蘇慶田李 偉 李 丹

（同濟大學橋梁工程系，上海200092）

大跨度鋼箱梁整體吊裝過程力學性能分析

蘇慶田*李 偉 李 丹

（同濟大學橋梁工程系，上海200092）

浙江省溫州市甌江大橋主橋為三孔一聯(lián)的鋼與混凝土混合梁剛構(gòu)橋，橋跨布置為84 m＋200 m＋84 m，中跨跨中80 m范圍采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)，鋼箱梁重約660 t。該橋的大跨度、大噸位鋼箱梁施工采用了整體吊裝的方法，這種鋼箱梁施工方法的工程實例較少，施工方法的成熟度較低。結(jié)合甌江大橋工程，通過有限元計算對鋼箱梁整體吊裝過程中的各個工況做了詳細的力學性能分析和研究，從力學的角度提出吊裝施工工藝的合理建議，對今后此類鋼箱梁的整體吊裝施工具有較大的參考價值。

混合梁，剛構(gòu)橋，鋼箱梁，整體吊裝，力學性能

1 引 言

目前，混合梁結(jié)構(gòu)主要應用于斜拉橋和自錨式懸索橋這兩種橋型［1］，而在連續(xù)剛構(gòu)橋，甚至于連續(xù)梁橋中的應用都較為少見。混合梁剛構(gòu)橋是為了顯著降低結(jié)構(gòu)自重，大幅提高橋梁跨越能力［2］，把混凝土箱梁設(shè)置在邊跨及中跨靠近主墩附近，把鋼箱梁設(shè)置在中跨的跨中位置，得到的一種新型的橋梁結(jié)構(gòu)形式。對于此類橋型的施工而言，中跨跨中較大跨徑和噸位的鋼箱梁整體吊裝成為了一個不可避免的難題。根據(jù)目前常用的橋梁吊裝設(shè)備，能夠用于鋼混連續(xù)剛構(gòu)橋中跨鋼箱梁整體吊裝的設(shè)備主要是橋面吊機，這種設(shè)備在國內(nèi)斜拉橋中已經(jīng)得到了廣泛的使用，目前已經(jīng)有吊裝450 t梁段的經(jīng)驗。對于像鋼混連續(xù)剛構(gòu)橋中吊裝鋼箱梁的吊機，由于其吊裝重量和長度比斜拉橋大，目前只有重慶石板坡長江大橋復線橋［3］曾使用過，其吊裝鋼箱梁長103 m，總重1 590.11 t?？梢?，對于此類大跨度、大噸位的鋼箱梁整體吊裝，其自重大，吊裝難度也大，整體吊裝過程中質(zhì)量和安全控制的好壞直接關(guān)系到橋梁的后期施工，因此很有必要對此類鋼箱梁在吊裝過程中各種正常和極端工況下的力學性能進行分析和研究。

本文以浙江溫州市甌江大橋為背景展開，其鋼箱梁段長75.6 m，重量約850 t（考慮動力系數(shù)），通過有限元模型對甌江大橋鋼箱梁段整體吊裝過程中正常吊裝狀態(tài)和極端狀態(tài)下吊點及鋼箱梁應力和變形進行了分析和研究，并對吊裝過程風速的限制條件做了計算和說明，提出了適合大跨度鋼箱梁段的合理吊裝施工方法，對以后同類型橋梁的施工有借鑒作用。

2 工程概況

甌江大橋位于浙江省溫州市，主橋橋型布置為84 m＋200 m＋84 m，采用三孔一聯(lián)的鋼—混混合梁剛構(gòu)橋，中跨跨中80 m采用鋼箱梁，其余部分主梁采用混凝土結(jié)構(gòu)，如圖1所示［4］。截面采用單箱單室斜腹板截面。主梁混凝土縱向按全預應力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用變高度梁；主梁鋼箱梁部分采用等高度梁。主橋按雙幅布置，單幅箱梁寬度為15.5 m，橋面橫坡為2.0%?；炷林髁褐兄c處梁高9.0 m，跨中梁高為3.5 m，預應力混凝土箱梁橫截面尺寸如圖2（a）所示。

