唐壽洋，李強(qiáng)強(qiáng)，王高陽(yáng)

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院 甘肅 蘭州 730070)

0 引言

隨著我國(guó)公路交通網(wǎng)不斷健全，城市公路高架橋建設(shè)迎來(lái)建設(shè)高峰期，其中裝配式鋼箱梁橋由于在施工過(guò)程中可采用裝配式拼接頂推的施工方法，不僅大大減少了施工工期，而且鋼結(jié)構(gòu)橋梁自重輕、造型美觀，已在鋼橋建設(shè)中廣泛應(yīng)用。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外大量專家、學(xué)者對(duì)裝配式拼接頂推施工進(jìn)行了研究。其中黃成國(guó)[1]利用有限元分析法對(duì)曲線梁橋在頂推施工過(guò)程中傾覆性能影響因素進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)縱橋向支撐布置形式及中軸線偏移量對(duì)頂推施工尤為重要；楊順達(dá)[2]通過(guò)對(duì)不同因素作用下曲線梁橋位移進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)溫度變化是曲線梁橋向曲線外側(cè)偏移的主要誘導(dǎo)因素；賈紅兵[3]通過(guò)對(duì)步履式頂推施工中軸線的偏移問(wèn)題進(jìn)行研究，提出了一種自平衡步履式頂推施工工藝；張磊[4]以工程實(shí)例為背景對(duì)頂推施工過(guò)程中施工監(jiān)控方案進(jìn)行研究，提出頂推施工中必須對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整的思路；謝祺[5]分析了鋼-混組合梁橋在頂推施工過(guò)程中的應(yīng)力狀態(tài)，提出并驗(yàn)證了增設(shè)橡膠墊塊可以有效減小橋面板的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)以上分析發(fā)現(xiàn)，裝配式鋼箱梁橋在拼裝頂推施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)主梁及導(dǎo)梁受力特性的研究較少，本文將針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行分析研究。

1 工程概況

本橋梁工程跨徑為36 m+38 m，橋?qū)挒?.5 m，梁高為2 m，總重約325 t，其橫斷面圖如圖1所示。梁底平曲線為36 m(第一段緩和曲線)+32 m(第二段緩和曲線)+6 m(半徑700 m圓曲線)，豎曲線接1.20%到-4.45%，凸曲線半徑為800 m，線型較為復(fù)雜，因而在頂推施工過(guò)程中需要多次調(diào)整標(biāo)高，故采用前端加裝導(dǎo)梁的方法，頂推施工平面布置如圖2所示，施工工藝如圖3所示。

圖1 克南橋橫斷面圖(單位：mm)

圖2 頂推施工平面布置圖

圖3 頂推施工工藝

2 主要材料及性能指標(biāo)

2.1 主梁鋼材

在橋梁建設(shè)中，選擇技術(shù)指標(biāo)符合《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》[6]及《碳素結(jié)構(gòu)鋼》[7]等相關(guān)要求的鋼材。其主梁等主要受力結(jié)構(gòu)采用Q345qD鋼材，其余結(jié)構(gòu)鋼材按照相關(guān)圖紙的要求選用。Q345qD鋼材的主要力學(xué)性能如表1所示。

表1 主要受力結(jié)構(gòu)鋼材力學(xué)性能

參照《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]，抗力分項(xiàng)系數(shù)取1.25，Q345qD鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值如表2所示。

表2 Q345qD鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值

2.2 臨時(shí)結(jié)構(gòu)鋼材

臨時(shí)結(jié)構(gòu)鋼材等級(jí)為Q235和Q345，其容重、彈性模量、剪切模量、線膨脹系數(shù)及泊松比均與Q345qD鋼材相同，具體數(shù)值如表1所示；Q235和Q345鋼材其他力學(xué)性能如表3所示。

表3 鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(單位：MPa)

