毛　攀，　張　力，　王　沖

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥　230009)

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銅陵長江公路大橋鋼吊箱三維有限元分析

毛攀，張力，王沖

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥230009)

摘要：鋼吊箱圍堰是為承臺(tái)施工而設(shè)計(jì)的臨時(shí)阻水結(jié)構(gòu)，其作用是通過吊箱圍堰側(cè)板和底板上的封底混凝土圍水，為承臺(tái)施工提供無水的干處施工環(huán)境。該文對(duì)安徽省銅陵長江公路大橋主1號(hào)橋墩新增承臺(tái)鋼吊箱整個(gè)施工過程中的應(yīng)力狀況及結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行分析，為鋼吊箱的設(shè)計(jì)和施工提供了參考和建議。

關(guān)鍵詞：鋼吊箱；承臺(tái)；應(yīng)力狀況；結(jié)構(gòu)變形

鋼吊箱圍堰是為承臺(tái)施工而設(shè)計(jì)的臨時(shí)阻水結(jié)構(gòu)，其作用是通過吊箱圍堰側(cè)板和底板上的封底混凝土圍水，為承臺(tái)施工提供無水的干處施工環(huán)境[1]。近幾十年來，鋼吊箱圍堰的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)已逐漸完善并趨于成熟，相比于其他施工方法，鋼吊箱圍堰最為節(jié)省使用材料。因此，國內(nèi)外橋梁深水基礎(chǔ)高樁承臺(tái)的施工，絕大多數(shù)采用了吊箱圍堰的施工方法。鋼吊箱具有施工工期短、水流阻力小，不需沉入河床，材料用量少、經(jīng)濟(jì)合理等諸多優(yōu)點(diǎn)。鋼吊箱圍堰作為橋梁基礎(chǔ)承臺(tái)施工時(shí)的臨時(shí)結(jié)構(gòu)十分重要，直接關(guān)系到橋梁基礎(chǔ)乃至整座橋梁建設(shè)的成敗[2-4]。本文對(duì)安徽銅陵長江公路大橋主1號(hào)橋墩新增承臺(tái)鋼吊箱整個(gè)施工過程中的應(yīng)力狀況及結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行分析，為鋼吊箱的設(shè)計(jì)和施工提供了參考和建議。

1工程概況

銅陵長江公路大橋位于銅陵市羊山磯下游600 m處，屬國家“八五”計(jì)劃的重點(diǎn)工程。該橋全長2 592 m，其中主橋長1 152 m，橋跨布置80 m+90 m+190 m+432 m+190 m+90 m+80 m，為主跨432 m的雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋。長江自南向北流經(jīng)橋位，大橋軸線方位角 101°33′29″，大橋西側(cè)通往合肥，東側(cè)和銅陵相接，主橋下部墩位采用從合肥至銅陵(由西至東)依次編號(hào)，分別為主1～主8號(hào)橋墩。本文研究的是單壁鋼混組合底板結(jié)構(gòu)拉壓式鋼吊箱，平面尺寸為15.600 m×14.000 m，高度為7.000 m，側(cè)板水平分為4塊，高度方向分為3節(jié)。鋼吊箱平面布置圖和立面布置圖分別如圖1和圖2所示。

圖1　鋼吊箱平面布置圖

圖2　鋼吊箱立面布置圖

2鋼吊箱計(jì)算模型

對(duì)于鋼吊箱這種構(gòu)造和受力均較復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，采用二維有限元簡(jiǎn)化建模分析的方法進(jìn)行鋼吊箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，顯然無法對(duì)結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能進(jìn)行全面地把握。隨著有限元及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，通過大型有限元分析軟件對(duì)鋼吊箱各個(gè)工況進(jìn)行三維整體建模及分析的方法也有了很大的發(fā)展，有限元分析方法較好地考慮了鋼吊箱構(gòu)件拼裝后的整體受力特性，查找應(yīng)力集中及變形較大部位特別方便，而且在計(jì)算精度方面也基本滿足工程上的要求[5-7]。因此，本文采用 MIDAS/Civil對(duì)拉壓式鋼吊箱進(jìn)行空間分析，三維空間模型如圖3所示。梁?jiǎn)卧? 944個(gè)，板單元1 737個(gè)，實(shí)體單元1 011個(gè)。

圖3　鋼吊箱圍堰三維模型圖

2.1鋼吊箱底板

拉壓式鋼吊箱底板由底板骨架、底模和水平環(huán)撐組成。底板骨架 I20a 間距 50 cm 組成，為底板受力的主要結(jié)構(gòu)；底模由10 mm厚的鋼板組成；水平環(huán)撐為I25a 組成，在鋼板四周形成一圈。為了使鋼吊箱圍堰底板順利穿過2根原有樁基和4根新增樁基，將鋼吊箱圍堰底板鋼板在水平方向分為 2 塊，現(xiàn)場(chǎng)焊接成整體。

