楊智敏，荊偉偉，嚴(yán)水龍，劉旭政

（1.嘉興市卓越交通建設(shè)檢測(cè)有限公司，浙江 嘉興 314001；2.嘉善縣交通運(yùn)輸局，浙江 嘉興 314100；3.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013）

0 引言

近年來，隨著鋼鐵產(chǎn)能的提高和鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)具備了推廣鋼結(jié)構(gòu)橋梁的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)條件。2016 年7 月，交通運(yùn)輸部發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)的指導(dǎo)意見》，此后國(guó)內(nèi)各地公路橋梁迎來鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)浪潮。2011 年，安徽省開始對(duì)鋼板組合梁橋開展了系統(tǒng)研究，已完成了多套上部結(jié)構(gòu)通用圖設(shè)計(jì)，并于2013年在安徽濟(jì)祁高速淮河橋長(zhǎng)引橋中首先采用了這一結(jié)構(gòu)形式。2018 年12 月，浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司編制完成了《鋼板組合梁橋通用圖》，適用于跨徑為35 m 和45 m 的雙向四車道和雙向六車道公路的上部結(jié)構(gòu)。2020 年，安徽省制定頒布了地方標(biāo)準(zhǔn)《雙主梁鋼板組合梁橋設(shè)計(jì)與施工指南》。2020 年，浙江省制定頒布了地方標(biāo)準(zhǔn)《公路鋼板混凝土組合梁橋設(shè)計(jì)規(guī)范》。2022 年4 月頒布實(shí)行的《裝配化工字組合梁鋼橋通用圖》中推薦40～60 m 跨徑鋼橋宜優(yōu)先選用工字組合梁結(jié)構(gòu)。隨著鋼板組合梁標(biāo)準(zhǔn)圖及規(guī)范的編制[1-3]，可以預(yù)見，國(guó)內(nèi)各地鋼板組合梁橋結(jié)構(gòu)體系將得到大范圍的推廣和應(yīng)用。

然而，由于目前建成的鋼板組合梁橋數(shù)量有限，國(guó)內(nèi)對(duì)于鋼板組合梁橋的研究多集中在受力分析、結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)造設(shè)計(jì)方面[4-5]，建設(shè)各方對(duì)這一新型橋梁結(jié)構(gòu)在施工過程中存在的問題及風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識(shí)不足，大跨度鋼梁在施工階段下的長(zhǎng)懸臂狀態(tài)及吊裝過程中受外部荷載或者環(huán)境影響存在發(fā)生整體失穩(wěn)和局部屈曲的風(fēng)險(xiǎn)[6-7]。本文以60 m 鋼板組合梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，分析了在鋼橋吊裝階段承受的各種不利荷載，計(jì)算了不同設(shè)計(jì)參數(shù)下的鋼梁穩(wěn)定性，研究結(jié)果可為大跨徑鋼板梁橋的設(shè)計(jì)及施工提供有益參考。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)的選取與模型的建立

鋼板組合梁橋施工過程中幾何參數(shù)、施工邊界、施工順序及方法等均為不確定性因素[8]。為使本研究結(jié)果具有廣泛指導(dǎo)意義，首先對(duì)幾套通用圖紙幾何信息及施工方法進(jìn)行調(diào)研，并據(jù)此確立研究參數(shù)。其次，基于有限元分析軟件，采用穩(wěn)定性分析手段分析各工況下受力響應(yīng)變化規(guī)律，并給出有效施工建議。

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的選取

鋼梁的幾何參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)受力特性影響較大，建立合理的幾何參數(shù)工況，可有效提高分析效率，并使分析結(jié)果具有廣泛性。為此，本文匯總了交通部標(biāo)準(zhǔn)圖紙中30～60 m 跨徑鋼板連續(xù)梁橋的鋼梁參數(shù)信息，詳見表1。

