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異形鋼結(jié)構(gòu)景觀橋施工過程數(shù)值分析及控制

2016-06-04 11:11:42 安裝信息網(wǎng)

徐志強(qiáng)

（天津生態(tài)城投資開發(fā)有限公司，天津300459）

[摘要]天津生態(tài)城運(yùn)河故道橋梁工程“飄帶”外形輕盈、通透。施工前，通過采用有限元軟件建立橋梁結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐體系組成的有限元模型，對(duì)鋼箱梁整個(gè)安裝過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到各施工步驟下橋梁主要部位的受力和變形情況，判定施工方案的可行性和合理性；施工過程中，通過施工監(jiān)測實(shí)時(shí)控制，確保了異形結(jié)構(gòu)鋼橋安全、順利施工。

[關(guān)鍵詞]安裝；鋼結(jié)構(gòu)；橋梁；鋼箱梁；拱結(jié)構(gòu)；數(shù)值模擬；監(jiān)測

[中圖分類號(hào)]TU758 [文章編號(hào)]1002-8498(2016)09-0021-04

1 工程概況

該工程位于天津生態(tài)城03片區(qū)與04片區(qū)之間，工程全長959. 47m，雙向四車道，是連接生態(tài)城南部片區(qū)、生態(tài)島片區(qū)和北部、東北部片區(qū)的主要交通要道。其中主橋長270m，跨徑布置為35m+50m x4 +35m．“飄帶”外觀造型輕盈美觀（見圖1）。其中上層飄帶由主梁行車道和人行道的懸臂組成，在水平方向不變化；下層飄帶由拱形支撐結(jié)構(gòu)兩側(cè)的翼結(jié)構(gòu)組成，它隨著拱的延伸而不斷改變高度、長度和角度，形成起伏飄動(dòng)的姿態(tài)。

主橋鋼箱梁為單箱雙室截面，橋面寬度14m，雙向4車道；結(jié)合景觀方面考慮，上箱梁（主梁）順橋向?yàn)樽兘孛妫渲械装灞３謾M向水平，頂板設(shè)置1.5%的橫坡，中心線處的高度為1.11m；下箱梁（主拱）標(biāo)準(zhǔn)段為等截面鋼箱梁，頂、底板水平布置，梁高1.115m，順橋向?yàn)椴灰?guī)則曲線；主梁和主拱在跨中范圍合為梁拱結(jié)合段（見圖2）。

2 梁體節(jié)段劃分及支架體系方案

為實(shí)現(xiàn)橋梁整體景觀效果，梁體采用不規(guī)則曲線，且在跨中處與主拱合為梁拱結(jié)合段。為滿足運(yùn)輸和現(xiàn)場安裝要求，梁段需分段制作、安裝。

2.1 梁體節(jié)段劃分

主橋上部結(jié)構(gòu)由5個(gè)相似造型的主拱及主梁組成，梁頂板、底板及腹板板厚呈16~35mm交替變化。綜合設(shè)計(jì)、運(yùn)輸及吊裝要求，單幅橋主梁共劃分22個(gè)制造梁段，主拱共劃分25個(gè)制造梁段，其中主拱有10個(gè)節(jié)段與主梁連接在一起制作，吊裝節(jié)段共37個(gè)。為了保證如此多的節(jié)段制作完成運(yùn)輸至現(xiàn)場安裝后全橋線形符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過多方案比選，最終采用“多節(jié)段匹配制作、立體預(yù)拼裝”的施工工藝進(jìn)行全橋梁段制作，梁體節(jié)段劃分如圖3所示。

2.2 橋梁現(xiàn)場安裝支架體系方案

1)主拱、主梁下支架采用鋼管格構(gòu)型鋼組合支架，每組支架為4根ɸ600×12鋼管，組成格構(gòu)支架；格構(gòu)立柱之間用[ 16作為水平支撐和剪刀撐連接，共同支撐上部鋼箱梁的質(zhì)量；在支架立柱鋼管頂部設(shè)置2132橫梁，作為鋼箱梁的小立柱支撐擱置點(diǎn)；橫梁同時(shí)也是連接立柱成為整體的主要構(gòu)件，如圖4所示。

2)小立柱支架設(shè)置主要是為了調(diào)節(jié)主立柱支架的高度，同時(shí)也便于總支架的拆除，一般高度控制在0.2~0. 35m。

3)挑梁下支架橫橋向一側(cè)通過在主梁上設(shè)置牛腿支撐，另一側(cè)在梁段環(huán)縫兩側(cè)搭設(shè)碗扣式腳手架作為支撐體系（見圖5）。

3 施工過程仿真分析

施工前，采用有限元軟件建立橋梁結(jié)構(gòu)和臨時(shí)支撐體系組成的有限元模型，對(duì)橋梁現(xiàn)場施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到各施工步驟橋梁主要部位的受力和變形情況，以及臨時(shí)支撐的軸力，判定橋梁安裝及臨時(shí)支撐卸載施工方案的可行性和合理性，根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果提出合理的施工建議；施工過程中，通過施工監(jiān)測實(shí)時(shí)控制。

