高速公路鋼箱梁施工全過程鋼箱梁受力分析

摘要：在高速公路施工過程中，鋼箱梁吊裝施工極易出現(xiàn)安全隱患?；诖?，依托長太高速土建04標段線路工程，對吊裝過程中鋼箱梁和吊具主要構(gòu)件的應(yīng)力分布規(guī)律進行監(jiān)測和分析。研究結(jié)果表明：梁應(yīng)力時程曲線對應(yīng)鋼箱梁吊裝施工三個階段。鋼箱梁同時存在拉、壓應(yīng)力，拉應(yīng)力峰值達到121.3MPa，壓應(yīng)力峰值約為104.5MPa，應(yīng)力峰值與理論值較為接近，表明本次吊裝結(jié)構(gòu)工作性能較為正常。吊排拉板應(yīng)力離散性較大，拉應(yīng)力分布區(qū)間約為5～123MPa。吊具縱梁主要承受壓應(yīng)力，基本符合受壓構(gòu)件受力規(guī)律。橫梁亦主要承受壓應(yīng)力，總體應(yīng)力水平較低，約為縱梁受力的1/2。吊具橫梁整體受力均衡性不如縱梁，各監(jiān)測點應(yīng)力差異較為明顯，差異幅值達到了50%。

關(guān)鍵詞：鋼箱梁；高速公路；現(xiàn)場監(jiān)測；應(yīng)力分布

0 引言

鋼箱梁由于其良好的整體性、較高剛度和較強的跨越能力，在大型高速公路建設(shè)中應(yīng)用越來越廣泛。然而，由于其施工難度較高，在施工過程中極易存在安全隱患，為此，許多研究人員進行了一系列研究。

謝朋林等[1]依托寧波舟山港主通道南通航孔橋項目，為保證鋼箱梁的安全架設(shè)，對鋼箱梁架設(shè)關(guān)鍵技術(shù)進行了論述與刨析。蔣永揚等[2]通過ANSYS有限元軟件建立鋼箱梁底板焊接分析模型，分析了不同焊接順序?qū)Φ装搴附有巫兊挠绊?。榮飛亞等[3]開_{epHCw/26Td7wW0sQS0Dd7g==}展疲勞裂紋識別與量化試驗，提出一種基于改進邊緣檢測算法的鋼箱梁疲勞裂紋識別與量化方法。

石學坤等[4]結(jié)合跨京滬高鐵特大橋工程，基于混合算法，建立耐候鋼曲線鋼箱梁跨線頂推施工風險安全評價方法，并通過多種方法進行了驗證。劉躍倉等[5]依托洛陽市王城大道瀍澗立交主線鋼箱梁橋頂推工程，采用數(shù)值模擬手段分析導跨比對頂推結(jié)構(gòu)內(nèi)力及穩(wěn)定性的影響。陳棟亮等[6]依托沾臨高速跨青銀高速建設(shè)橋梁項目，開展現(xiàn)場靜載試驗和有限元數(shù)值模擬，對跨高速鋼箱梁牽拉快速施工過程進行受力分析，并分析鋼箱梁內(nèi)部構(gòu)件損傷問題。

本文依托長太高速土建04標段線路工程，對吊裝過程中鋼箱梁和吊具主要構(gòu)件的應(yīng)力分布規(guī)律進行監(jiān)測和分析，相關(guān)研究成果可為相似工程的施工和設(shè)計提供一定的指導、借鑒意義。

1 工程概況

1.1 工程基本情況

長太高速土建04標段線路工程全長37.988km，與雙嫩高速公路立交處設(shè)置何家互通（樞紐互通）。何家樞紐互通與雙嫩高速交叉角度為64°2′14″。采用左轉(zhuǎn)彎匝道迂回式三岔T型立交方案。本項目上跨雙嫩高速設(shè)置2座橋梁，分別位于B、C匝道，B匝道橋全長107m，C匝道橋全長151m，上跨雙嫩高速公路的鋼混組合梁設(shè)計采用支架施工。

1.2 吊裝總體方案

交通導改封閉雙嫩高速公路西半幅車道，東半幅雙向行駛。B匝道橋和C匝道橋中央分隔帶內(nèi)墩柱及路基外側(cè)墩柱臨時支墩搭設(shè)時，采用2臺160墩起重機進行吊裝。先吊裝何家互通B匝道橋西側(cè)鋼箱梁，吊裝完成后進行鋼箱梁焊接作業(yè)。同時吊裝何家互通C匝道橋西側(cè)鋼箱梁，鋼箱梁吊裝完成后，B匝道橋和C匝道橋同時進行焊接作業(yè)。焊接完成后打磨焊縫進行焊接檢測，檢測合格后開始涂層噴刷，最后進行附屬排水管道安裝。

