基于ABAQUS盆克特2號大橋鋼梁施工方案分析

雷 強 李 佳

（1.中鐵二十一局集團第一工程有限公司 新疆烏魯木齊 830026；2.新疆大學建筑工程學院 新疆烏魯木齊 830047）

1 引言

鋼板組合梁橋是一種使用工字鋼主梁與橋面板進行部分或全部裝配式安裝的橋型，具有自重輕、承載能力強、抗震性能好等優點，國內外于20世紀已廣泛應用于各種體量的橋梁建設［1－3］。諸多學者對該橋型探究了頂推、吊裝等多種施工方案的優點與不足［4－8］。王輔圣［9］使用有限元模擬了鋼管混凝土桁架組合梁多種施工工況；楊宏等［10］通過分析鋼梁分段吊裝技術的實際應用，得出分段吊裝可提高施工精度和減少安全隱患的結論。可見，探尋科學的施工方案比選方法對于提高工程質量、規避安全風險具有重要意義。王海波等［11］從設備投入、工程量等方面分析施工方案優缺點并打分；趙成貴［12］從施工安全風險、技術難度等方面分析施工方案優缺點并進行對比。

本文依托盆克特2號大橋項目，從幾種常用鋼梁施工方案中選定三種可行的方案，使用UG設計軟件對鋼梁及橋面板進行1∶1三維建模，運用ABAQUS有限元軟件對模型進行數值模擬，探究不同施工方案下鋼梁各部分應力、位移變化規律，由定量數據分析對比各方案對鋼梁整體應力分布、施工控制精度、成橋承載力等的影響以選出最優方案，為項目專項施工方案評選提供數據支持。

2 工程實例及有限元模型

（1）工程概況

盆克特2號大橋位于京新高速巴里坤至木壘段K227＋556.5處，地處寒冷、高溫差地區。全橋共4聯：4×25 m＋3×50 m＋4×25 m＋4×25 m，全長462 m。下部構造為鉆孔灌注樁基礎，鋼板組合梁位于4＃～7＃墩，采用3×50 m鋼板組合梁，左右幅每孔4片，共24片。其橋墩空間分布構造如圖1所示。

圖1 橋墩空間分布構造（單位：cm）

（2）鋼梁及橋面板有限元模型

50 m單片鋼梁自重約35 t，采用Q345D鋼板焊接制成。頂推或分步吊裝方案橋面結構如圖2所示；組合梁吊裝方案吊裝總重約122.3 t，單幅單孔由四片鋼梁組成，如圖3所示。

圖2 頂推及分步吊裝橋面結構

圖3 組合梁吊裝鋼梁及橋面板結構

Q345D鋼板力學性能參數為：密度γ＝78.5 kN/m3，彈性模量Es＝2.06×105MPa，泊松比為0.31，熱膨脹系數α＝1.2×10－5。

C50自密實鋼筋混凝土橋面板力學性能參數為：密度 γ＝26 kN/m3，彈性模量Es＝3.45×104MPa，泊松比為0.2，熱膨脹系數 α＝1.0 ×10－5。

3 施工方案分析

（1）鋼梁頂推與橋面板吊裝方案

方案一為鋼梁頂推施工，在鋼梁前端連接導梁，待單孔四片鋼梁均架設完成后逐片起吊橋面板并鋪裝。主要施工流程：頂推設備安裝→設置前導梁頂推第一片鋼梁施工→施工完成后鋼梁頂面局部剪力釘焊接→鋼梁循環頂推施工與剪力釘焊接→安裝端橫梁與支座橫梁→吊裝起重設備安裝→橋面板逐片起吊鋪裝→橋面板濕接縫澆筑→拆除頂推及吊裝設備。

（2）鋼梁與橋面板分步吊裝施工方案

方案二施工流程為：工廠預制鋼梁并運至施工現場→鋼梁拼裝場地硬化→鋼梁拼裝焊接→架橋機設備安裝→第一片鋼梁吊裝施工→施工完成鋼梁頂面局部剪力釘焊接→鋼梁循環吊裝施工與剪力釘焊接→安裝端橫梁與支座橫梁→橋面板吊裝設備安裝→橋面板逐片起吊鋪裝→橋面板濕接縫澆筑→拆除架橋機及吊裝設備。

（3）組合梁吊裝施工方案

方案三為鋼梁頂面密布焊接剪力釘，如圖4所示，頂面預制50 m長、2.5 m寬橋面板，組合梁吊裝如圖5所示。主要施工流程為：工廠預制鋼梁并運至施工現場→鋼梁拼裝場地硬化→鋼梁拼裝及剪力釘焊接→在鋼梁頂面采用后張預應力法預制C50橋面板→采用HD JH50/200Ⅱ型架橋機架設單片組合梁→循環吊裝組合梁→安裝端橫梁與支座橫梁→橋面板濕接縫澆筑→拆除架橋機等設備。

圖4 剪力釘立面及空間分布

圖5 組合梁整體吊裝

4 ABAQUS有限元分析及方案比選

在鋼梁3個橫截面、13個縱截面上分別設置監測點，對各方案下鋼梁監測點應力與位移進行對比分析，得出各方案對鋼梁承載力、局部應力的影響，評選最優方案。監測點布置如圖6所示（圖中“點3-1”表示縱截面3與橫截面1相交的監測點，其余編號以此類推）。

