大跨徑鋼箱梁橋面大噸位吊裝細部分析

作者簡介：王彩艷（1995—），助理工程師，主要從事橋梁、路面養護工程項目計劃管理工作。

摘要：為了解決大跨徑鋼箱梁橋面大噸位吊裝施工過程中由于鋼箱梁橋面板薄弱導致局部應力過大及橋面板承載能力計算方法的問題，文章提出了一種結合有限元模型及理論計算模型的方法，對該類施工方法的結構安全進行驗算；針對橋面板承載能力不足的問題，提出了一種基礎鋁基板的優化施工措施。結果表明，采用該加固方法是可行的。

關鍵詞：鋼箱梁；吊裝施工；橋面板；細部分析；有限元

中圖分類號：U448.21⁺3

0 引言

隨著橋梁設計技術的不斷發展，部分市政橋梁采用了鋼結構造型進行裝飾^［1］，橋梁的設計跨徑也在不斷地提升^［2-3］，隨之而來的問題就是如何改進及提升原有的施工技術以滿足不斷提升的設計需求。鋼結構橋梁^［4］具有成本低、結構性能好、施工速度快、質感強度好等優點。然而其腹板、頂板的厚度較薄且通常采用輕薄的橋面板結構，在橋面采用大噸位履帶吊進行吊裝施工時可能會導致鋼箱梁局部壓力過大、橋面板承載能力不足等情況，必須將預制好的構件拆分成小重量的構件進行吊裝施工，嚴重影響施工進度和安全，因此必須對鋼箱梁的細部結構進行分析以及采取必要的加固措施。

本文依托某大跨徑鋼結構風雨橋橋面吊裝施工，針對大噸位橋面吊裝會產生鋼箱梁局部應力過大、橋面板承載能力不足的問題，利用三維有限元計算軟件分析施工過程中橋梁的承載力，并探討此類結構的施工優化設計處理方法，為以后同類型施工提供有益參考。

1 工程概況

某鋼結構風雨橋位于廣西境內，橫跨柳江，以極具民族特色的外觀造型，將被打造成為新的城市景觀名片。該主橋上部結構主要包含鋼-混組合梁及橋上五座風雨樓，其中八角亭一座、六角亭兩座、四角歇山亭兩座，各塔樓之間以廊亭相接，塔與廊主體均采用鋼結構骨架，屋面裝飾仿古銅瓦，整體呈現出侗族傳統建筑特色。

主梁設計跨徑為90+130×3+124+96=700 m，是柳州市第一座公軌兩用大橋，橋梁總長1 569 m。主橋上部結構為700 m風雨橋，跨徑布置為96 m+124 m+3×130 m+90 m的等高連續組合鋼箱梁。主梁采用雙向單室組合鋼箱梁，梁高6.5 m，斷面采用槽形布置，包括頂板、腹板、底板以及橫隔板、挑梁、小縱梁，鋼梁橫向包括空腹式橫梁和實腹式橫梁，除支點位置及預應力錨固區采用實腹式橫梁外，其余位置均采用空腹式橫梁。標準空腹式橫梁標準間距為4 m，梁頂附近加密至3.5 m。橋面板采用分塊預制，板間現澆濕接縫連接的方式，橫向分為3塊預制板，共4道縱向現澆縫。預制橋面板厚260 mm，采用C50混凝土。橋梁典型橫斷面圖見圖1。

2 采用大噸位履帶吊的風雨樓主體結構施工方法

風雨樓主體結構的施工采用分塊吊裝方案，在主體結構方管柱下方設置臨時支架，對風雨樓的主體結構進行分塊處理。在橋面設置拼裝區，拼裝區設置拼裝胎架用于零散件的地面拼裝，按照分塊方案進行地面散拼成鋼構件后進行吊裝，從下到上逐層進行安裝。鋼構件主要靠設置行駛于橋面板上方的350 t履帶吊進行吊裝。根據施工方案，履帶吊橫橋向位置不改變，車輛中心線位于橋梁中心線上，履帶吊單次吊裝最大重量為115 t。

3 模型的建立

3.1 計算思路

由于車輛及載重物荷載較大且履帶較窄，橋面板存在局部變形破壞的可能，因此本文考慮了橋面板在荷載作用下抗彎以及抗剪承載能力驗算。根據文獻^［5］的建議，采用雙向板進行驗算。根據橋梁實際受力情況，橋面板跨中最大正彎矩及支承上方負彎矩截面是設計考慮的首選要素，同時考慮支承處最大剪力。

橋面板的局部承載能力驗算通過建立有限元橋面板局部模型來進行，提取特征截面的彎矩與設計規范中計算的鋼筋混凝土梁的截面抗力值進行對比，驗算橋面板在檢算荷載下的承載能力。

鋼箱梁應力局部通過建立在全橋中最為薄弱的梁段模型，施加最不利荷載進行驗算。

3.2 計算工況

根據履帶吊尺寸及性能參數，以及吊裝部件的荷載及履帶吊接地比壓的計算結果，考慮履帶吊起重臂平行于履帶方向吊裝與垂直于履帶吊裝兩種形式。其吊裝最不利工況下荷載形式特征見表1。