1.3 鋼箱梁主要參數(shù)

鋼箱梁頂板為正交異形板，除中墩和次邊墩墩頂頂板厚度為20mm外，其余位置處板厚均為18mm，肋腳區(qū)域和平直段厚度為16mm。頂板和板肋均為Q420qD材質(zhì)。底板和腹板的板厚分別為22mm和18mm。對中墩墩頂和次邊墩墩頂位置處的腹板和底板進行了局部加厚，不同厚度板連接采用中心對齊方式。

2 吊裝過程監(jiān)測分析

根據(jù)項目特點并考慮到現(xiàn)有的監(jiān)測條件，對鋼箱梁吊裝過程中的靜態(tài)應(yīng)力進行監(jiān)測和分析，以期對現(xiàn)有工程提供指導。

2.1 監(jiān)測儀器

數(shù)碼靜態(tài)應(yīng)變傳感器設(shè)有可伸縮的測頭和固定微動測頭，兩者通過磁鐵相互吸引，使得傳感器可以實現(xiàn)共同變形，圖1為該數(shù)碼靜態(tài)應(yīng)變傳感器實物圖。

基于慣性原理的數(shù)碼傾角傳感器包含16位的單片機，可以對電壓變化信號進行采集，然后通過非線性編碼，實現(xiàn)傾角數(shù)字量的輸出，傳感器測試精度為0.005°。數(shù)碼傾角傳感器實物如圖2所示。

加速度傳感器內(nèi)置微處理器，通過一系列算法能夠?qū)崿F(xiàn)實時運動姿態(tài)參數(shù)的快速求解。同時，采用數(shù)字濾波技術(shù)，以降低測量噪聲，并使其測量精度達到了0.01g。加速度傳感器實物如圖3所示。

本次監(jiān)測的重點為鋼箱梁和吊具，主要對構(gòu)件總體應(yīng)力進行監(jiān)測，對構(gòu)件應(yīng)力分布情況與應(yīng)力規(guī)律進行分析，并對比實測值與理論值的偏差。

2.2 鋼箱梁應(yīng)力分析

本次吊裝共分為3個階段：第1階段為鋼箱梁耳板和吊具拉板的連接，第2階段為逐級加載提升階段，第3階段為平穩(wěn)提升階段。

分配梁應(yīng)力時程曲線如圖4所示。從圖4中可以看出，分配梁應(yīng)力時程曲線基本對應(yīng)了3個階段。第1階段中，梁應(yīng)力較小，無明顯的應(yīng)力提升，各監(jiān)測點應(yīng)力均保持在30MPa以內(nèi)。

第2階段中，梁逐步提升，應(yīng)力持續(xù)增加，應(yīng)力增加速率為線性。在該過程中，各監(jiān)測點間應(yīng)力差距逐漸加大，存在較為明顯的拉壓應(yīng)力，但數(shù)值方面差異并不明顯，表明在鋼箱梁吊裝過程中受力總體均衡性較佳。

第3階段中，梁平穩(wěn)上升，由于保持勻速，且吊裝當天風速較低，受風荷載影響較小，因此該階段中，梁各監(jiān)測點應(yīng)力保持在穩(wěn)定狀態(tài)，曲線未出現(xiàn)明顯的波動。

在應(yīng)力數(shù)值方面，鋼箱梁同時存在拉、壓應(yīng)力，拉應(yīng)力峰值達到121.3MPa，壓應(yīng)力峰值約為104.5MPa，應(yīng)力峰值與理論值較為接近，表明本次吊裝結(jié)構(gòu)工作性能較為正常，應(yīng)力保持在安全范圍內(nèi)。

2.3 吊具應(yīng)力分析

2.3.1 同一位置不同吊裝次序吊排拉板應(yīng)力

圖5展示了同一位置不同吊裝次序吊排拉板應(yīng)力實測值。從圖5中可以看出，吊排拉板應(yīng)力離散性較大，拉應(yīng)力分布區(qū)間約為5～123MPa，但仍有較高的安全儲備。