圖6 鋼梁監測點分布示意

4.1 頂推與分步吊裝方案分析

通過數值模擬獲得兩種施工方案下鋼梁上39個截面監測點應力與位移分布。頂推方案監測點數據見表1，分步吊裝方案數據見表2。

表2 分步吊裝方案監測點數據

頂推方案橫截面1最大應力為97.4 MPa，橫截面2最大應力34.86 MPa，橫截面3最大應力92.07 MPa，均在縱截面9部位；分步吊裝方案橫截面1最大應力39.05 MPa，橫截面2最大應力7.94 MPa，橫截面3最大應力14.24 MPa，均發生在縱截面7處。從位移看，頂推方案中最大位移均在鋼梁推出側最前端，為109 mm；分步吊裝方案最大位移均在鋼梁中間截面，為14.6 mm。

綜上，在鋼梁三個橫截面上頂推方案最大應力均是分步吊裝方案的2倍以上，最大位移是分步吊裝方案的7.4倍。兩種施工方案下鋼梁均未達到Q345D鋼材屈服應力345 MPa。在工程分析中認為小位移或接近零位移對施工安全性更有保障。故分步吊裝方案對于鋼梁施工過程中減少應力集中、整體應力及位移精度控制均更有利。

為直觀對比兩種施工方案在鋼梁三個橫截面上應力、位移變化情況，繪制橫截面應力、位移趨勢圖如圖7～圖8所示。

圖7 頂推與分步吊裝監測點應力趨勢

圖8 頂推與分步吊裝監測點位移趨勢

由圖7可知，在橫截面1上頂推方案在點9-1達到最大應力97.4 MPa；分步吊裝方案最大應力為39.05 MPa。在橫截面2上頂推方案在點9-2達到最大應力34.86 MPa；分步吊裝方案在點7-2達到最大應力7.94 MPa。在橫截面3上頂推方案在點9-3發生應力集中92.07 MPa；分步吊裝方案在點7-3達到最大應力14.23 MPa。頂推方案最大位移為108.9 mm，隨著靠近頂推側而逐漸減小；分步吊裝方案最大位移為14.63 mm。兩方案在橫截面2、3上位移曲線變化與橫截面1基本相同。

可見，頂推方案在縱截面9極易發生局部應力集中，短距離內出現30～60 MPa增量變化，對鋼梁耐久性及使用性能均有影響；頂推方案最大位移是分步吊裝方案的2倍以上。根據鋼材特性，施工過程應力越大，在鋼材內部產生應力損傷、應力殘留的概率越大。

4.2 分步吊裝與組合梁吊裝方案分析

分步吊裝的鋼梁質量為35 t，組合梁吊裝質量約122 t，吊裝質量相差近3倍，可認為分析兩方案吊裝階段鋼梁上應力、位移分布情況意義不大，故對成橋前階段做靜力學分析，選出更優方案。分步吊裝方案中全部荷載均由鋼梁承擔，將橋面板重力轉換為均布壓力載荷，如式（1），簡化分析鋼梁應力及位移情況。將式（1）計算得出的均布壓力載荷施加于鋼梁頂面，得出分步吊裝方案成橋前數據如表3所示，組合梁吊裝數據如表4所示。

表3 分步吊裝方案成橋前監測點數據

表4 組合梁吊裝方案成橋前監測點數據

分步吊裝方案橫截面1最大應力145.26 MPa，發生在點7-1；橫截面2應力極大值68.98 MPa，發生在點1-2與13-2；橫截面3應力極大值93 MPa，發生在點1-3與13-3。組合梁吊裝方案橫截面1最大應力16.47 MPa，發生在點7-1；橫截面2應力極大值30.5 MPa，發生在點1-2與13-2；橫截面3最大應力46.6 MPa，發生在點7-3。分步吊裝鋼梁各截面應力均是組合梁吊裝的2倍以上。兩方案最大位移均發生在鋼梁中心截面，分步吊裝方案為80 mm，組合梁吊裝方案為30.7 mm（見圖9～圖10）。

圖9 分步吊裝與組合梁吊裝應力趨勢

圖10 分步吊裝與組合梁吊裝位移趨勢

可見，組合梁吊裝方案對于成橋階段削弱鋼梁應力集中、增加成橋承載量更為有利。

由應力分析結果可知，組合梁方案可顯著降低鋼梁上翼緣板的應力，避免局部應力集中。基于鋼結構力傳遞效果，分步吊裝方案在兩端高強螺栓固定處必發生應力集中，對鋼梁承載力有較大影響，組合梁吊裝方案無明顯應力集中現象。

由位移分析結果可知，同種施工方案在三個橫截面上位移變化趨勢及位移量近似等同。組合梁吊裝方案在避免鋼梁局部應力集中、增加成橋使用壽命方面均具有顯著優勢，最終選定組合梁吊裝方案為最優方案。

5 結論

（1）分步吊裝方案相較于頂推方案可有效抵抗鋼梁變形，在整體應力控制、削減局部應力及施工位移精度控制上都具有顯著優勢。

（2）成橋前階段組合梁方案較分步吊裝方案可顯著削弱鋼梁整體所受應力，減小鋼梁上各點應力、位移量，避免局部應力集中。

（3）運用ABAQUS有限元分析可為項目方案評選提供數據支持，對于制定合理高效的施工方案具有指導意義。