3.1 梁段受力與變形數(shù)值模擬

1)判斷鋼箱梁梁段吊點(diǎn)位置是否合理，計(jì)算吊裝過程中梁段的應(yīng)力與變形。

2)計(jì)算鋼箱梁安裝過程中的應(yīng)力與變形，以及鋼箱梁在支撐位置處的局部應(yīng)力。

3)計(jì)算鋼箱梁卸載過程中的應(yīng)力與變形。

3.2 臨時(shí)支撐體系受力與變形數(shù)值模擬

計(jì)算主橋鋼箱梁在安裝、支架拆除過程中I臨時(shí)支撐體系各組成部分的強(qiáng)度、穩(wěn)定性與變形。

4梁段吊裝仿真分析

鋼箱梁吊點(diǎn)橫向一般在箱梁內(nèi)部有支撐位置（即橫隔板位置），縱向?yàn)楣?jié)段的腹板位置的1／3處，吊點(diǎn)在長度、寬度方向盡量保證對(duì)稱，還要考慮起重機(jī)的起吊能力、起吊高度等因素的影響，綜合以上因素后確定的縱橫向交點(diǎn)即為吊點(diǎn)位置。

根據(jù)梁體特點(diǎn)，分為主拱、主梁、梁拱結(jié)合段、挑梁4種情況進(jìn)行仿真分析，按最不利原則，選取長度最長的梁段進(jìn)行吊裝數(shù)值模擬。模擬結(jié)果如表1所示。

5 安裝過程數(shù)值模擬

梁段橋位安裝施工流程為：先施工7～9號(hào)墩處梁段，然后施工5，6，10，11號(hào)墩處梁段。順橋向按照“主拱一拱梁結(jié)合段一主梁”的施工順序，中間3跨施工完成后進(jìn)行邊跨施工；最后從中墩向邊墩依次、對(duì)稱安裝挑梁。

考慮到施工過程中各跨之間無相互影響，且各跨跨度和結(jié)構(gòu)自重基本相同，故選取中跨橋段建立有限元模型模擬各施工安裝步驟。

5.1 有限元計(jì)算模型建立

采用ANSYS有限元軟件對(duì)施工模型進(jìn)行簡化并建立有限元模型。主梁與主拱箱梁的上下翼緣、腹板和橫隔板采用she1163單元模擬，加勁肋采用beam188單元模擬，支撐柱采用beam188單元模擬。所有支撐柱對(duì)橋僅提供豎向約束，支撐點(diǎn)設(shè)置在箱梁縱、橫加勁肋相交處。

5.2 安裝過程數(shù)值模擬

根據(jù)現(xiàn)場擬采用的施工方案，各節(jié)段梁架設(shè)在支撐體系上進(jìn)行焊接，安裝挑梁和飄帶以及拆除支撐過程按整體結(jié)構(gòu)計(jì)算。施工步驟及分析結(jié)果如下。

1)架設(shè)8號(hào)墩處20號(hào)梁段（主拱） 20號(hào)節(jié)段自重較大，支承在小立柱上時(shí)橫隔板產(chǎn)生局部應(yīng)力，最大值為19. 4MPa，跨中最大變形為0.2mm。

2)架設(shè)8號(hào)墩兩側(cè)19，21號(hào)梁段（主拱） 19號(hào)節(jié)段簡支狀態(tài)下最大應(yīng)力為10. 6MPa，跨中最大變形0. 2mm。

3)架設(shè)8號(hào)墩兩側(cè)16，22號(hào)梁段（梁拱結(jié)合段） 16號(hào)節(jié)段支承在小立柱上處于簡支狀態(tài)時(shí)，在連接主梁與主拱的腹板處出現(xiàn)應(yīng)力集中，實(shí)際工程中腹板該處設(shè)置了倒角，可有效減小應(yīng)力集中。小立柱支撐點(diǎn)處最大應(yīng)力為32. 6MPa，節(jié)段最大變形為1. 1mm。

4)架設(shè)8號(hào)墩處18號(hào)梁段（主梁） 18號(hào)節(jié)段簡支狀態(tài)下，最大應(yīng)力為25. 4MPa，節(jié)段跨中支撐點(diǎn)處橫隔板最大應(yīng)力為20. 8MPa；節(jié)段最大變形為0. 4mm。18號(hào)節(jié)段架設(shè)完成后，其支承柱連接的主拱上頂板出現(xiàn)應(yīng)力集中，局部最大變形為0. 5mm．最大應(yīng)力為49. 0MPa。

5)架設(shè)8號(hào)墩處17號(hào)梁段（主梁，合龍段）17號(hào)節(jié)段在簡支狀態(tài)下最大應(yīng)力為28. 9MPa，位于左端牛腿支承點(diǎn)處，右端小立柱支承點(diǎn)處應(yīng)力較小。節(jié)段最大變形為0. 4mm。17號(hào)節(jié)段架設(shè)完成后，與其右端支撐柱相連的箱梁翼緣處出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為29. 7MPa，最大變形為0.3mm。

