潘龍文,葉麗宏

(1.杭州西湖城市建設(shè)投資集團有限公司,浙江 杭州 310013；2.浙江工程建設(shè)管理有限公司，浙江 杭州 310012)

人行天橋又稱人行立交橋,只能允許行人通過,可有效避免車流和人流平面相交時的沖突,保障人們能夠安全地穿越,提高車行速度,減少交通事故的發(fā)生。鋼結(jié)構(gòu)體系具有自重輕、安裝容易、施工周期短、抗震性能好、投資回收快、環(huán)境污染少等綜合優(yōu)勢,我國鋼結(jié)構(gòu)工程市場前景非常廣闊[1]。鋼箱梁吊裝涉及設(shè)計和施工安全問題,特別是振頻大小對撓度的影響性如何,對吊裝時的鋼箱梁人行天橋的結(jié)構(gòu)安全性和舒適性至關(guān)重要。本文基于Midas軟件進行不同工況下的臨時支撐架靜力驗算及上部結(jié)構(gòu)驗算,并運用數(shù)理統(tǒng)計方法分析最大壓應(yīng)力、最大拉應(yīng)力、撓度、振頻等技術(shù)參數(shù)的關(guān)系,探討出撓度和振頻之間存在顯著線性相關(guān)性的結(jié)論,從而為指導(dǎo)大跨鋼箱梁吊裝設(shè)計和施工安全技術(shù)提供了重要理論依據(jù),并且對類似鋼箱梁設(shè)計和施工均具有一定的借鑒意義。

1 工程概況

本項目位于錢江世紀城核心區(qū)臨江地塊,北側(cè)過錢塘江是錢江新城,西側(cè)與奧體中心相鄰,南側(cè)是濱江高新技術(shù)開發(fā)區(qū),東側(cè)可達蕭山國際機場,是杭州南向發(fā)展帶上的重要節(jié)點。觀瀾路人行天橋為跨越瀾路連接T字形橫向與豎向的人行通道,橋位場地位于蕭山錢江世紀城觀瀾路南北側(cè),全長193 m,分為五聯(lián),鋼結(jié)構(gòu)部分共五聯(lián),第一聯(lián)至第五聯(lián)長度分別為20、48、25、35、65 m,設(shè)計使用年限50年,鋼箱梁均采用Q345C材質(zhì)。見圖1、圖2。

圖1 觀瀾路人行天橋工程立面

圖2 觀瀾路人行天橋工程航拍

2 鋼箱梁吊裝工況分析

2.1 150 t汽車吊吊裝工況分析

鋼箱梁梁段最大重量為71.6 t,采用2臺150 t汽車吊抬吊吊裝,抬吊時每臺吊機吊裝重量為71.6÷2÷0.75(考慮0.75的折減系數(shù))=47.7 t。當(dāng)150 t汽車吊主臂長25.6 m,工作半徑為10 m時,起重量為50 t,而鋼箱梁梁段抬吊時單機起重量為47.7 t,滿足吊裝要求。

2.2 25 t汽車吊吊裝工況分析

挑臂梁最大重量為7 t,采用2臺25 t汽車吊抬吊吊裝,抬吊時每臺吊機吊裝重量為7÷2÷0.75(考慮0.75的折減系數(shù))=4.6 t。當(dāng)25 t汽車吊主臂長20.5 m,工作半徑為5.5 m時,起重量為9.5 t,而挑臂梁梁段抬吊時單機起重量4.6 t,滿足吊裝要求。

3 鋼箱梁吊裝工藝和順序

3.1 鋼箱梁吊裝工藝

鋼箱梁吊裝工藝見圖3。

圖3 鋼箱梁吊裝工藝流程

3.2 鋼箱梁吊裝順序

先施工第二、第四聯(lián)的鋼箱梁,接著施工第三、第一聯(lián)的鋼箱梁,最后施工第五聯(lián)的鋼箱梁,匝道穿插進行安裝施工。各聯(lián)內(nèi)安裝施工順序按照編號依次進行,總體遵循從中間往兩側(cè)的安裝施工思路。鋼箱梁采用雙機抬吊的方法進行安裝,梁段縱向安裝順序為先中跨后邊跨,梁段橫向安裝順序為先中間后兩邊。吊裝前需對現(xiàn)場場地進行相應(yīng)的硬化,以滿足吊機的站位。梁段橫向吊裝順序為先中間后兩邊,主要有以下幾個步驟(圖4)：

圖4 鋼箱梁吊裝現(xiàn)場照片

1)在臨時支撐架分配梁上標(biāo)出道路中心線、軸線和分塊鋼箱梁底板邊線,并在邊界設(shè)置焊接限位裝置；2)吊裝橫向中間第1塊鋼箱梁；3)吊裝橫向中間第2塊鋼箱梁。落梁就位后調(diào)整焊縫間隙,在梁塊之間縱縫位置用碼板固定,對焊縫進行點焊；4)吊裝一側(cè)的挑臂鋼箱梁。挑臂梁就位后調(diào)整焊縫間隙,在梁塊之間縱縫位置用碼板固定,且碼板與頂板的焊縫全部焊接好后方可松鉤；5)吊裝另一側(cè)的挑臂鋼箱梁。挑臂梁就位后調(diào)整焊縫間隙,同樣在梁塊之間縱縫位置用碼板固定,且碼板與頂板的焊縫全部焊接好后方可松鉤。

4 Midas Civil軟件運用

4.1 Midas Cicil軟件

Midas Civil 軟件作為通用的空間有限元分析軟件和橋梁軟件的完美結(jié)合,廣泛地應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域多種結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析,如鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)[2]。運用Midas軟件進行不同工況下的臨時支撐架靜力驗算及橋梁上部結(jié)構(gòu)驗算,并對驗算數(shù)據(jù)進行數(shù)理統(tǒng)計分析,為鋼箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工安全提供了重要的理論依據(jù)。

