60 m 鋼板組合梁橋鋼梁施工穩定性分析

楊智敏，荊偉偉，嚴水龍，劉旭政

（1.嘉興市卓越交通建設檢測有限公司，浙江 嘉興 314001；2.嘉善縣交通運輸局，浙江 嘉興 314100；3.華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌 330013）

0 引言

近年來，隨著鋼鐵產能的提高和鋼結構橋梁建設技術的發展，我國已經具備了推廣鋼結構橋梁的物質基礎和技術條件。2016 年7 月，交通運輸部發布了《關于推進公路鋼結構橋梁建設的指導意見》，此后國內各地公路橋梁迎來鋼結構橋梁建設浪潮。2011 年，安徽省開始對鋼板組合梁橋開展了系統研究，已完成了多套上部結構通用圖設計，并于2013年在安徽濟祁高速淮河橋長引橋中首先采用了這一結構形式。2018 年12 月，浙江省交通規劃設計研究院有限公司編制完成了《鋼板組合梁橋通用圖》，適用于跨徑為35 m 和45 m 的雙向四車道和雙向六車道公路的上部結構。2020 年，安徽省制定頒布了地方標準《雙主梁鋼板組合梁橋設計與施工指南》。2020 年，浙江省制定頒布了地方標準《公路鋼板混凝土組合梁橋設計規范》。2022 年4 月頒布實行的《裝配化工字組合梁鋼橋通用圖》中推薦40～60 m 跨徑鋼橋宜優先選用工字組合梁結構。隨著鋼板組合梁標準圖及規范的編制[1-3]，可以預見，國內各地鋼板組合梁橋結構體系將得到大范圍的推廣和應用。

然而，由于目前建成的鋼板組合梁橋數量有限，國內對于鋼板組合梁橋的研究多集中在受力分析、結構體系、構造設計方面[4-5]，建設各方對這一新型橋梁結構在施工過程中存在的問題及風險認識不足，大跨度鋼梁在施工階段下的長懸臂狀態及吊裝過程中受外部荷載或者環境影響存在發生整體失穩和局部屈曲的風險[6-7]。本文以60 m 鋼板組合梁橋為研究對象，分析了在鋼橋吊裝階段承受的各種不利荷載，計算了不同設計參數下的鋼梁穩定性，研究結果可為大跨徑鋼板梁橋的設計及施工提供有益參考。

1 設計參數的選取與模型的建立

鋼板組合梁橋施工過程中幾何參數、施工邊界、施工順序及方法等均為不確定性因素[8]。為使本研究結果具有廣泛指導意義，首先對幾套通用圖紙幾何信息及施工方法進行調研，并據此確立研究參數。其次，基于有限元分析軟件，采用穩定性分析手段分析各工況下受力響應變化規律，并給出有效施工建議。

1.1 設計參數的選取

鋼梁的幾何參數對結構受力特性影響較大，建立合理的幾何參數工況，可有效提高分析效率，并使分析結果具有廣泛性。為此，本文匯總了交通部標準圖紙中30～60 m 跨徑鋼板連續梁橋的鋼梁參數信息，詳見表1。

表1 鋼板梁幾何參數匯總

從表1 可以看出，60 m 跨徑鋼板梁梁高為3 m，高跨比為0.05，在30～60 m 跨徑中更易出現整體失穩。底板寬度為800 m，厚度為40～50 mm，翼板寬厚比較大，更易出現局部屈曲。因此，本文選用60 m 跨徑鋼板梁為研究對象分析計算其施工階段的整體及局部穩定性。

基本計算參數選用交通部3×60 m 雙向四車道工字組合連續梁橋，設計荷載為公路-I 級。橋梁全寬為26 m，分離式橋面布置，單幅橋面寬度為12.75 m。采用三片鋼主梁，單片鋼主梁梁高3 m，鋼主梁中心距5.1 m，上翼緣寬0.6 m，下翼緣寬0.7 m。在墩、臺頂和跨中位置設置實腹式橫向聯結，跨間其他位置采用K 形桁架式橫向聯結。主梁標準截面如圖1 所示。鋼主梁采用工廠分節段預制，節段間采用高強度螺栓工地現場連接。橋面板為預制鋼筋混凝土結構，后澆混凝土濕接縫。

