節(jié)點耦合起來，將集中荷載均勻施加在吊點附近，以避免應(yīng)力集中。離散單元過程中以最小板厚的為離散單元尺寸進行結(jié)構(gòu)建模分析，見圖7和圖8。

4.2邊界條件和荷載工況

采用Midas FEA軟件實體計算建模精細化分析，吊具與格子梁連接處采用鉸接連接以模擬實際施工的情況，荷載僅考慮吊具自重和吊點處的集中荷載。

4.3計算結(jié)果

由表5可知，采用實體單元精細化建模過程中結(jié)構(gòu)變形最大值小于規(guī)范要求的限值，表征吊具的剛度是合理的。在結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中，僅＜0.1%的區(qū)域超過鋼材允許應(yīng)力，主要分布在吊耳耳板以及加勁板與吊具連接的垂直連接附近，直角區(qū)域應(yīng)力集中是因為焊接的弧形小面域無法準確模擬導(dǎo)致該區(qū)域計算與實際不符，故實體單元分析一般要求99.5%的區(qū)域應(yīng)力滿足規(guī)范要求，則表征該結(jié)構(gòu)是安全合理的。因此，由表5可知，99.8%以上的應(yīng)力是滿足規(guī)范規(guī)定屈服應(yīng)力強度的，結(jié)構(gòu)具有良好的安全性。

5結(jié)語

（1）本文以主跨為508 m的中承式鋼管混凝土拱橋拱下格子梁施工為工程依托，研發(fā)了新型格子梁吊具及連接部件。該吊具具有結(jié)構(gòu)簡單，制作加工方便、安拆快捷、自重輕、安全性好等優(yōu)點，能夠快速與格子梁吊耳進行有效連接，能夠適用于大跨徑拱橋窄橋面系格子梁吊運施工。

（2）本文詳細介紹了拱下鋼格子梁吊具的計算分析要點，分析論證了格子梁吊運施工的安全性。采用Midas Civil軟件和Midas FEA軟件對格子梁施工安全性進行受力分析，計算結(jié)果表明在格子梁纜索吊運施工過程中，吊具及鋼格子梁的強度、剛度等各項指標均滿足相關(guān)規(guī)范要求，且具有一定的安全富余。相關(guān)成果可為實際工程的安全施工保駕護航。

參考文獻：

［1］Wang Q，Nakamura S，Chen K，et al.Fatigue analysis of K-Joint in a half-through concrete-filled steel tubular truss arch bridges in china［C］.8thInternational conference on arch bridges，2016.

［2］張柳霜.大跨度鋼管混凝土拱橋格子梁安裝關(guān)鍵施工技術(shù)［J］.西部交通科技，2023（7）：161-163.

［3］李莘哲，陳林.大塊預(yù)制橋面板安裝關(guān)鍵技術(shù)［J］.西部交通科技，2019（1）：97-99.

［4］黃金文，林峰，覃曉鳳，等.四川合江長江一橋整體鋼橋面格子梁安裝施工技術(shù)［J］.公路，2013（5）：28-34.

基金項目：廣西科技計劃項目“基于大跨徑拱橋施工的智慧工地建設(shè)技術(shù)研究與應(yīng)用”（編號：桂科AB20297028）

作者簡介：林廷章（1990—），工程師，主要從事公路施工安全及技術(shù)管理工作。

收稿日期：2024-05-16