混凝土宽箱梁桥上运梁过程仿真分析.pdf

2 0 1 1 年第 1期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i n g 文章编 号 ： 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ( 2 0 1 1 ) 0 l 一 0 0 0 1 - 0 3 混凝 土宽箱梁桥 上运梁过程仿真分析 马 耕 ( 福州市规划设计研究院 ， 福州3 5 0 0 0 1 ) 摘 要 ： 以 国 内某采 用 引桥 连 续宽箱 梁作 为主桥 钢 箱梁 的组拼 、 移 梁施 工场 地 为研 究对 象 ， 建 立精 细化 空 间 实体有 限元模 型 对钢 箱梁拼 装 、 移 梁过 程 中在 引桥 宽 箱梁 的结构 响应进 行 分析 。研 究表 明 ： 单跨 范 围 内进 行钢 箱 梁组拼 对竖 向 变形影响 最 大 ； 钢箱 梁拼装 、 移梁 同时进行 时墩 顶 断面翼缘 端部 位置 的横 向应 力变化显 著 ， 在 对该 区域 的混 凝土采 取加 劲处 理后 ， 可 以进 行钢 梁组 拼及 移动作 业 。 关键 词 ： 预 应 力混凝 土 宽 箱梁运 梁仿 真 分析结构 响应 中图分类 号 ： U 4 4 5 ；U 4 4 1 文献 标识 码 ： A 某 高 速公 路 桥 梁 主 桥 为 独 塔 双 索 面钢 箱 梁斜 拉 桥 ， 大桥采 用双 向八 车道 ， 桥梁 宽度 4 0 5 m( 不含 布 索 区) 。钢箱 梁 架 设 采 用 顶 推 法 施 工 。经方 案 比选 ， 最 终采 用 以混 凝土 宽箱 梁引桥 作 为主桥 钢箱 梁组拼 施工 场地 ， 进行钢箱梁的拼装、 移梁和顶推作业。 该桥 引桥采 用 了 6 4 5 m跨 径 的斜 腹板 式单 箱单 室预 应力混 凝 土 等 截 面 连续 箱 梁 结 构 ， 上 下 幅 分 离 。 桥梁单 幅全 宽 1 9 5 5 m， 箱 梁高 3 0 m， 底板 宽 9 7 5 m， 箱梁典 型断 面 如 图 1 所 示 。本桥 宽高 比 达 到 6 5 ： 1 ， 宽跨比也接近 0 5 ， 属于典型的低高度宽箱梁， 在国内 类似工程实践并不多见。 目前 ， 针对宽箱梁桥 的空间 受 力特性 的研 究还 不 多 ， 对其 空 间应 力 状 态 的认 识 也 不 成熟 ， 而通 过此类 箱梁 进行 大 吨位 钢箱 梁 的组 拼 、 运 梁 的实践 在 国内 尚属 首 次 。 因此 ， 有 必要 对 主 桥 钢 箱 梁 在组拼 、 运梁 过程 中引 桥宽 箱 梁 的 结 构空 间受 力 进 行仿真分析， 确保施工中结构的安全性。 图 1 跨 中典 型横 断面( 单位 ： c m) 1 组拼及运梁方案介绍 钢箱 梁 主要构 件 在 制梁 厂 加 工 制作 完 成 ， 吊装 至 引桥箱 梁上 。在预 先安装 好 的胎架 上进 行钢箱 梁 的组 收稿 13期 ： 2 0 1 0 - 0 9 - 1 8 ； 修回 13期： 2 0 1 0 1 0 2 0 作者简介 ： 马耕 ( 1 9 6 3 一 ) ， 男 ， 福建福州人 ， 高级工程师。 图 2 钢箱梁拼装胎架及梁上运梁示 意 架 拼 ， 胎架 按 1 5 m标 准段 设计 ， 原则 上 每 个 横 隔板 及 梁 端 外伸 2 i n处下设 胎 架横 梁 。