6)架設(shè)D類挑梁（自重33. 0t，長17. 6m） 6點(diǎn)支撐時(shí)，D類挑梁最大應(yīng)力為39. 0MPa，最大變形為6. 5mm。

6 臨時(shí)支撐卸載過程仿真分析

6.1 臨時(shí)支撐拆除順序

1)從中墩向邊墩依次對(duì)稱拆除挑梁下的臨時(shí)支撐。

2)從中墩向邊墩依次對(duì)稱拆除主梁與主拱之間的臨時(shí)支撐（8號(hào)墩→7號(hào)墩（9號(hào)墩）→6號(hào)墩（10號(hào)墩））。

3)從中跨向邊跨依次對(duì)稱拆除梁體與地面的臨時(shí)支撐（7~8號(hào)墩（8~9號(hào)墩）→6～7號(hào)墩(9~10號(hào)墩) →5～6號(hào)墩（10~11號(hào)墩））。

6.2有限元計(jì)算模型建立

建立臨時(shí)支撐卸載模型。主拱、主梁、挑梁及橫隔采用she1163單元，部分加勁肋采用beam188單元。

橋墩處約束三向平動(dòng)自由度（x，y，z向）。臨時(shí)支撐軸向剛度650 000kN/m，偏安全未考慮其彈性，耦合主梁與主拱間臨時(shí)支撐處豎向自由度（z向）。主拱下臨時(shí)支撐約束豎向自由度（z向），計(jì)算模型施加自重荷載、端部壓重及飄帶荷載。

6.3 臨時(shí)支撐卸載過程仿真分析

6. 3.1 拆除全跨挑梁下臨時(shí)支撐

拆除全跨橋梁其他挑梁下臨時(shí)支撐，最大變形出現(xiàn)在挑梁邊，為2. 7mm，撓度與跨度比值約為1／5 700。結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為79. 3MPa，出現(xiàn)在6號(hào)墩跨加勁肋處，實(shí)際工程中對(duì)腹板進(jìn)行倒角處理可減小該集中應(yīng)力。

6.3.2拆除主梁與主拱之間的臨時(shí)支撐

拆除主梁與主拱之間的臨時(shí)支撐，結(jié)構(gòu)豎向最大變形為16. 4mm，撓度與跨度之比約為1/2 500。結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為157. 6MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在8號(hào)跨梁拱結(jié)合段加勁肋處，實(shí)際工程中對(duì)腹板進(jìn)行倒角處理可減小該處集中應(yīng)力。

6.3.3拆除梁體與地面之間臨時(shí)支撐

拆除梁體與地面之間的臨時(shí)支撐，結(jié)構(gòu)豎向變形最大值為33. 7mm，撓度與跨度之比約為111 300。結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為230. 1MPa，產(chǎn)生于梁拱結(jié)合段腹板處，實(shí)際工程中對(duì)腹板進(jìn)行倒角處理可減小該處集中應(yīng)力，此時(shí)所有臨時(shí)支撐已拆除，結(jié)構(gòu)支墩及梁拱結(jié)合段應(yīng)力較大。支墩邊緣處應(yīng)力約為102. 2MPa，梁拱結(jié)合段應(yīng)力約為51. 1MPa。

7 施工過程橋梁監(jiān)測

為了對(duì)成橋目標(biāo)進(jìn)行有效控制，修正在施工過程中各種影響成橋目標(biāo)的參數(shù)誤差對(duì)成橋目標(biāo)的影響，確保成橋后主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線形滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)工程主梁標(biāo)高、主梁截面應(yīng)力、墩柱變位、溫度等內(nèi)容進(jìn)行施工監(jiān)測。

7.1橋梁應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果

施工過程中，按照擬定臨時(shí)支撐拆除方案進(jìn)行施工，對(duì)每種卸載工況進(jìn)行監(jiān)測，并將監(jiān)測結(jié)果與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，卸載全部完成后對(duì)比數(shù)據(jù)如表2所示（8～9號(hào)墩），從表中可以看出，實(shí)測值（絕對(duì)值）<監(jiān)控值（絕對(duì)值），主要是因?yàn)閷?shí)際工程中對(duì)腹板進(jìn)行倒角處理可減小該處集中應(yīng)力。

7.2成橋荷載試驗(yàn)

橋梁施工完成后，按照設(shè)計(jì)及規(guī)范要求進(jìn)行荷載試驗(yàn)，結(jié)論如下。

1)試驗(yàn)荷載作用下，各控制截面測點(diǎn)處的撓度均小于理論計(jì)算值，撓度校驗(yàn)系數(shù)介于0. 49~0. 70，均≤1；相對(duì)殘余變形介于0.37%~13. 90%，均≤20%，滿足規(guī)范要求。