節段預制波形鋼腹板組合梁橋吊裝期力學性能研究

摘要：為探明節段預制波形鋼腹板組合梁橋吊裝期力學性能，以南京長江五橋為例，利用ABAQUS建立精細化實體有限元模型，分析吊點數量、位置及臨時橫撐，對波形鋼腹板節段梁吊裝期受力性能的影響。結果表明：為滿足結構線形和應力要求，波形鋼腹板節段梁吊裝宜采用4吊點布置；波形鋼腹板節段梁吊裝過程中，混凝土橋面板相對變形較大，應在混凝土頂底板之間設置臨時剛性骨架支撐，防止吊裝過程中因箱梁變形過大而增加節段拼裝難度。

關鍵詞：波形鋼腹板；節段預制；吊裝；臨時橫撐；變形控制；有限元模型

0 " 引言

近年來，節段短線匹配法預制、懸臂拼裝工法在橋梁工程中得到越來越廣泛的應用。該施工方法具有架設速度快、質量易控制，環保性好、成本低等特點，符合國家“優質高效、綠色施工、節能環保”工業化發展要求。采用波形鋼腹板代替傳統混凝土腹板，可進一步降低節段自重，便于運輸和吊裝，且接縫對波形鋼腹板組合梁抗剪影響小，傳力更加明確。

1 " 工程概況

南京長江五橋北接線立新路跨線橋為三跨波形鋼腹板組合梁橋，跨徑布置為31m+46m+31m。主梁為等截面形式，采用節段預制拼裝，標準節段長度為320cm。標準箱梁頂板寬度為1490cm，底板寬度為572.4cm，翼緣板懸臂長度為390cm。混凝土頂板標準厚度為27cm，梁高為260cm。波形鋼腹板采用1600型，波形鋼腹板與混凝土頂板采用開孔鋼板連接件，與混凝土底板采用嵌入式連接件，標準截面如圖1所示。

2 " 有限元模型建立

采用有限元軟件，建立波形鋼腹板組合梁標準節段（節段長度3.2m）實體模型，其中混凝土采用C3D8R三維實體單元模擬，鋼筋采用T3D2桁架單元模擬，波形鋼腹板及鋼混連接件采用S4R殼單元模擬。鋼板和鋼筋采用雙折線本構模型，混凝土采用塑性損傷本構模型，如圖2所示。

波形鋼腹板下部以及上部開孔鋼板采用內置，分別埋入混凝土底板及頂板。上下部分鋼筋籠采用內置，分別埋入混凝土頂板及底板。臨時剛性支撐與混凝土頂底板采用綁定連接，有限元模型如圖3所示。采用荷載加載方式為對模型整體施加重力作用，并對圖3中所示RP參考點施加沿y軸集中力，以模擬吊裝過程中的起吊作用力，并通過不同的起吊作用力模擬不同的起吊工況。

起吊作用力隨時間變化如圖4所示。當起吊作用力小于節段自重311.79kN時，起吊作用力小于節段梁模型重力，模擬工況為節段梁滯空前；當起吊作用力由311.79kN逐漸增加到343.76kN時，起吊作用力大于節段梁模型重力，模擬工況為節段梁滯空后。

3 " 吊點位置對節段梁受力性能影響

節段箱梁吊點一般設置在混凝土橋面板頂板腹板加腋附近，為研究吊點數量及位置對波形鋼腹板組合箱梁吊裝期受力性能的影響，分析四吊點、兩吊點波鋼內側和兩吊點波鋼外側三種工況，吊點布置如圖5所示。

3.1 " 梁體變形

由吊裝模型計算結果可知，采用四吊點吊裝在頂板中部與翼緣高差約為5mm，采用兩吊點波鋼內側和兩吊點波鋼外側吊裝，頂板中部與翼緣最大高差則分別為22mm和7mm。由于波形鋼腹板剛度較小，采用兩點吊裝，無論吊點位置設置在波形鋼腹板內側還是外側，吊裝期間橋面板高差均大于5mm。即使采用四點吊裝，橋面板最大高差也達到5mm。故有必要在波形鋼腹板節段梁混凝土頂底板之間，設置臨時剛性支撐，以改善其變形性能，防止吊裝期頂板變形過大，避免增加現場拼裝線形控制難度。