对 于非标 准 间距 的横 隔板 ， 可 对胎 架横 梁 作 临 时调 整 。胎 架 与 混凝 土 桥 面 的连接可根据荷载及施工方便 的具体情况而定， 如采 取预埋钢板焊接或在桥面作临时圈梁栓接 。待钢箱梁 组拼 完成 后 ， 用 专用 运 梁平 车通 过 预设 的钢 轨 将 钢箱 梁运 送至 指定 位 置 ， 进 行 钢 箱 梁 的顶 推 工 序 。钢箱 梁 拼装 胎架 及梁 上运梁 示 意如 图 2所示 。 2计算荷载及工况说明 2 1 计算 荷载 在 钢箱梁组拼 、 运梁 过程 中， 引桥 宽箱 梁 主要 承受 两部 分荷载 ： 第 一部 分 为箱梁 自身 的恒载 ， 包括 箱梁 自 重 、 桥面铺装栏杆等二期恒载以及预应力效应 ， 相应参 数 可按照规 范 及 施 工 图取 值 ； 另 一部 分 为 施 工 临时 荷 载 ， 包括钢箱梁梁段 自重 g ， 、 胎架 自重 q 、 胎架与桥面板 之 间预埋 钢板 q ， 以及平 车拖 运时车轮 的作用 力 R 、 尺 。 经计算得 到各单项产 生的纵 向荷载 累计效 应为 q =q + q +q 3=1 5 4 4 k N m( 横 向以全 宽 4 0 m 计 ) ； R =2 7 6 6 3 t=1 5 3 2 6 k N， R2=21 0 3 0 2 t=2 0 6 0 4 kN。 2 2计算 工况 根据 上述 荷载形 式 以及结 构特 点 ， 钢 箱梁组 拼 、 运 2 铁道建筑 梁过程 中需要 进行 的计 算 工况 包括 三 种 ， 计算 工 况 图 式详见 图 3 。 q q 几了丌 ( 1 ) 丁 _ 兀 ( 2 ) 工况一 ：( 1 ) ， ( 2 )表 示钢箱梁和胎架仅布置在一跨范 围内 工况二 ：钢箱梁和胎架满布1 5 0 m桥面 。 工况三：钢箱梁和胎架满布1 5 0 m桥面及平车运梁同时进行。 图 3 施工荷载验算工况图式 3 有 限元模型说 明 本 文采用大 型空 间 程 序 A N S Y S对 引桥 宽 箱 梁建 立 全桥空 间实体模 型 ， 箱 梁顶 、 底 、 腹板 、 横隔板 均以实 体单元 S O L I D 4 5模 拟， 纵、 横向预应力钢束 以杆单元 L I N K 8模 拟 。由于单 元划 分 较细 ， 程序 计 算 结果 将 自 动计入宽箱梁的剪切 、 扭转、 畸变及翘曲变形等影响。 中支点处结 构断 面透视 图如 图 4 。 图 4 结构断面透视图( 中支点处) 4 有限元仿真计算分析 本文对 引桥宽箱 梁 在 主桥 钢 箱梁 组 拼 、 运梁 过 程 中的三种计算工况分别进行分析 ， 包括宽箱梁的变形 、 纵桥向、 横桥向正应力 以及主拉应力。为了便于比较 ， 将成 桥状态 的结构 响应设 为工 况 4 。计 算 中应力 结 果 负值为受压 ， 正值 为受拉 ， 单位为 MP a ， 位移单位 为 m m 0 4 1 变形 响应分 析 选取第三跨跨中及墩顶两个控制截面的顶板顶面 位置作为研究对象， 各计算工况下的箱梁断面位移如 图 5 、 图 6所示 。 