雷 強(qiáng) 李 佳
(1.中鐵二十一局集團(tuán)第一工程有限公司 新疆烏魯木齊 830026;2.新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院 新疆烏魯木齊 830047)
鋼板組合梁橋是一種使用工字鋼主梁與橋面板進(jìn)行部分或全部裝配式安裝的橋型,具有自重輕、承載能力強(qiáng)、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn),國(guó)內(nèi)外于20世紀(jì)已廣泛應(yīng)用于各種體量的橋梁建設(shè)[1-3]。諸多學(xué)者對(duì)該橋型探究了頂推、吊裝等多種施工方案的優(yōu)點(diǎn)與不足[4-8]。王輔圣[9]使用有限元模擬了鋼管混凝土桁架組合梁多種施工工況;楊宏等[10]通過分析鋼梁分段吊裝技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用,得出分段吊裝可提高施工精度和減少安全隱患的結(jié)論??梢姡綄た茖W(xué)的施工方案比選方法對(duì)于提高工程質(zhì)量、規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。王海波等[11]從設(shè)備投入、工程量等方面分析施工方案優(yōu)缺點(diǎn)并打分;趙成貴[12]從施工安全風(fēng)險(xiǎn)、技術(shù)難度等方面分析施工方案優(yōu)缺點(diǎn)并進(jìn)行對(duì)比。
本文依托盆克特2號(hào)大橋項(xiàng)目,從幾種常用鋼梁施工方案中選定三種可行的方案,使用UG設(shè)計(jì)軟件對(duì)鋼梁及橋面板進(jìn)行1∶1三維建模,運(yùn)用ABAQUS有限元軟件對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值模擬,探究不同施工方案下鋼梁各部分應(yīng)力、位移變化規(guī)律,由定量數(shù)據(jù)分析對(duì)比各方案對(duì)鋼梁整體應(yīng)力分布、施工控制精度、成橋承載力等的影響以選出最優(yōu)方案,為項(xiàng)目專項(xiàng)施工方案評(píng)選提供數(shù)據(jù)支持。
(1)工程概況
盆克特2號(hào)大橋位于京新高速巴里坤至木壘段K227+556.5處,地處寒冷、高溫差地區(qū)。全橋共4聯(lián):4×25 m+3×50 m+4×25 m+4×25 m,全長(zhǎng)462 m。下部構(gòu)造為鉆孔灌注樁基礎(chǔ),鋼板組合梁位于4#~7#墩,采用3×50 m鋼板組合梁,左右幅每孔4片,共24片。其橋墩空間分布構(gòu)造如圖1所示。
圖1 橋墩空間分布構(gòu)造(單位:cm)
(2)鋼梁及橋面板有限元模型
50 m單片鋼梁自重約35 t,采用Q345D鋼板焊接制成。頂推或分步吊裝方案橋面結(jié)構(gòu)如圖2所示;組合梁吊裝方案吊裝總重約122.3 t,單幅單孔由四片鋼梁組成,如圖3所示。
圖2 頂推及分步吊裝橋面結(jié)構(gòu)
圖3 組合梁吊裝鋼梁及橋面板結(jié)構(gòu)
Q345D鋼板力學(xué)性能參數(shù)為:密度γ=78.5 kN/m3,彈性模量Es=2.06×105MPa,泊松比為0.31,熱膨脹系數(shù)α=1.2×10-5。
C50自密實(shí)鋼筋混凝土橋面板力學(xué)性能參數(shù)為:密度 γ=26 kN/m3,彈性模量Es=3.45×104MPa,泊松比為0.2,熱膨脹系數(shù) α=1.0 ×10-5。
(1)鋼梁頂推與橋面板吊裝方案
方案一為鋼梁頂推施工,在鋼梁前端連接導(dǎo)梁,待單孔四片鋼梁均架設(shè)完成后逐片起吊橋面板并鋪裝。主要施工流程:頂推設(shè)備安裝→設(shè)置前導(dǎo)梁頂推第一片鋼梁施工→施工完成后鋼梁頂面局部剪力釘焊接→鋼梁循環(huán)頂推施工與剪力釘焊接→安裝端橫梁與支座橫梁→吊裝起重設(shè)備安裝→橋面板逐片起吊鋪裝→橋面板濕接縫澆筑→拆除頂推及吊裝設(shè)備。
(2)鋼梁與橋面板分步吊裝施工方案