圖1 結(jié)構(gòu)布置圖（單位：cm）Fig.1 General layout of the bridge（unit：cm）

整體鋼箱梁為等高度鋼箱梁，總長75.6 m，箱梁寬15.5 m，橋面板采用正交異性板，板厚16 mm，在不同部位分別采用U形肋、倒“T”肋及板肋縱向加勁。頂板懸臂3.38 m，懸臂根部垂直高度為921 mm，端部高為321 mm；箱梁腹板采用斜腹板，板厚為24 mm；底板全寬為7743 mm，底板厚20 mm，采用U形肋縱向加勁。箱梁標準段橫隔板間距為3.0 m，標準橫隔板腹板板厚12 mm；在兩相鄰大橫隔板中部設(shè)置一小橫隔板，小橫隔板采用倒“T”截面，下翼緣板件與懸臂根部翼緣板等高，規(guī)格為280 mm×12 mm。整體鋼箱梁標準橫截面尺寸如圖2（b）所示。

圖2 截面布置圖（單位：cm）Fig.2 Girder section（unit：cm）

甌江大橋上部結(jié)構(gòu)采用了如下的施工方法：首先采用支架＋掛籃懸臂現(xiàn)澆混凝土施工混凝土箱梁；然后搭設(shè)水中支架現(xiàn)澆邊跨段，在邊跨達到合龍條件后，完成邊跨合龍；對于中跨，施工采用吊機吊裝預制的鋼混結(jié)合段，并通過勁性骨架把鋼混結(jié)合段與混凝土箱梁相連，并澆筑二者間的后澆帶；最后，采用整體吊裝方法把鋼箱梁提升到指定位置后與鋼混結(jié)合段相連。

鋼箱梁吊裝采用橋面吊機整體提升方法，橋面吊機采用三角形桁架結(jié)構(gòu)。在一幅橋上，橫橋向共設(shè)置兩臺吊機，兩臺吊機的中心距為7.9 m。根據(jù)吊機的起吊能力和吊機支撐結(jié)構(gòu)的尺寸，鋼箱梁吊裝時在鋼箱梁共設(shè)置了8個吊點，在鋼箱梁的兩端各設(shè)置了4個吊點。每端的4個吊點分布在距離梁端最近的兩道橫隔板位置。每個橫隔板布置2個吊點，在截面左右對稱，靠近箱梁外腹板處。鋼箱梁吊裝及吊點布置圖如圖3所示。

3 計算方法及荷載工況

結(jié)合甌江大橋主橋鋼箱梁的吊裝方法，通過對76.5 m的大節(jié)段鋼箱梁建立有限元模型進行分析。鋼箱梁、吊耳采用板殼單元模擬，吊索采用桿單元模擬，有限元模型共有109 031個單元，95 910個節(jié)點。模型邊界條件考慮在8根吊索端部施加豎向位移約束，在吊點1和吊點2的吊耳處約束縱向位移，在吊點1和吊點7的吊耳處約束橫向位移。有限元模型如圖4所示。

斜拉橋和懸索橋小節(jié)段鋼箱梁一般采用4個吊點起吊，而大節(jié)段鋼箱梁考慮吊機提升能力和施工安全問題較多采用更多的吊點起吊，如重慶石板坡長江大橋中跨鋼箱梁就采用8個吊點整體吊裝施工。針對甌江大橋主橋，本文計算分析了鋼箱梁采用8個吊點正常起吊情況及考慮了吊索失效的極端情況。具體的工況如下。

（1）正常吊裝狀態(tài)

工況1：鋼箱梁8個吊點吊裝。

（2）極端吊裝狀態(tài)