表1 鋼板梁幾何參數(shù)匯總

從表1 可以看出，60 m 跨徑鋼板梁梁高為3 m，高跨比為0.05，在30～60 m 跨徑中更易出現(xiàn)整體失穩(wěn)。底板寬度為800 m，厚度為40～50 mm，翼板寬厚比較大，更易出現(xiàn)局部屈曲。因此，本文選用60 m 跨徑鋼板梁為研究對(duì)象分析計(jì)算其施工階段的整體及局部穩(wěn)定性。

基本計(jì)算參數(shù)選用交通部3×60 m 雙向四車道工字組合連續(xù)梁橋，設(shè)計(jì)荷載為公路-I 級(jí)。橋梁全寬為26 m，分離式橋面布置，單幅橋面寬度為12.75 m。采用三片鋼主梁，單片鋼主梁梁高3 m，鋼主梁中心距5.1 m，上翼緣寬0.6 m，下翼緣寬0.7 m。在墩、臺(tái)頂和跨中位置設(shè)置實(shí)腹式橫向聯(lián)結(jié)，跨間其他位置采用K 形桁架式橫向聯(lián)結(jié)。主梁標(biāo)準(zhǔn)截面如圖1 所示。鋼主梁采用工廠分節(jié)段預(yù)制，節(jié)段間采用高強(qiáng)度螺栓工地現(xiàn)場(chǎng)連接。橋面板為預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，后澆混凝土濕接縫。

圖1 主梁標(biāo)準(zhǔn)截面圖（單位：cm）

1.2 分析工況確定

交通部標(biāo)準(zhǔn)圖中明確了上部結(jié)構(gòu)的架設(shè)安裝主要考慮3 種方案：（1）對(duì)于橋跨數(shù)較多的主線橋梁，推薦采用架橋機(jī)施工方案。（2）對(duì)于跨河、跨谷和橋墩較高的主線橋梁，可采用在一岸進(jìn)行主梁組拼，然后頂推就位的施工方案。若跨徑較大，可根據(jù)需要設(shè)置臨時(shí)墩支撐；其余地形條件可采用支架法施工方案。（3）對(duì)于支架架設(shè)方案，采用如下施工步驟：a. 拼接第1 跨主梁，若現(xiàn)場(chǎng)起吊能力較強(qiáng)，可考慮半幅橋整孔吊裝架設(shè)。若現(xiàn)場(chǎng)起吊能力有限，可分片架設(shè)，并及時(shí)安裝橫向聯(lián)結(jié)系。為防止第一片鋼梁架設(shè)完成后的側(cè)翻，應(yīng)對(duì)鋼梁進(jìn)行橫向臨時(shí)支撐。b. 在1號(hào)墩頂節(jié)段的接頭處設(shè)置臨時(shí)支架，將拼接好的第2跨主梁吊裝就位，并在臨時(shí)支架上完成與第1 跨主梁的拼接。c. 在2號(hào)墩頂節(jié)段的接頭處設(shè)置臨時(shí)支架，將拼接好的第3 跨主梁吊裝就位，并在臨時(shí)支架上完成與第2 跨主梁的拼接。至此，完成鋼主梁的架設(shè)。

目前交通部標(biāo)準(zhǔn)圖中推薦主梁節(jié)段長(zhǎng)度不宜超過12 m，但在實(shí)際施工時(shí)，臨時(shí)支架位置受橋下交通或地質(zhì)條件限制，節(jié)段長(zhǎng)度將會(huì)增加。此外，從施工便利和成本上考慮，節(jié)段長(zhǎng)度越大越有利。因此，本文選取分析參數(shù)時(shí)，簡(jiǎn)支吊裝計(jì)算跨徑選為20～45 m，以每5 m 一個(gè)工況；梁高取高跨比1/15、1/17 和1/20；橫梁間距取5 m、7.5 m 和10 m。通過擴(kuò)大參數(shù)分析，探討簡(jiǎn)支吊裝施工方法下，不同幾何參數(shù)和施工因素對(duì)受力響應(yīng)的影響規(guī)律。