方案二施工流程為:工廠預(yù)制鋼梁并運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)→鋼梁拼裝場(chǎng)地硬化→鋼梁拼裝焊接→架橋機(jī)設(shè)備安裝→第一片鋼梁吊裝施工→施工完成鋼梁頂面局部剪力釘焊接→鋼梁循環(huán)吊裝施工與剪力釘焊接→安裝端橫梁與支座橫梁→橋面板吊裝設(shè)備安裝→橋面板逐片起吊鋪裝→橋面板濕接縫澆筑→拆除架橋機(jī)及吊裝設(shè)備。
(3)組合梁吊裝施工方案
方案三為鋼梁頂面密布焊接剪力釘,如圖4所示,頂面預(yù)制50 m長(zhǎng)、2.5 m寬橋面板,組合梁吊裝如圖5所示。主要施工流程為:工廠預(yù)制鋼梁并運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)→鋼梁拼裝場(chǎng)地硬化→鋼梁拼裝及剪力釘焊接→在鋼梁頂面采用后張預(yù)應(yīng)力法預(yù)制C50橋面板→采用HD JH50/200Ⅱ型架橋機(jī)架設(shè)單片組合梁→循環(huán)吊裝組合梁→安裝端橫梁與支座橫梁→橋面板濕接縫澆筑→拆除架橋機(jī)等設(shè)備。
圖4 剪力釘立面及空間分布
圖5 組合梁整體吊裝
在鋼梁3個(gè)橫截面、13個(gè)縱截面上分別設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn),對(duì)各方案下鋼梁監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力與位移進(jìn)行對(duì)比分析,得出各方案對(duì)鋼梁承載力、局部應(yīng)力的影響,評(píng)選最優(yōu)方案。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示(圖中“點(diǎn)3-1”表示縱截面3與橫截面1相交的監(jiān)測(cè)點(diǎn),其余編號(hào)以此類推)。
圖6 鋼梁監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布示意
通過數(shù)值模擬獲得兩種施工方案下鋼梁上39個(gè)截面監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力與位移分布。頂推方案監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)見表1,分步吊裝方案數(shù)據(jù)見表2。
表2 分步吊裝方案監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)
頂推方案橫截面1最大應(yīng)力為97.4 MPa,橫截面2最大應(yīng)力34.86 MPa,橫截面3最大應(yīng)力92.07 MPa,均在縱截面9部位;分步吊裝方案橫截面1最大應(yīng)力39.05 MPa,橫截面2最大應(yīng)力7.94 MPa,橫截面3最大應(yīng)力14.24 MPa,均發(fā)生在縱截面7處。從位移看,頂推方案中最大位移均在鋼梁推出側(cè)最前端,為109 mm;分步吊裝方案最大位移均在鋼梁中間截面,為14.6 mm。
綜上,在鋼梁三個(gè)橫截面上頂推方案最大應(yīng)力均是分步吊裝方案的2倍以上,最大位移是分步吊裝方案的7.4倍。兩種施工方案下鋼梁均未達(dá)到Q345D鋼材屈服應(yīng)力345 MPa。在工程分析中認(rèn)為小位移或接近零位移對(duì)施工安全性更有保障。故分步吊裝方案對(duì)于鋼梁施工過程中減少應(yīng)力集中、整體應(yīng)力及位移精度控制均更有利。
為直觀對(duì)比兩種施工方案在鋼梁三個(gè)橫截面上應(yīng)力、位移變化情況,繪制橫截面應(yīng)力、位移趨勢(shì)圖如圖7~圖8所示。
圖7 頂推與分步吊裝監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力趨勢(shì)
圖8 頂推與分步吊裝監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移趨勢(shì)