3.2 " 頂板混凝土應力

由吊裝模型計算結果可知，對于四吊點吊裝模型，其最大拉應力為1.09MPa，主要分布于頂板上表面，其余部分應力較小，且應力沿頂板橫向分布較為均勻。

對于兩吊點波鋼內側吊裝模型，其最大拉應力已達到2.13MP，位于鋼混結合部位。此處混凝土有較大的開裂風險，且頂板混凝土最大拉應力出現時間為節段梁滯空前。

對于兩吊點波鋼外側吊裝模型，其最大拉應力為1.30MPa，主要分布于頂板下表面，其分布面積較為廣泛，且鋼混結合部位存在一定應力集中。吊點斷面應力沿橋面板橫向分布如圖6所示。

3.3 " 波形鋼腹板應力及變形

由吊裝模型計算結果可知，對于四吊點吊裝模型，波形鋼腹板大部分區域Mises應力在4.90～24.15MPa之間，Mises應力較大值僅分布在靠近上翼緣板的腹板中上緣。其中上翼緣附近存在一定程度的應力集中，最大為28.94MPa。波形鋼腹板整體表現為整體向內側凸出，相對變形不超過0.5mm，變形較小。對于兩吊點波鋼內側吊裝模型，波形鋼腹板大部分區域Mises應力在10.78～113.50MPa之間，Mises應力較大值僅分布在靠近上翼緣板的腹板中上緣。其中上翼緣附近存在一定程度的應力集中，最大為123.70MPa。波形鋼腹板整體表現為整體向內側凸出，最大相對變形為1.73mm。對于兩吊點波鋼外側吊裝模型，波形鋼腹板大部分區域Mises應力在4.44～45.27MPa之間，Mises應力較大值僅分布在靠近上翼緣板的腹板中上緣。其中上翼緣附近存在一定程度的應力集中，最大為49.35MPa。波形鋼腹板整體表現為整體向外側凸出，相對變形不超過0.58mm，變形較小。

4 " 臨時斜撐對節段梁吊裝期力學性能影響

由上述分析可知，在應力方面，僅兩吊點波鋼內側吊裝模型混凝土頂板主拉應力超出安全范圍。在節段梁吊裝模型變形方面，3種吊裝模型中，混凝土頂板中部與翼緣高差最低為5mm，最高已達18.6mm。故在波形鋼腹板混凝土頂底板之間設置臨時支撐，以改善其變形性能，如圖7所示。

不同斜撐數量吊裝模型，混凝土頂板豎向變形如圖8所示。由圖8可知，四吊點吊裝模型頂板中部與翼緣高差，在無斜撐、一道斜撐及兩道斜撐工況下，變形量分別為4.94mm、3.18mm、2.54mm，高差通過設置斜撐減小的幅度分別為35.6%及20.1%。兩吊點波鋼內側吊裝模型頂板中部與翼緣高差，在無斜撐、一道斜撐及兩道斜撐工況下，變形量分別約為18.61mm、14.05mm、10.5mm，高差通過設置斜撐減小的幅度分別為24.5%及25.3%。兩吊點波鋼外側吊裝模型頂板中部與翼緣高差，在無斜撐、一道斜撐及兩道斜撐工況下，變形量分別約為6.6mm、4.55mm、3.71mm，高差通過設置斜撐減小的幅度分別為31.1%及18.8%。綜上可知，兩吊點波鋼內側方案無論是否設置斜撐，都不滿足變形要求。而兩吊點波鋼外側及四吊點方案在設置一道與兩道斜撐工況下，變形均滿足要求。考慮經濟性與施工簡便，可采用一道斜撐；若需增加安全儲備，可采用兩道斜撐。

5 " 結束語

鑒于波形鋼腹板剛度較小，波形鋼腹板節段梁吊裝期間橋面板相對變形較大，需在波形鋼腹板節段梁混凝土頂底板之間設置臨時剛性支撐，防止吊裝期頂板變形過大，避免增加現場拼裝線形控制難度。

波形鋼腹板組合梁節段吊裝，宜在波形鋼腹板內外混凝土橋面板布置4個吊點，滿足結構吊裝過程中受力及變形要求。波形鋼腹板節段梁起吊時，應在混凝土頂底板之間設置臨時剛性骨架支撐，防止吊裝過程中箱梁變形過大，考慮經濟性與施工簡便，采用一道斜撐即可滿足要求。

參考文獻

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