圖1 主梁標準截面圖（單位：cm）

1.2 分析工況確定

交通部標準圖中明確了上部結構的架設安裝主要考慮3 種方案：（1）對于橋跨數較多的主線橋梁，推薦采用架橋機施工方案。（2）對于跨河、跨谷和橋墩較高的主線橋梁，可采用在一岸進行主梁組拼，然后頂推就位的施工方案。若跨徑較大，可根據需要設置臨時墩支撐；其余地形條件可采用支架法施工方案。（3）對于支架架設方案，采用如下施工步驟：a. 拼接第1 跨主梁，若現場起吊能力較強，可考慮半幅橋整孔吊裝架設。若現場起吊能力有限，可分片架設，并及時安裝橫向聯結系。為防止第一片鋼梁架設完成后的側翻，應對鋼梁進行橫向臨時支撐。b. 在1號墩頂節段的接頭處設置臨時支架，將拼接好的第2跨主梁吊裝就位，并在臨時支架上完成與第1 跨主梁的拼接。c. 在2號墩頂節段的接頭處設置臨時支架，將拼接好的第3 跨主梁吊裝就位，并在臨時支架上完成與第2 跨主梁的拼接。至此，完成鋼主梁的架設。

目前交通部標準圖中推薦主梁節段長度不宜超過12 m，但在實際施工時，臨時支架位置受橋下交通或地質條件限制，節段長度將會增加。此外，從施工便利和成本上考慮，節段長度越大越有利。因此，本文選取分析參數時，簡支吊裝計算跨徑選為20～45 m，以每5 m 一個工況；梁高取高跨比1/15、1/17 和1/20；橫梁間距取5 m、7.5 m 和10 m。通過擴大參數分析，探討簡支吊裝施工方法下，不同幾何參數和施工因素對受力響應的影響規律。

1.3 有限元模型的建立

采用ABAQUS 建立吊裝過程有限元模型。由于本文研究分析關注于橋面板與鋼梁形成整體共同受力之前的整個施工過程，研究對象集中在鋼梁的受力特性分析，故僅需定義鋼的材料屬性。鋼梁采用Q355C 鋼材，彈性模量E =2.0×105MPa，屈服應力fy=295 MPa。鋼主梁采用S4R 四節點薄殼單元進行模擬，梁端約束定義與實際布置的支座形式相同。根據實際施工階段，采用軟件中MODEL CHANGE 模塊來實現對單元的“激活”與“鈍化”，以此實現施工過程鋼梁的拼裝，并對每一施工階段的鋼梁施加邊界和荷載，建立了全橋施工過程有限元模型。施工階段有限元模型如圖2 所示。

圖2 施工階段有限元模型

結構穩定性分析通常包括特征值屈曲分析和后屈曲分析（非線性）[9]。鋼梁施工階段的應力均處于彈性屈曲范圍內，因此本文采用第一類特征值屈曲分析來進行鋼梁穩定性評估。特征值屈曲計算出的穩定系數λ 定義如式（1）所示：

式中，Pcr是相應的屈曲載荷；λ 是特征值；Pref是初始施加的參考荷載，本文將鋼梁自重作為初始參考荷載。

2 計算結構分析

2.1 不同吊裝節段長度

分析不同節段長度下單梁架設穩定性，跨徑選取20～45 m，通過屈曲分析得到不同跨徑下的失穩模態和穩定系數（見表2）。屈曲模態如圖3 所示。

圖3 不同節段長度單梁失穩模態

表2 不同節段長度單梁特征屈曲計算結果

當單梁跨徑較小時，其穩定性較好。其中，在20 m和25 m 跨徑下，鋼梁呈現整體失穩且伴隨翼緣板屈曲，穩定系數分別為38.853 和20.772。此時鋼梁能承受的極限荷載較大，直到頂板發生屈曲時才達到整體側向失穩狀態，具有較高的穩定性。當單梁跨徑超過30 m 后，發生整體側向失穩時不再伴隨有翼緣板屈曲現象，其能承受的極限荷載降低，跨徑每增大5 m，穩定性降低40%左右。當跨徑達到45 m 時，穩定系數僅為2.852。此時還未考慮鋼梁初始缺陷和其他荷載的影響，采用45 m 節段架設鋼梁穩定性較差。當單梁為40 m 跨徑時，穩定系數為4.467，處于規范限值臨界狀態。

