大跨度城市鋼箱梁橋成橋穩定性數值模擬分析

韋立詠

(廣西壯族自治區河池市東蘭縣公路事業發展中心，廣西 河池 547400)

0 引言

鋼箱梁施工過程一般分為3個主要階段，即邊跨吊裝拼接施工、中跨懸挑梁拼接施工以及中跨大節段拼接施工，研究鋼箱梁成橋施工過程中的穩定性對于指導施工具有重要意義[1-4]。不少學者針對鋼箱梁進行了一些研究：王國棟[5]分析鋼箱梁具有外形美觀、整體性好以及抗彎性能好等特點，以在建鋼箱梁工程為研究對象，重點模擬分析了鋼箱梁橋在成橋之后荷載作用下的穩定性，分析結果對施工具有良好的指導性；張憲堂等[6]以某跨海斜拉鋼橋為研究對象，采用數值模擬的方法對相關設計參數進行了分析，結果表明主梁自重以及斜拉索二次張拉索力對成橋狀態有顯著影響，屬于敏感性因素，施工過程中應該注意；譚偉[7]通過分析認為鋼箱梁橋受力性能好，但存在橫向抗傾覆穩定性較差等缺點，并基于有限元軟件Midas Civil，通過對實際工程進行建模計算，分析了影響橫向抗傾覆穩定性的因素。本文主要以大跨度城市鋼箱梁橋成橋分析為研究對象，通過有限元模擬軟件，對箱梁拼裝施工的各個階段受力和變形進行了分析，研究結果可為類似鋼箱梁工程設計和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

擬建的東蘭縣巴倫紅水河大橋，起于隘洞鎮河百高速公路隘洞互通連接線K5+740處(紅水河北岸)，終于隘洞鎮河百高速公路隘洞互通連接線K5+927處(紅水河南岸)。該橋采用鋼箱梁成橋，箱梁全長187 m，共分為左右兩幅，單幅橋面寬度為15.50 m，底板寬10.50 m，頂板懸臂長2.5 m，箱梁梁高為3.5 m。

2 數值建模

2.1 模型建立

如圖1所示，采用Midas Civil軟件進行建模分析，箱梁長度為178.62 m，以x軸、y軸方向分別為箱梁截面橫向和高度方向，規定以向上、向右為正方向，反之為負。模型中共有22 016個節點、17 854個單元，二期恒載數值為88.6 kN/m。表1為鋼箱梁的力學參數。

圖1 數值模型云圖

表1 鋼箱梁力學參數一覽表

2.2 數值模擬步驟

表2給出了鋼箱梁施工過程中的數值模擬步驟。

表2 鋼箱梁施工過程中的數值模擬步驟一覽表

3 數值結果分析

3.1 鋼箱梁邊跨拼裝

第一階段首先進行箱梁邊跨的拼裝。圖2所示為鋼箱梁邊跨拼裝數值建模云圖?？紤]到邊跨梁段在支架滑移過程中的跨中截面應力一般較小，此階段未進行梁段變形及應力監測。

圖2 鋼箱梁邊跨拼裝數值建模云圖

3.2 鋼箱梁中跨懸挑梁拼裝

在第一階段邊跨各梁段拼裝施工完成以后，進行箱梁中跨的懸挑拼裝。圖3所示為鋼箱梁中跨懸挑梁拼裝數值建模云圖。在初始吊裝鋼箱梁中跨懸挑梁時，支架仍未拆除，當懸挑段焊接施工完成后，拆除支架，這時鋼箱梁變成單懸臂梁，此時的箱梁將產生較大的變形和應力。為了更好地監控箱梁拼裝過程中的變形，如圖4所示設置了0-0～7-7共8個監測斷面。

圖3 鋼箱梁中跨懸挑梁拼裝數值建模云圖

圖4 邊跨監測斷面示意圖

圖5所示為邊跨支架拆除引起的0-0～7-7監測斷面控制截面撓度變化曲線。由圖5可知，中間截面撓度較大，兩邊較小，且理論撓度值和實測撓度值誤差很小。其中，0-0截面撓度最小，基本為零；3-3截面撓度最大，其理論撓度值和實測撓度值分別為54.11 mm和52.25 mm。根據《公路鋼結構橋梁設計規范》(JTG D64-2015)，其撓度值在正常范圍之內。

圖5 邊跨支架拆除引起各控制截面撓度變化曲線圖

為了對邊跨支架拆除引起箱梁應力的變化進行分析，如表3所示，選取邊跨支點、L/4、L/2、后錨固點、3/4L和中支點進行應力監測分析，主要對箱梁的上緣、下緣和中性軸應力進行監測。由表3可知，邊跨支架拆除過程中箱梁雖然出現了較大的應力變化，但整體應力水平較低，其中跨中L/2處應力最大，但僅為40.96 MPa，對箱梁的整體穩定性影響不大。