根據本橋實際情況，承載能力極限狀態下考慮以下基本組合：

基本組合一：1.0×（1.2恒載+1.4履帶車）。

大跨徑鋼箱梁橋面大噸位吊裝細部分析/王彩艷

3.3 局部模型

為提取橋面板特征截面的局部內力，模型均采用殼單元建立，如圖2所示。模型選取全橋較為薄弱的C2梁段進行驗算，其中橋面板與鋼箱梁的連接在頂板及橫隔板頂板處現澆段固結，履帶與橋面采用面-面接觸進行模擬，通過對截面內力的提取驗算橋面板的承載能力。提取局部內力特征截面如圖3所示。

4 計算結果

4.1 截面內力及鋼箱梁應力計算結果

驗算荷載作用下，橋面板各特征截面的內力計算結果如表2所示。

驗算荷載作用下，鋼箱梁最大應力云圖如圖4所示。其中鋼箱梁最大應力發生在挑梁與腹板結合處，最大應力值為151.2 MPa，偏安全。

4.2 橋面板承載力驗算結果

4.2.1 正截面抗彎計算

首先按矩形截面的適筋板進行計算，取ζ=ζ_b=0.53，結構重要性系數γ₀取1.0，彎矩計算值：

M=γ₀M_ud""" （1）

鋼筋保護層厚度按a_s=a′_s=30 mm取值。

順橋向截面計算高度h₀=h-a_s-?=260-41-22=197 mm，橫橋向截面計算高度h₀=h-a_s=260-41=219 mm截面主筋為HRB400，f_sd=360 MPa，計算得到截面高度x為：

根據文獻^［5］中抗彎承載能力驗算部分公式5.2.4-2的規定及4.1小結的結果，求得每延米寬度范圍內的截面抗力如下。

Ⅰ-Ⅰ及Ⅱ-Ⅱ截面：

Ⅲ-Ⅲ截面：

求得各工況下特征截面的抗彎承載能力驗算結果如表3所示。

4.2.2 正截面抗彎計算

斜截面抗剪計算

文獻^［5］建議，矩形截面的受彎構件當符合下列條件時，可不進行斜截面抗剪承載力的驗算，對不配置箍筋的板式受彎構件，計算值可按1.25倍的乘值提高系數。

γ₀Q_ud≤0.50×10^-3α₂f_tdbh₀×1.25""" （5）

式中：f_td——混凝土抗拉強度設計值（MPa）；

α₂ ——預應力提高系數，對鋼筋混凝土受彎構件，α₂＝1.0。

求得截面抗力如下：

Ⅰ及ⅠⅠ截面：

0.50×10^-3α₂f_tdbh₀×1.25=168.99 kN""" （6）

ⅠⅠⅠ截面：

0.50×10^-3α₂f_tdbh₀×1.25=250.48 kN""" （7）

各工況下橋面板抗剪承載能力的驗算結果如表4所示。

4.3 加固優化方法

當履帶吊車按照第1節所述位置進行吊裝時，橋面板的正截面抗彎承載能力滿足規范要求，但工況1及工況3下Ⅲ-Ⅲ截面的斜截面抗剪承載能力不滿足規范要求，建議對吊裝施工區域內的橋面板進行加固。

在履帶吊車吊裝施工履帶所接觸的橋面板區域（履帶吊車吊裝施工區），鋪設2塊10.00 m×2.00 m×0.20 m（高）的鋼筋混凝土板，鋪設示意圖如圖5所示。混凝土的構造及配筋見圖6，其中橫向及縱向主筋均配置?16的帶肋螺紋鋼筋。在施工時需將履帶幾何位置限制在混凝土板加固范圍內進行施工。

4.4 優化后承載力驗算結果

加固后的局部有限元模型將鋁基板與橋面板采用面-面接觸約束進行模擬，加固后的計算模型見下頁圖7。模型中的邊界條件除荷載施加混凝土板外，其他邊界及荷載保持不變。加固后混凝土橋面板的承載能力計算結果見表5。

5 結語

本文針對大跨徑鋼箱梁橋面大噸位吊裝施工中鋼箱梁局部應力過大、橋面板承載能力不足的問題，提出了基于有限元模型及理論計算相結合的計算方法，并對局部結構進行了優化，結論及建議如下：

（1）在驗算荷載的作用下，鋼箱梁中橫梁與腹板連接處的應力較大。在上述荷載作用下，鋼箱梁局部的最大應力為151.2 MPa，滿足規范要求。

（2）針對橋面板截面抗力不足的問題，提出了一種基于鋁基板的橋面臨時加固措施，并對該方法的可行性進行了分析驗算。

（3）履帶吊大噸位橋面吊裝對橋面板的正截面抗彎承載能力以及斜截面抗剪承載能力均有一定的要求，建議在施工前對上述橋面板的承載能力進行驗算。

參考文獻

［1］吳 霄，馬 骉，蔣彥征，等.柳州市鳳凰嶺大橋主橋設計與施工［J］. 上海公路，2021（3）：63-66，97，155.

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收稿日期：2023-04-09