由圖7可知,在橫截面1上頂推方案在點(diǎn)9-1達(dá)到最大應(yīng)力97.4 MPa;分步吊裝方案最大應(yīng)力為39.05 MPa。在橫截面2上頂推方案在點(diǎn)9-2達(dá)到最大應(yīng)力34.86 MPa;分步吊裝方案在點(diǎn)7-2達(dá)到最大應(yīng)力7.94 MPa。在橫截面3上頂推方案在點(diǎn)9-3發(fā)生應(yīng)力集中92.07 MPa;分步吊裝方案在點(diǎn)7-3達(dá)到最大應(yīng)力14.23 MPa。頂推方案最大位移為108.9 mm,隨著靠近頂推側(cè)而逐漸減??;分步吊裝方案最大位移為14.63 mm。兩方案在橫截面2、3上位移曲線變化與橫截面1基本相同。
可見,頂推方案在縱截面9極易發(fā)生局部應(yīng)力集中,短距離內(nèi)出現(xiàn)30~60 MPa增量變化,對(duì)鋼梁耐久性及使用性能均有影響;頂推方案最大位移是分步吊裝方案的2倍以上。根據(jù)鋼材特性,施工過程應(yīng)力越大,在鋼材內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力損傷、應(yīng)力殘留的概率越大。
分步吊裝的鋼梁質(zhì)量為35 t,組合梁吊裝質(zhì)量約122 t,吊裝質(zhì)量相差近3倍,可認(rèn)為分析兩方案吊裝階段鋼梁上應(yīng)力、位移分布情況意義不大,故對(duì)成橋前階段做靜力學(xué)分析,選出更優(yōu)方案。分步吊裝方案中全部荷載均由鋼梁承擔(dān),將橋面板重力轉(zhuǎn)換為均布?jí)毫d荷,如式(1),簡(jiǎn)化分析鋼梁應(yīng)力及位移情況。將式(1)計(jì)算得出的均布?jí)毫d荷施加于鋼梁頂面,得出分步吊裝方案成橋前數(shù)據(jù)如表3所示,組合梁吊裝數(shù)據(jù)如表4所示。
表3 分步吊裝方案成橋前監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)
表4 組合梁吊裝方案成橋前監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)
分步吊裝方案橫截面1最大應(yīng)力145.26 MPa,發(fā)生在點(diǎn)7-1;橫截面2應(yīng)力極大值68.98 MPa,發(fā)生在點(diǎn)1-2與13-2;橫截面3應(yīng)力極大值93 MPa,發(fā)生在點(diǎn)1-3與13-3。組合梁吊裝方案橫截面1最大應(yīng)力16.47 MPa,發(fā)生在點(diǎn)7-1;橫截面2應(yīng)力極大值30.5 MPa,發(fā)生在點(diǎn)1-2與13-2;橫截面3最大應(yīng)力46.6 MPa,發(fā)生在點(diǎn)7-3。分步吊裝鋼梁各截面應(yīng)力均是組合梁吊裝的2倍以上。兩方案最大位移均發(fā)生在鋼梁中心截面,分步吊裝方案為80 mm,組合梁吊裝方案為30.7 mm(見圖9~圖10)。
圖9 分步吊裝與組合梁吊裝應(yīng)力趨勢(shì)
圖10 分步吊裝與組合梁吊裝位移趨勢(shì)
可見,組合梁吊裝方案對(duì)于成橋階段削弱鋼梁應(yīng)力集中、增加成橋承載量更為有利。
由應(yīng)力分析結(jié)果可知,組合梁方案可顯著降低鋼梁上翼緣板的應(yīng)力,避免局部應(yīng)力集中?;阡摻Y(jié)構(gòu)力傳遞效果,分步吊裝方案在兩端高強(qiáng)螺栓固定處必發(fā)生應(yīng)力集中,對(duì)鋼梁承載力有較大影響,組合梁吊裝方案無明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象。
由位移分析結(jié)果可知,同種施工方案在三個(gè)橫截面上位移變化趨勢(shì)及位移量近似等同。組合梁吊裝方案在避免鋼梁局部應(yīng)力集中、增加成橋使用壽命方面均具有顯著優(yōu)勢(shì),最終選定組合梁吊裝方案為最優(yōu)方案。
(1)分步吊裝方案相較于頂推方案可有效抵抗鋼梁變形,在整體應(yīng)力控制、削減局部應(yīng)力及施工位移精度控制上都具有顯著優(yōu)勢(shì)。
(2)成橋前階段組合梁方案較分步吊裝方案可顯著削弱鋼梁整體所受應(yīng)力,減小鋼梁上各點(diǎn)應(yīng)力、位移量,避免局部應(yīng)力集中。
(3)運(yùn)用ABAQUS有限元分析可為項(xiàng)目方案評(píng)選提供數(shù)據(jù)支持,對(duì)于制定合理高效的施工方案具有指導(dǎo)意義。