表3 邊跨支架拆除引起的截面應力變化計算結果表

3.3 鋼箱梁中跨大節段拼裝

最后階段進行鋼箱梁中跨大節段的拼裝施工。該過程要重點對箱梁的應力和撓度進行監測分析，并分析邊跨的抗傾覆穩定性。

3.3.1 應力及撓度分析

圖6所示為鋼箱梁中跨大節段拼裝數值建模云圖。此時邊跨承受著吊機自重和中跨大節段吊裝等荷載作用。表4給出了中跨大節段吊裝引起的邊跨截面應力變化值，仍對邊跨支點、L/4、L/2、后錨固點、3/4L和中支點進行應力監測分析。由表4可知，在鋼箱梁中跨大節段吊裝過程中，應力最大值為22.36 MPa，位于后錨固點處，箱梁邊跨的整體應力處于較低水平，對箱梁整體穩定性基本沒有影響。

圖6 鋼箱梁中跨大節段拼裝數值建模云圖

表4 中跨大節段吊裝引起的邊跨截面應力變化計算結果表

圖7給出了跨中大節段吊裝引起的邊跨控制截面0-0～7-7的撓度變化曲線。由圖7可知，此時邊跨中間截面撓度較大，兩邊較小，且理論撓度值和實測撓度值誤差很小。3-3截面撓度最大，其理論撓度值和實測撓度值分別為21.54 mm和23.13 mm，小于第二階段邊跨支架拆除引起的截面應力變化，故撓度值在正常范圍之內。

圖7 中跨大節段吊裝引起的邊跨控制截面撓度變化曲線圖

為了對鋼箱梁中跨大節段拼裝過程中的變形進行分析，如圖8所示，設置7-7～11-11共5個撓度監測斷面。圖9給出了跨中大節段吊裝引起的自身控制截面撓度變化曲線。由圖9可知，截面撓度沿跨中9-9斷面基本呈現出左右對稱，理論撓度值與實測撓度值相差較小。撓度值最大處位于9-9截面，其理論撓度值和實測撓度值分別為73.42 mm和75.68 mm，主要是由于中跨大節段自重引起的。根據《公路鋼結構橋梁設計規范》(JTG D64-2015)，其撓度值在正常范圍之內。

圖8 中跨監測斷面示意圖

圖9 中跨大節段吊裝引起的自身控制截面撓度變化曲線圖

3.3.2 邊跨抗傾覆穩定性分析

箱梁施工過程中的抗傾覆驗算是橋梁穩定性驗算的重要部分，尤其是當施工過程中存在懸臂端施工時，抗傾覆驗算尤為重要。根據《公路鋼結構橋梁設計規范》(JTG D64-2015)，當計算得到的抗傾覆力矩大于傾覆力矩的1.4倍時，認為結構是穩定安全的。

圖10所示為箱梁中跨大節段拼裝計算云圖，表5給出了計算得到的抗傾覆力矩值和傾覆力矩值。通過計算得到結構的穩定系數為2.66，遠大于1.4，因此箱梁中跨大節段吊裝過程中的抗傾覆穩定性能滿足要求。

圖10 箱梁中跨大節段拼裝計算云圖

表5 中跨大節段吊裝引起的橋梁抗傾覆驗算結果表

4 結語

文章以大跨度城市鋼箱梁成橋分析為研究對象，通過有限元模擬軟件，對箱梁拼裝施工的各個階段受力和變形進行了分析，得到以下結論：

(1)邊跨支架拆除引起的0-0～7-7控制截面撓度均處于規范要求正常范圍之內。

(2)邊跨支架拆除過程中箱梁雖然出現了較大的應力變化，但整體應力水平較低，其中跨中L/2處應力最大，但僅為40.96 MPa，對箱梁的整體穩定性影響不大。

(3)鋼箱梁中跨大節段吊裝過程中，應力最大值為22.36 MPa，位于后錨固點處，箱梁邊跨的整體應力處于較低水平，對箱梁整體穩定性基本沒有影響。

(4)中跨大節段吊裝引起的邊跨0-0～7-7控制截面和引起大節段自身7-7～11-11控制截面的撓度均處于規范要求正常范圍之內。

(5)通過計算得到結構的穩定系數為2.66，遠大于規范要求的1.4，因此箱梁中跨大節段吊裝過程中的抗傾覆穩定性能滿足要求。