1.3 有限元模型的建立

采用ABAQUS 建立吊裝過程有限元模型。由于本文研究分析關(guān)注于橋面板與鋼梁形成整體共同受力之前的整個(gè)施工過程，研究對(duì)象集中在鋼梁的受力特性分析，故僅需定義鋼的材料屬性。鋼梁采用Q355C 鋼材，彈性模量E =2.0×105MPa，屈服應(yīng)力fy=295 MPa。鋼主梁采用S4R 四節(jié)點(diǎn)薄殼單元進(jìn)行模擬，梁端約束定義與實(shí)際布置的支座形式相同。根據(jù)實(shí)際施工階段，采用軟件中MODEL CHANGE 模塊來實(shí)現(xiàn)對(duì)單元的“激活”與“鈍化”，以此實(shí)現(xiàn)施工過程鋼梁的拼裝，并對(duì)每一施工階段的鋼梁施加邊界和荷載，建立了全橋施工過程有限元模型。施工階段有限元模型如圖2 所示。

圖2 施工階段有限元模型

結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析通常包括特征值屈曲分析和后屈曲分析（非線性）[9]。鋼梁施工階段的應(yīng)力均處于彈性屈曲范圍內(nèi)，因此本文采用第一類特征值屈曲分析來進(jìn)行鋼梁穩(wěn)定性評(píng)估。特征值屈曲計(jì)算出的穩(wěn)定系數(shù)λ 定義如式（1）所示：

式中，Pcr是相應(yīng)的屈曲載荷；λ 是特征值；Pref是初始施加的參考荷載，本文將鋼梁自重作為初始參考荷載。

2 計(jì)算結(jié)構(gòu)分析

2.1 不同吊裝節(jié)段長(zhǎng)度

分析不同節(jié)段長(zhǎng)度下單梁架設(shè)穩(wěn)定性，跨徑選取20～45 m，通過屈曲分析得到不同跨徑下的失穩(wěn)模態(tài)和穩(wěn)定系數(shù)（見表2）。屈曲模態(tài)如圖3 所示。

圖3 不同節(jié)段長(zhǎng)度單梁失穩(wěn)模態(tài)

表2 不同節(jié)段長(zhǎng)度單梁特征屈曲計(jì)算結(jié)果

當(dāng)單梁跨徑較小時(shí)，其穩(wěn)定性較好。其中，在20 m和25 m 跨徑下，鋼梁呈現(xiàn)整體失穩(wěn)且伴隨翼緣板屈曲，穩(wěn)定系數(shù)分別為38.853 和20.772。此時(shí)鋼梁能承受的極限荷載較大，直到頂板發(fā)生屈曲時(shí)才達(dá)到整體側(cè)向失穩(wěn)狀態(tài)，具有較高的穩(wěn)定性。當(dāng)單梁跨徑超過30 m 后，發(fā)生整體側(cè)向失穩(wěn)時(shí)不再伴隨有翼緣板屈曲現(xiàn)象，其能承受的極限荷載降低，跨徑每增大5 m，穩(wěn)定性降低40%左右。當(dāng)跨徑達(dá)到45 m 時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)僅為2.852。此時(shí)還未考慮鋼梁初始缺陷和其他荷載的影響，采用45 m 節(jié)段架設(shè)鋼梁穩(wěn)定性較差。當(dāng)單梁為40 m 跨徑時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)為4.467，處于規(guī)范限值臨界狀態(tài)。

2.2 不同鋼梁高度

選取高跨比1/15、1/17、1/20，即梁高分別為4 m、3.5 m 和3 m，其中3 m 為交通部通用圖中的設(shè)計(jì)梁高。在鋼板組合梁橋的架設(shè)過程中，單梁階段為最不利施工階段。此時(shí)各橫向聯(lián)系未完成拼接，主梁的約束較少，處于相對(duì)不穩(wěn)定狀態(tài)。以單梁狀態(tài)為基礎(chǔ)，在不調(diào)整板厚、翼緣寬度等參數(shù)下分析不同梁高單梁的穩(wěn)定性。經(jīng)計(jì)算分析，不同工況下鋼梁均呈現(xiàn)整體側(cè)向失穩(wěn)。不同梁高、不同跨徑下主梁穩(wěn)定系數(shù)匯總見表3。

表3 不同參數(shù)下穩(wěn)定系數(shù)