2.2 不同鋼梁高度

選取高跨比1/15、1/17、1/20，即梁高分別為4 m、3.5 m 和3 m，其中3 m 為交通部通用圖中的設計梁高。在鋼板組合梁橋的架設過程中，單梁階段為最不利施工階段。此時各橫向聯系未完成拼接，主梁的約束較少，處于相對不穩定狀態。以單梁狀態為基礎，在不調整板厚、翼緣寬度等參數下分析不同梁高單梁的穩定性。經計算分析，不同工況下鋼梁均呈現整體側向失穩。不同梁高、不同跨徑下主梁穩定系數匯總見表3。

表3 不同參數下穩定系數

由表3 結果可知，相同節段跨徑下，隨著梁高的增大，穩定系數逐漸降低。在梁高3 m 時，跨徑達到40 m 時，穩定系數為4.467，符合規范限值要求。梁高3.5 m 工況下，在跨徑達到40 m 時，穩定系數為3.950，但此時鋼梁為理想狀態。若考慮初始缺陷和風荷載等影響，穩定系數繼續降低，結構穩定性較差。節段跨徑達到40 m 時，應密切關注鋼梁單梁施工階段的穩定性，保證結構施工安全。

2.3 不同橫梁間距受力分析

選取橫梁間距為5 m、7.5 m、10 m 和15 m 建立ABAQUS 有限元模型，以架設完第1 跨為例分析不同橫梁間距下結構的穩定性，得到不同橫梁間距對應的一階失穩模態，如圖4 所示。

圖4 不同橫梁間距多梁失穩模態

由圖4 可以看出，隨著橫梁間距減小，結構的一階失穩模態由側向彎扭失穩轉變為翼緣板、腹板局部屈曲。將各工況下穩定系數整理見表4。

表4 不同橫梁間距特征屈曲計算結果

由表4 可知，橫梁間距15 m 時，結構穩定系數為6.334，屈曲模態表現為側向彎扭失穩，結構穩定性較差，在實際工程中應避免一階模態為整體失穩。當橫梁間距縮短到10 m 后，結構穩定系數達到10.767，一階屈曲模態由側向彎扭失穩轉變為翼緣板和腹板的局部屈曲。此時繼續縮短橫梁間距，結構的安全系數和屈曲模態均變化較小。可見，當橫梁間距縮短到10 m 后，主梁的側向位移受到橫梁約束，不再呈現彎扭失穩模態，屈曲模態表現為局部失穩。繼續縮短橫梁間距對穩定性影響不大，說明此時結構的穩定性主要由加勁肋的間距進行控制，橫梁的約束對翼緣板和腹板的局部屈曲影響較小。交通部通用圖中設計橫梁間距為5 m，可保證鋼梁整體穩定。

3 結論

本文對60 m 跨徑鋼板組合梁橋吊裝施工過程穩定性進行分析，得到如下主要結論：

（1）隨著鋼梁節段跨徑增大，單梁穩定性降低，單梁節段跨徑每增大5 m，穩定性能降低約40%，節段跨徑為40 m 時其穩定系數為4.467，處于規范限值臨界狀態。

（2）相同跨徑下，穩定系數隨著梁高增大而降低。節段跨徑達到40 m 時，鋼梁穩定系數較低，應密切關注鋼梁單梁施工階段的穩定性，保證結構施工安全。

（3）橫梁間距過大易導致鋼梁發生側向彎扭失穩。此時縮短橫梁間距可以提高結構穩定性。橫梁間距縮短到10 m 后，失穩模態轉變為局部失穩，結構穩定性主要由其自身構造控制，繼續縮短橫梁間距對穩定性影響較小。