（a）假設(shè)1根吊索失效，考慮對稱性則有如下工況：

工況2：8吊點整體吊裝時，2號吊索失效。

工況3：8吊點整體吊裝時，4號吊索失效。

（b）假設(shè)2根吊索失效，考慮對稱性則有如下工況：

工況4：8吊點整體吊裝時，2號和4號吊索同時失效。

工況5：8吊點整體吊裝時，3號和4號吊索同時失效。

工況6：8吊點整體吊裝時，4號和5號吊索同時失效。

鋼箱梁吊裝過程中主要承受自重荷載，重約660 t，考慮1.3倍的動力系數(shù)，計自重荷載為850 t。

為了充分分析和研究鋼箱梁整體吊裝過程中各工況下吊點力、撓度和應力如表1和表2所示。各種受力狀態(tài)，本文利用有限元生死單元技術(shù)主要從正常吊裝狀態(tài)下和極端吊裝狀態(tài)下兩個方面對吊點的受力和鋼箱梁應力、變形進行了計算和分析［5，6］。

3.1 計算結(jié)果

根據(jù)對以上所示工況的有限元計算，得到鋼箱梁在不同狀態(tài)下的受力和變形情況。限于篇幅，這里僅給出工況1下8點起吊時應力分布，如圖5所示。由圖5可以看出，在正常吊裝時箱梁節(jié)段呈現(xiàn)出簡支梁的受力特點，箱梁頂板受壓、底板受拉，在跨中應力最大，頂板和底板的最大應力分別為60.3 MPa和96.8 MPa，箱梁其他位置的板件應力相對小一些，但是在箱梁吊點由于應力集中使得局部應力較大，最大Mises應力為198.0MPa，此時結(jié)構(gòu)受力仍為安全的。

圖5 工況2下鋼箱梁應力（單位：MPa）Fig.5 Stress distribution of steel box girder in Case 2（unit：MPa）

表1 各工況下吊點力Table 1The force at lifting points kN

表2 各工況下鋼箱梁靜力性能Table 2 The steel box girder stress under the static loads

3.2 結(jié)果分析

鋼箱梁主體結(jié)構(gòu)鋼材采用Q345D，厚度最大為26 mm，則鋼材抗拉、抗壓和抗彎的強度設(shè)計值取為260 MPa。根據(jù)各工況下計算結(jié)果，可得到如下分析：

（1）在工況1作用下，即8個吊點整體吊裝時，各吊點的支反力基本相同；吊點2，4，6和8的支反力較吊點1，3，5和7稍高，是由于鋼箱梁存在橫坡，箱體較高段位于鋼箱梁右側(cè)即吊點2和吊點8作用處，導致重心稍偏向于此側(cè)，這種現(xiàn)象也出現(xiàn)在其他工況中。工況1下，除去吊索拉伸引起的剛性位移外，箱體撓度以豎向受彎為主，跨中彈性變形最大為106 mm。這種變形對結(jié)構(gòu)線形的影響不可忽視，必要時應設(shè)置預拱度等措施。吊耳和鋼箱梁連接處產(chǎn)生局部應力集中，應力達到198 MPa。鋼箱梁在吊裝過程中呈現(xiàn)出簡支梁的受力特點，跨中頂板和底板的最大正應力分別為65.3 MPa和104.4 MPa，其他位置箱梁應力較小。

（2）工況2為8根吊索起吊，外側(cè)2號吊索發(fā)生失效的情況。由計算結(jié)果可以看出，當2號吊索失效時與它最近的4號吊索其力由1 071 kN迅速增加到1 908 kN，增加82%，同一端的3號吊索的力有所增大，增加34%左右，而另一端上5號和7號吊索力降低，6號和8號吊索力增加。整個箱梁呈現(xiàn)出在沒有失效對角上的吊索承擔的力大（約為總重量的60%）、在失效對角上的吊索承擔的力?。s為總重量的40%）的特點。另外由于4號吊索內(nèi)力的突然增加，使得對應吊點與鋼梁連接處的應力增加，局部最大值超過了材料的設(shè)計強度。對于工況3為8根吊索起吊，1根發(fā)生失效的情況。與工況4區(qū)別在于工況2假定外側(cè)吊索失效，而工況3假定為內(nèi)側(cè)吊索失效。由計算結(jié)果可以看出，兩種工況吊索力變化規(guī)律和變化大小基本一致，僅在結(jié)構(gòu)的變形略有差別。其中工況3的變形值比工況2的大，主要是兩種工況失效的吊索不同使得二者的支承位置相差一道橫隔板間距所致。總體而言，工況2和工況3中鋼箱梁受力和變形特點與工況1較為接近，結(jié)構(gòu)滿足安全性要求。