2.2鋼吊箱側(cè)板

拉壓式鋼吊箱側(cè)板為單壁肋板式焊接結(jié)構(gòu)，水平方向分為4塊，高度方向分為3節(jié)。由側(cè)模、豎肋、塊間豎肋、水平環(huán)撐、節(jié)間水平環(huán)撐焊接而成。側(cè)模由6 mm鋼板構(gòu)成；豎肋由I22a型鋼組成，間距為 50 cm；塊間豎肋由I22a型鋼組成，布置在豎向兩側(cè)；水平環(huán)撐由I25a組成，第二節(jié)和第三節(jié)連接處的節(jié)間水平環(huán)撐由I28a 組成，其他節(jié)間水平環(huán)撐由I25a 組成，水平環(huán)撐間距為1 m左右。

2.3荷載工況組合

根據(jù)拉壓式鋼吊箱圍堰施工作業(yè)情況，將荷載組合分為如下兩個(gè)工況：組合Ⅰ(抽完水后)：自重(1.0)+流水壓力(1.4)+靜水側(cè)壓力(1.4)+靜水底壓力(1.4)+向下樁基粘結(jié)力(1.0)；組合Ⅱ(承臺(tái)混凝土澆筑后)：自重(1.2)+流水壓力(1.4)+靜水側(cè)壓力(1.4)+靜水底壓力(1.0)+承臺(tái)自重(1.4)+承臺(tái)側(cè)壓力(1.4)+向上樁基粘結(jié)力(1.0)。

3拉壓式鋼吊箱有限元計(jì)算分析

工況1：鋼吊箱抽水后荷載作用下梁?jiǎn)卧畲髲潙?yīng)力為153.80 MPa<[σ]=215 MPa，最大剪應(yīng)力為51.686 MPa<[τ]=125 MPa；鋼吊箱抽水后荷載作用下整體板單元最大應(yīng)力值為41.037 MPa<[σ]=215 MPa；鋼吊箱抽水后荷載作用下混凝土底板最大剪應(yīng)力為 1.300 MPa<[σ]=1.71 MPa；鋼吊箱整體最大 變形為8.809 mm

工況2：承臺(tái)澆筑后荷載作用下梁?jiǎn)卧畲髲潙?yīng)力為152.233 MPa<[σ]=215 MPa；最大剪應(yīng)力為51.161 MPa<[τ]=125 MPa；承臺(tái)澆筑后荷載作用下整體板單元最大應(yīng)力值為39.313 MPa<[σ]=215 MPa；承臺(tái)澆筑后荷載作用下混凝土底板應(yīng)力最大剪應(yīng)力為 1.000 MPa<[σ]=1.71 MPa；鋼吊箱整體最大變形為 6.654 mm

工況1、2的主要計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4　工況1、2主要計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果來看，鋼吊箱在工況1階段的整體位移是整個(gè)施工過程的最大豎向位移，是鋼吊箱的變形的主要控制階段?；炷恋装逶诠r1階段剪應(yīng)力最大，因此設(shè)計(jì)階段對(duì)于底板厚度與材料的選擇應(yīng)該根據(jù)這個(gè)工況的具體情況計(jì)算后選擇，盡量在節(jié)省材

料的前提下采取措施加大底板的抗剪應(yīng)力。從上述工況的分析計(jì)算結(jié)果可知，鋼吊箱結(jié)構(gòu)整體在幾種主要工況下的強(qiáng)度和剛度都能滿足要求，也即所設(shè)計(jì)的鋼吊箱結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)件截面能滿足要求。

4結(jié)束語

(1) 鋼吊箱是構(gòu)造和受力變形比較復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，運(yùn)用有限元軟件MIDAS/Civil對(duì)其進(jìn)行三維有限元建模計(jì)算分析，能夠全面地得出鋼吊箱結(jié)構(gòu)各個(gè)工況的應(yīng)力應(yīng)變情況，為鋼吊箱設(shè)計(jì)施工提供很大的參考和指導(dǎo)作用。

(2) 本文運(yùn)用有限元軟件MIDAS/Civil對(duì)鋼吊箱各個(gè)施工階段的應(yīng)力狀況和結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行了分析，得到鋼吊箱在工況一抽水時(shí)出現(xiàn)最大應(yīng)力153.803 MPa，及最大位移8.809 mm，滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度要求，結(jié)構(gòu)處于安全的狀態(tài)。

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收稿日期：2015-12-02；修改日期：2016-01-12

作者簡(jiǎn)介：毛攀(1992-)，男，湖北黃岡人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生．

中圖分類號(hào)：U441

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-5781(2016)01-0116-03