實測數(shù)據(jù)表明，個別拉板存在壓應(yīng)力，因此該吊排拉板并不是純拉構(gòu)件。吊排受力不均勻可能是由于吊具吊排與鋼箱梁吊耳未對中，使其在吊裝過程中產(chǎn)生了彎矩作用，同時，存在一定的安裝偏差，進一步加大了該彎矩作用，因此，在實際施工過程中，應(yīng)對這種現(xiàn)象引起注意，并采取必要的改善措施。

2.3.2 縱梁和橫梁吊裝過程中的應(yīng)力

圖6展示了縱梁和橫梁吊裝過程中的應(yīng)力時程曲線。圖6a為縱梁在吊裝過程中的應(yīng)力時程曲線，圖6b為橫梁在吊裝過程中的應(yīng)力時程曲線。

從圖6a中可以看出，在鋼箱梁吊裝過程中，吊具縱梁主要承受了壓應(yīng)力，壓應(yīng)力峰值為59.4MPa，理論參考值為60.5MPa，基本符合受壓構(gòu)件受力規(guī)律?？v梁應(yīng)力時程曲線基本上對應(yīng)了吊裝的3個階段，即在第1階段中，實現(xiàn)構(gòu)件的連接，因此該階段應(yīng)力較小，且無明顯波動。在第2階段中，實現(xiàn)鋼箱梁吊裝的逐級加載起吊，縱梁應(yīng)力線性持續(xù)增加。在第3階段中，鋼箱梁穩(wěn)步勻速吊裝，應(yīng)力波動較小，達到應(yīng)力穩(wěn)定階段。各監(jiān)測點相比，應(yīng)力時程曲線變化規(guī)律基本一致，主要差異為數(shù)值差異，但差異幅度較小，整體表現(xiàn)出了吊具縱梁的受力均衡性。

從圖6b中可以看出，在鋼箱梁吊裝過程中，吊具橫梁亦主要承受壓應(yīng)力，壓應(yīng)力峰值約為29.4MPa，總體應(yīng)力水平較低，約為縱梁受力的1/2。橫梁應(yīng)力時程曲線亦大致呈現(xiàn)出上述3個階段，但不如縱梁表現(xiàn)明顯。相比之下，吊具橫梁整體受力均衡性不如縱梁，各監(jiān)測點應(yīng)力差異較為明顯，最大應(yīng)力峰值為29.4MPa，最小應(yīng)力峰值為13.6MPa，差異幅值達到了50%。

3 結(jié)束語

本文依托長太高速土建04標段線路工程，在鋼箱梁吊裝施工過程中開展了現(xiàn)場監(jiān)測，對吊裝過程中鋼箱梁和吊具主要構(gòu)件的應(yīng)力分布規(guī)律進行了監(jiān)測和分析。得出主要結(jié)論如下：

梁應(yīng)力時程曲線對應(yīng)了鋼箱梁吊裝施工3個階段，第1階段梁應(yīng)力較小，各監(jiān)測點應(yīng)力均保持在30MPa以內(nèi)。第2階段應(yīng)力持續(xù)增加，應(yīng)力增加速率為線性。第3階段梁平穩(wěn)上升，各監(jiān)測點應(yīng)力保持在穩(wěn)定狀態(tài)，曲線未出現(xiàn)明顯的波動。

吊排拉板應(yīng)力離散性較大，拉應(yīng)力分布區(qū)間約為5～123MPa，存在較高的安全儲備。個別拉板存在壓應(yīng)力，吊排拉板并非純拉構(gòu)件。

吊具縱梁主要承受壓應(yīng)力，壓應(yīng)力峰值為59.4MPa，理論參考值為60.5MPa，基本符合受壓構(gòu)件受力規(guī)律。各監(jiān)測點相比，應(yīng)力時程曲線變化規(guī)律基本一致，主要差異為數(shù)值差異，但差異幅度較小，整體表現(xiàn)出吊具縱梁的受力均衡性較好。

橫梁亦主要承受壓應(yīng)力，壓應(yīng)力峰值約為29.4MPa，總體應(yīng)力水平較低，約為縱梁受力的1/2。吊具橫梁整體受力均衡性不如縱梁，各監(jiān)測點應(yīng)力差異較為明顯，最大應(yīng)力峰值為29.4MPa，最小應(yīng)力峰值為13.6MPa，差異幅值達到了50%。

參考文獻

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