由表3 結(jié)果可知，相同節(jié)段跨徑下，隨著梁高的增大，穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低。在梁高3 m 時(shí)，跨徑達(dá)到40 m 時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)為4.467，符合規(guī)范限值要求。梁高3.5 m 工況下，在跨徑達(dá)到40 m 時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)為3.950，但此時(shí)鋼梁為理想狀態(tài)。若考慮初始缺陷和風(fēng)荷載等影響，穩(wěn)定系數(shù)繼續(xù)降低，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。節(jié)段跨徑達(dá)到40 m 時(shí)，應(yīng)密切關(guān)注鋼梁?jiǎn)瘟菏┕るA段的穩(wěn)定性，保證結(jié)構(gòu)施工安全。

2.3 不同橫梁間距受力分析

選取橫梁間距為5 m、7.5 m、10 m 和15 m 建立ABAQUS 有限元模型，以架設(shè)完第1 跨為例分析不同橫梁間距下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，得到不同橫梁間距對(duì)應(yīng)的一階失穩(wěn)模態(tài)，如圖4 所示。

圖4 不同橫梁間距多梁失穩(wěn)模態(tài)

由圖4 可以看出，隨著橫梁間距減小，結(jié)構(gòu)的一階失穩(wěn)模態(tài)由側(cè)向彎扭失穩(wěn)轉(zhuǎn)變?yōu)橐砭壈?、腹板局部屈曲。將各工況下穩(wěn)定系數(shù)整理見表4。

表4 不同橫梁間距特征屈曲計(jì)算結(jié)果

由表4 可知，橫梁間距15 m 時(shí)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)為6.334，屈曲模態(tài)表現(xiàn)為側(cè)向彎扭失穩(wěn)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，在實(shí)際工程中應(yīng)避免一階模態(tài)為整體失穩(wěn)。當(dāng)橫梁間距縮短到10 m 后，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到10.767，一階屈曲模態(tài)由側(cè)向彎扭失穩(wěn)轉(zhuǎn)變?yōu)橐砭壈搴透拱宓木植壳?。此時(shí)繼續(xù)縮短橫梁間距，結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)和屈曲模態(tài)均變化較小。可見，當(dāng)橫梁間距縮短到10 m 后，主梁的側(cè)向位移受到橫梁約束，不再呈現(xiàn)彎扭失穩(wěn)模態(tài)，屈曲模態(tài)表現(xiàn)為局部失穩(wěn)。繼續(xù)縮短橫梁間距對(duì)穩(wěn)定性影響不大，說明此時(shí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性主要由加勁肋的間距進(jìn)行控制，橫梁的約束對(duì)翼緣板和腹板的局部屈曲影響較小。交通部通用圖中設(shè)計(jì)橫梁間距為5 m，可保證鋼梁整體穩(wěn)定。

3 結(jié)論

本文對(duì)60 m 跨徑鋼板組合梁橋吊裝施工過程穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得到如下主要結(jié)論：

（1）隨著鋼梁節(jié)段跨徑增大，單梁穩(wěn)定性降低，單梁節(jié)段跨徑每增大5 m，穩(wěn)定性能降低約40%，節(jié)段跨徑為40 m 時(shí)其穩(wěn)定系數(shù)為4.467，處于規(guī)范限值臨界狀態(tài)。

（2）相同跨徑下，穩(wěn)定系數(shù)隨著梁高增大而降低。節(jié)段跨徑達(dá)到40 m 時(shí)，鋼梁穩(wěn)定系數(shù)較低，應(yīng)密切關(guān)注鋼梁?jiǎn)瘟菏┕るA段的穩(wěn)定性，保證結(jié)構(gòu)施工安全。

（3）橫梁間距過大易導(dǎo)致鋼梁發(fā)生側(cè)向彎扭失穩(wěn)。此時(shí)縮短橫梁間距可以提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。橫梁間距縮短到10 m 后，失穩(wěn)模態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫植渴Х€(wěn)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性主要由其自身構(gòu)造控制，繼續(xù)縮短橫梁間距對(duì)穩(wěn)定性影響較小。