（3）工況4模擬的是8根吊索中2號和4號吊索同時失效。經(jīng)計算可知，箱體一角2根吊索同時失效時，對角上的兩個吊點受力為零，整體出現(xiàn)了對角線二角吊點受力的情況。此時，由于箱體橫向不對稱、風載和提升的不同步性，很容易發(fā)生箱體的側(cè)翻。此外，參與受力的兩組吊點附近板件應力已遠超過強度設(shè)計值，分布范圍較大，存在安全隱患。

（4）工況5為8根吊索起吊，一端的3號和4號兩根吊索同時發(fā)生失效的情況。此時鋼箱梁成為一端有2根吊索受力，另一端有4根吊索受力的情況。箱梁總體的受力和變形特點與工況1中8根吊索受力情況相似，只是由于一端只有兩個吊索導致這2根吊索力增大，吊點附近應力達到359 MPa。

（5）工況6為8根吊索起吊，4號和5號吊索同時失效的情況。此時鋼箱梁左右兩端各有3個吊索，如表2所示，吊索失效后，失效索邊3號和4號吊索力明顯增大，約60%，整個箱梁呈現(xiàn)出在沒有失效對角上的吊索承擔的力大（為總重量的66%）、在失效對角上的吊索承擔的力?。榭傊亓康?4%）的特點。此時由于吊點不對稱，導致明顯的扭轉(zhuǎn)。

綜上所述，采用8根吊索吊裝鋼箱梁時，鋼箱梁的整體和局部應力均較小，吊索的安全儲備可以適當降低，吊裝過程中若只有1根吊索失效則會引起其他吊索內(nèi)力的重分配，與吊耳相連的箱梁局部應力會超過材料設(shè)計強度，吊耳采用減小應力集中的措施時，可避免應力超過屈服強度；若有2根吊索失效時，在有些情況下會使得與吊耳相連的箱梁局部應力會超過材料屈服強度，在有些情況下會引起鋼箱梁翻轉(zhuǎn)。

4 風荷載影響

鋼箱梁整體吊裝階段，主要受力為重力和風荷載。本文根據(jù)《甌江大橋設(shè)計說明》及《公路橋梁抗風設(shè)計規(guī)范》（JTG／T D60—01—2004）對風荷載在鋼箱梁整體吊裝時的靜力影響進行了分析，計算示圖如圖6所示。風荷載取甌江大橋百年一遇10 min最大平均風速為33.8 m／s，根據(jù)規(guī)范計算得出吊裝時鋼箱梁上的靜陣風荷載FH，鋼箱梁自重G，可得鋼箱梁與吊索最大風速下夾角為4.58°，在最長吊索狀態(tài)下，鋼箱梁橫向位移為2.64 m。由此可見，靜風風速為甌江大橋百年一遇10 min最大平均風速的作用下結(jié)構(gòu)吊裝擺幅較大，結(jié)構(gòu)不安全。

圖6 計算示意圖Fig.6 Calculation drawing

《甌江大橋設(shè)計說明》要求風速大于15 m／s不得進行鋼箱梁的吊裝施工，《石油化工大型設(shè)備吊裝工程規(guī)范》要求風速大于10.5 m／s不得進行鋼箱梁的吊裝施工，吊索與箱體的夾角不能大于15°。當施工時風速為15 m／s，由計算可得，鋼箱梁上的靜陣風荷載FH，鋼箱梁自重G，鋼箱梁與吊索最大風速下夾角為0.9°，在最長吊索狀態(tài)下，鋼箱梁橫向位移為0.52 m。

綜上所述，風荷載對吊裝的影響是不容忽視的，尤其在施工時，需考慮施工條件、鋼索受力和施工控制等多方面的因素，同時考慮到陣風引起吊裝構(gòu)件的搖擺以及有可能共振等問題，需進行專門的動力研究。