3 主梁受力特性分析

3.1 計(jì)算工況

主梁頂推施工設(shè)計(jì)階段將按照表4工況進(jìn)行力學(xué)性能計(jì)算。

表4 計(jì)算工況表

3.2 計(jì)算方法

3.2.1 有限元建模

在計(jì)算分析時(shí)將采用3D3S程序的空間桿系有限元法及結(jié)構(gòu)Frame單元，對(duì)主梁及導(dǎo)梁在頂推過(guò)程中的內(nèi)力、變形以及各個(gè)支點(diǎn)反力進(jìn)行模擬，并以此對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行校核，模型如圖4所示。

圖4 有限元模擬

3.2.2 恒載計(jì)算

結(jié)構(gòu)主梁在恒載作用下，力學(xué)性能分析時(shí)僅考慮重力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，其主梁自重約為3260 kN，導(dǎo)梁自重約為350 kN。

3.2.3 截面強(qiáng)度計(jì)算

截面強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)，將考慮強(qiáng)度、整體穩(wěn)定性、受壓翼緣局部穩(wěn)定及腹板局部穩(wěn)定等因素的影響。

(1)軸心受拉構(gòu)件

軸心受拉構(gòu)件承載力計(jì)算及摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接處承載力計(jì)算將參考《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]的要求進(jìn)行計(jì)算分析，如式(1)、式(2)所示。

γ0Nd≤A0fd

(1)

式中：Nd為軸心拉力設(shè)計(jì)值；A0為凈截面面積。

(2)

式中：n1為節(jié)點(diǎn)拼接處，構(gòu)件一端連接的高強(qiáng)度螺栓數(shù)目；n為所計(jì)算截面上(最外列)高強(qiáng)度螺栓數(shù)目。

(2)軸心受壓構(gòu)件

軸心受壓構(gòu)件承載力及整體穩(wěn)定性計(jì)算將按照《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]相關(guān)要求進(jìn)行計(jì)算分析，如式(3)、式(4)所示。

γ0Nd≤Aeff,cfd

(3)

式中：Nd為最不利截面軸心壓力設(shè)計(jì)值；Aeff,c為考慮局部穩(wěn)定影響的有效截面面積。

(4)

式中：Nd為軸心壓力設(shè)計(jì)值，當(dāng)壓力沿軸向變化時(shí)取構(gòu)件中間1/3部分的最大值；χ為軸心受壓構(gòu)件整體穩(wěn)定折減系數(shù)，按附錄A計(jì)算，取兩主軸方向的較小值；Aeff,c為考慮局部穩(wěn)定影響的有效截面面積；ey，ez為有效截面形心在z軸、y軸方向距離毛截面形心的偏心距；Wy,eff，Wz,eff為考慮局部穩(wěn)定影響的有效截面相對(duì)于y軸和z軸的截面模量。

(3)受彎構(gòu)件

主平面內(nèi)單向受彎實(shí)腹構(gòu)件，翼緣板彎曲正應(yīng)力按式(5)計(jì)算；主平面內(nèi)雙向受彎實(shí)腹構(gòu)件，翼緣板彎曲正應(yīng)力按式(6)計(jì)算。

(5)

(6)

式中，My為計(jì)算截面y軸彎矩設(shè)計(jì)值；Mz為計(jì)算截面的彎矩設(shè)計(jì)值。

其中受拉翼緣應(yīng)考慮剪力滯影響，受壓翼緣應(yīng)同時(shí)考慮剪力滯和局部穩(wěn)定影響。腹板剪應(yīng)力按照式(7)計(jì)算，開(kāi)口截面腹板彎曲剪應(yīng)力按式(8)計(jì)算。

γ0τ≤fvd

(7)

(8)

式中：V為剪力設(shè)計(jì)值；S、I分別為有效截面面積矩和慣性矩；tw為腹板厚度。

平面內(nèi)受彎實(shí)腹構(gòu)件腹板在正應(yīng)力σx和剪應(yīng)力τ共同作用時(shí)，應(yīng)滿足式(9)要求

(9)

3.2.4 工況荷載組合

工況荷載組合將依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[9]分為標(biāo)準(zhǔn)組合和基本組合兩種進(jìn)行計(jì)算，具體如表5所示。