4.2 臨時支撐架靜力驗算

臨時支撐架材料：鋼管采用Φ450×20,材質(zhì)為Q345B.分配梁采用雙拼HM600×300×14×23,橫撐、斜撐采用14#槽鋼,材質(zhì)均為Q235B。

4.2.1 最不利組合1：單邊加載

F′=(15+124+124+15)/(2×13)=10.7 t,最大等效應(yīng)力19.8 MPa,最大豎向變形0.652 mm。

4.2.2 最不利工況2：兩邊加載

F′=(15+124+124+15)/(2×13)=10.7 t,F″=(13+120+120+14)/(4×13)=5.13 t,最大等效應(yīng)力19.8 MPa,最大豎向位移0.643 mm。

4.3 橋梁上部結(jié)構(gòu)計算

4.3.1 結(jié)構(gòu)計算分析

結(jié)構(gòu)計算分析圖(以第一聯(lián)第一跨為例,其余圖略)見圖5。

圖5 結(jié)構(gòu)計算分析

4.3.2 計算結(jié)果及分析結(jié)論

1)計算結(jié)果

上部結(jié)構(gòu)計算結(jié)果見表1。

由表1可知，標(biāo)準(zhǔn)值組合下鋼箱梁最大壓應(yīng)力的最大值為70.3 MPa,最大拉應(yīng)力的最大值為67 MPa,均小于規(guī)范規(guī)定的鋼材容許應(yīng)力210 MPa,故最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

表1 上部結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

橋梁在活載引起的豎向撓度分別為9、7、36、13、26、5 mm,其撓度允許值分別為:

9 mm

36 mm

26 mm

故撓度滿足規(guī)范要求。

表1中第二聯(lián)最小振頻3.04 Hz>3 Hz,故振頻滿足規(guī)范要求。

據(jù)饒波研究成果,結(jié)構(gòu)自振頻率隨梁高的增高、基礎(chǔ)剛度及墩剛度增大而增大,箱梁底緣寬度對結(jié)構(gòu)自振頻率影響不大[3]。當(dāng)橋梁自振頻率與行人步行頻率較接近時,會引起主梁振動和撓度過大使行人感到不適并危及天橋的安全。《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范(CJJ 69—95)》規(guī)定：為了避免共振,減少行人不安全感,天橋上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不應(yīng)小于3 Hz[4]。

2)分析結(jié)論

運用回歸方程顯著性檢驗F檢驗法[5],根據(jù)回歸分析研究,在聯(lián)長、最大壓應(yīng)力、最大拉應(yīng)力、撓度、振頻5者中,只有撓度和振頻兩者的回歸是顯著的,其余兩兩之間不顯著。其中撓度和振頻回歸分析見表2。

表2 撓度與振頻關(guān)系

運用SPSS數(shù)理統(tǒng)計分析軟件,計算結(jié)果見表3、表4：

表3 撓度與振頻回歸統(tǒng)計

表4 撓度與振頻方差分析

F=8.796 557,a=0.05,Fa(1,4)=7.71,F=8.796 557>Fa(1,4)=7.71,回歸是顯著的。

運用SPSS軟件計算出的回歸系數(shù)分別為a=42.084,b=-4.960,則一元線性回歸方程為y=42.084-4.960x(x為振頻,y為撓度)；再用WPS2019軟件進行數(shù)理統(tǒng)計回歸分析驗證,所得回歸方程與上述完全一致,撓度與振頻相關(guān)性見圖6。

圖6 撓度與振頻相關(guān)性

以上說明：撓度和振頻之間存在顯著線性相關(guān)性。即撓度與振頻呈擬合線性反比關(guān)系,振頻越大,撓度越?。徽耦l越小,撓度越大。根據(jù)《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范(CJJ 69—95)》規(guī)定：為了避免共振,減少行人不安全感,天橋上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不應(yīng)小于3 Hz。故在鋼箱梁設(shè)計驗算中,可使設(shè)計的鋼箱梁結(jié)構(gòu)自頻振率較大(至少大于3 Hz),則橋梁在撓度方面的性能較為有利。另外,行人在鋼箱梁上行走振動頻率為1.8～2.5 Hz,施工時振頻較小(最高不超過3 Hz),則不會與鋼箱梁結(jié)構(gòu)自振頻率保持一致,從而減少共振風(fēng)險。當(dāng)然,還可運用調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD)減振系統(tǒng)削減人行天橋的共振反應(yīng),共振情況下減振率接近70%,提高了橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和舒適性[6]。

5 結(jié) 語

本文初步進行了大跨鋼箱梁吊裝力學(xué)性能分析,采用Midas Civil軟件進行不同工況下的臨時支撐架靜力驗算及橋梁上部結(jié)構(gòu)驗算等,并運用SPSS軟件分析研究最大壓應(yīng)力、最大拉應(yīng)力、撓度、振頻等技術(shù)參數(shù)的關(guān)系,主要有以下結(jié)論：

1)撓度和振頻之間存在顯著線性相關(guān)性,回歸方程為：y=42.084-4.960x(x為振頻,y為撓度)。即振頻越大,撓度越小；振頻越小,撓度越大。

2)除撓度和振頻之間外,最大壓應(yīng)力、最大拉應(yīng)力、撓度、振頻等兩兩之間不存在顯著性相關(guān)性。

3)在鋼箱梁設(shè)計時,大跨鋼箱梁結(jié)構(gòu)自振頻率大于3 Hz較為有利；而在鋼箱梁施工過程中,振動頻率較小(最高不超過3 Hz)可有效避免共振的安全風(fēng)險。

4)可運用調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD)進行有效的結(jié)構(gòu)減震。