5 結(jié) 論

通過本文對背景工程甌江大橋主橋鋼箱梁的吊裝過程中兩種方案和各類極限工況的計算和分析，以及對風荷載對吊裝影響的分析，得出如下結(jié)論：

（1）大跨度、大噸位鋼箱梁采用8點吊裝方案整體提升時，鋼箱梁板件在吊點附近的應力稍大，在其他部位的應力較小，箱梁的整體變形較大，應采用預拱度措施加以修正。

（2）大跨度、大噸位鋼箱梁采用8點吊裝方案整體提升時，若只有1根吊索失效則會引起其他吊索內(nèi)力的重分配，與吊耳相連的箱梁局部應力會超過材料設(shè)計強度，吊耳應采用減小應力集中的措施避免應力超過屈服強度；若有2根吊索失效時，在有些情況下會使得與吊耳相連的箱梁局部應力會超過材料屈服強度，在有些情況下會引起鋼箱梁翻轉(zhuǎn)。

（3）鋼箱梁吊裝時，需對風荷載的影響進行相關(guān)的計算，盡量在風速較小的情況下，完成整個吊裝過程，風速不得超過15 m／s。

［1］ 徐國平，劉高，吳文明，等.鋼-混凝土結(jié)合部在橋梁結(jié)構(gòu)中應用新進展［J］.公路，2010，（2）：18-22.Xu Guoping，Liu Gao，Wu Wenming，et al.Newly progress in application of steel-concrete connection joint in bridge［J］.Highway，2010，（2）：18-22.（in Chinese）

［2］ 秦飛.混合結(jié)構(gòu)連續(xù)箱梁橋受力機理研究［D］.上海：同濟大學，2012.Qin Fei.Study on the mechanical behavior of the continuous hybrid box-girder bridge［D］.Shanghai：Tongji University，2012.（in Chinese）

［3］ 鄧文中，代彤.重慶石板坡長江大橋復線橋總體設(shè)計［J］.橋梁建設(shè)，2006，（6）：28-32.Deng Wenzhong，Dai Tong.Overall design of doubleline bridge of Shibanpo Changjiang River Bridge in Chongqing［J］.Bridge Construction，2006，（6）：28-32.（in Chinese）

［4］ 唐方清，羅嗣碧，楊華振.甌江大橋總體設(shè)計［J］.公路，2012，（5）：127-132.Tang Fangqing，Luo Sibi，Yang Huazhen.Overall design of Oujiang Bridge［J］.Highway，2012，（5）：127-132.（in Chinese）

［5］ 駱艷斌，徐偉，宋燦.鋼吊箱整體起吊時力學性能分析［J］.公路交通科技，2006，23（12）：95-98.Luo Yanbin，XuWei，Song Can.Analysis onmechanical property of steel suspension box during integral lifting［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2006，23（12）：95-98.（in Chinese）

［6］ 徐志洪，李壽獎.大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋吊裝施工工藝的力學分析與評價［J］.南京理工大學學報，2001，25（3）：323-327.Xu Zhihong，Li Shoujiang.The mechanic analysis of the hoisting technology of a large span steel structure roof［J］.Journal of Nanjing University of Science and Technology，2001，25（3）：323-327.（in Chinese）

M echanical Property Analysis of a Long-span Steel Box Girder during its Hoisting

SU Qingtian*LIWei LIDan
（Department of Bridge Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China）

A steel and concrete hybrid girder rigid frame bridge with three spans was used for the Oujiang bridge in Wenzhou，Zhejiang province，as a new type of bridge.The span layout are 84 m，200m，and 84 m for three spans，respectively.The steel box girder，80m in length and 660 tons in weight，was arranged in the middle of themid-span.In this project，the constructionmethod on the huge steel box girder follws the whole lifting technique，which is not common for this type of bridge component.In this paper，based on the Oujiang bridge project，mechanical properties of the long-span steel box girder in several integral hoisting conditions were analyzed by using the finite elementmethod.A reasonable lifting construction technology was proposed based on a integral consideration，which can be reference to the construction of similar steel box bridges.

hybrid girder，rigid frame bridge，steel box girder，integral lifting，mechanical property

2013-04-01

2012H24浙江省交通運輸廳科技計劃項目

*聯(lián)系作者，Email：sqt＠tongii.edu.cn