表5 荷載組合工況表

其中：γGi為第i個(gè)永久作用的分項(xiàng)系數(shù)，在施工階段動(dòng)載系數(shù)取1.20，沖擊系數(shù)取1.10；Gk為結(jié)構(gòu)自重；γQ1為可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)，分析時(shí)取1.40；Q1k為可變荷載的標(biāo)準(zhǔn)值；ψc為其他可變荷載組合值系數(shù)，分析時(shí)取0.75；γQ2為其他可變荷載分項(xiàng)系數(shù)，其中風(fēng)荷載取1.10，其他取1.40；Q2k為其他可變荷載的標(biāo)準(zhǔn)值。

3.2.5 支點(diǎn)反力計(jì)算

在標(biāo)準(zhǔn)組合荷載作用時(shí)，各階段各臨時(shí)支墩的支點(diǎn)反力如圖5所示。

根據(jù)圖5分析發(fā)現(xiàn)，臨時(shí)支墩L1最大豎向反力出現(xiàn)在頂推到位后內(nèi)側(cè)支點(diǎn)處，為675.3 kN；臨時(shí)支墩L2最大反力出現(xiàn)在導(dǎo)梁L1前內(nèi)側(cè)支點(diǎn)處，為1010.2 kN；臨時(shí)支墩L3最大反力出現(xiàn)在尾部脫離L4前內(nèi)側(cè)支點(diǎn)處，為1073.0 kN；臨時(shí)支墩L4最大豎向反力出現(xiàn)在三次拼裝時(shí)內(nèi)側(cè)支點(diǎn)處，為670.5 kN。

圖5 頂推施工各階段支點(diǎn)反力

3.2.6 撓度計(jì)算

在標(biāo)準(zhǔn)組合荷載作用時(shí)，各階段結(jié)構(gòu)主梁及導(dǎo)梁撓度計(jì)算如表6所示。

表6 撓度統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)表6可知，結(jié)構(gòu)導(dǎo)梁最大撓度出現(xiàn)在懸臂端L1前，為175.00 mm；結(jié)構(gòu)主梁最大撓度出現(xiàn)在尾部脫離L4時(shí)，為71.00 mm。

3.2.7 應(yīng)力計(jì)算

在基本組合荷載作用時(shí)，各階段結(jié)構(gòu)主梁及導(dǎo)梁應(yīng)力計(jì)算如表7所示。

表7 最大應(yīng)力比統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表7可知，結(jié)構(gòu)導(dǎo)梁最大應(yīng)力出現(xiàn)在尾部脫離L4時(shí)，為35 MPa，僅占設(shè)計(jì)值的12.7%；結(jié)構(gòu)主梁最大應(yīng)力出現(xiàn)在導(dǎo)梁進(jìn)入L1時(shí)，為105 MPa，僅占設(shè)計(jì)值的38.2%。

4 總結(jié)

(1)在標(biāo)準(zhǔn)組合荷載作用下，曲線梁橋頂推施工過(guò)程中，各臨時(shí)支墩支點(diǎn)處最大豎向反力均出現(xiàn)在曲線內(nèi)側(cè)各支點(diǎn)。

(2)在標(biāo)準(zhǔn)組合荷載作用下，曲線梁橋頂推施工過(guò)程中，結(jié)構(gòu)主梁最大撓度將會(huì)出現(xiàn)在尾部脫離頂推方向第一個(gè)臨時(shí)支墩時(shí)；結(jié)構(gòu)導(dǎo)梁最大撓度出現(xiàn)在其懸臂端即將到達(dá)頂推方向最后一個(gè)臨時(shí)支墩時(shí)。

(3)在基本組合荷載作用下，曲線梁橋頂推施工過(guò)程中，結(jié)構(gòu)主梁最大應(yīng)力將會(huì)出現(xiàn)在尾部脫離頂推方向第一個(gè)臨時(shí)支墩時(shí)；結(jié)構(gòu)導(dǎo)梁最大應(yīng)力出現(xiàn)在其懸臂端即將到達(dá)頂推方向最后一個(gè)臨時(shí)支墩時(shí)。