由 图 5 、 图 6可见 ， 相 对 与成 桥状 态 ， 钢箱梁组 拼 、 运梁 对跨 中断面竖 向变形 影响较 大 ， 尤 以 工 况一最 为严重 ， 顶板 中心最 大 竖 向变 形从 成 桥 时 的 4 7 m m增 大为 l 2 3 m m； 墩 顶 断 面 的变 形 较小 ， 各 工 况 下箱 梁 顶板 的最 大竖 向变形 在 2 mm 以 内， 且最 大 值发生在桥中心线侧翼缘端部。 g g 暹 瞥 一1 0 5 0 5 1 O 横向坐标( 顶板 中心为原点) m 图 5 跨 中断面顶板竖向变形 一1 0 5 0 5 l 0 横 向坐标( 顶板 中心为原点) m 图 6墩顶断面顶板竖 向变形 4 2纵桥 向应 力分析 不同工况下箱梁控制断面顶板顶面的纵桥向应力 分布如 图 7 、 图 8所 示 。计 算表 明 ， 工况 一作 用 下跨 中 断面箱梁 顶板 顶面正 应 力 的变 化最 为 明显 ， 顶板 中心 压应力从 5 6 4 MP a增大 至 7 0 0 MP a ； 而墩 顶 断 面顶 板顶面的压应力有所减小 ， 工况三 的影响最大 ， 其中， 翼缘端部位置顶板顶面从压应力 4 9 5 MP a变为接近 1 MP a的拉应 力 。 4 3 横桥 向应 力分析 不 同工况下 箱梁控 制断 面顶板顶 面 的横桥 向应力 分布如图 9 、 图 1 0所示 。计算表 明， 钢箱梁拼装 、 运梁 过程 对 引桥 宽箱 梁的横 向应力 分布影 响较小 。相对 而 言 ， 墩顶断面顶板顶面的横向应力变化略大， 其中， 在 工况 2作用下 ， 在距离顶板 中心 2 5 m附近位置 ， 顶板 顶 面横 向应 力从压应 力 0 1 5 MP a变为 1 1 3 MP a的拉 应力 ， 值得 注意 。 2 o 之 4 加 ) 2 4 6 8 O 2 4 6 8 0 0 0 2 0 1 1 年第 1期 混凝土宽箱梁桥上运梁过程仿真分析 3 羔 目 蟹 蜒 1 目 督 辎 瞽 1 O 5 0 5 1 0 横向 坐标f 顶板中心为原点) I n 图 7跨中断面顶板纵桥 向应力 1 0 - 5 0 5 1 0 横向坐标( 顶扳中心为原点) m 图 8墩顶断面顶板纵桥向应 力 1 0 - 5 0 5 1 0 横向坐标( 顶扳中心为原点) m 图 9跨 中断面顶板横桥 向应力 4 4主 拉应 力分析 限于篇 幅 ， 本 文仅 列 出 工况 3下 控 制 断 面 的主 拉 应 力 。引桥箱 梁第 三跨 跨 中梁 段 在工 况 3( 同 时进 行 钢箱梁拼装 、 运梁 ) 下 ， 最大主拉应力发生在底板 中心 上 表面 侧 ， 应 力值 为 1 9 6 MP a ， 小 于混 凝 土 的开 裂 强 度 ( 2 5 4 MP a ) 。 引 桥 箱 梁 第 三 跨 墩 顶 梁 段 在 工 况 3 下 ， 最大 主拉 应 力 发 生在 支座 位 置 ， 应力 值 为 5 8 M P a ， 超过混凝土的开裂强度。因此 ， 对该 区域的混凝 土应采 取加劲处 理 ， 以 防止混凝 土 出现裂缝 ， 影 响结 构 的使用性能和耐久性 。 主 叵 颦 埴 瞎 5 结 论 1 0 - 5 0 5 1 0 横向 坐标( 顶板中 心为原点) in 图 1 0墩顶断面顶板横桥 向应力 本 文利用 空 间有 限元 ， 对 引桥 宽 箱梁 在 主 桥 钢箱 梁拼 装 、 运梁 工况 下 的结 构 响 应进 行 了分 析 。研究 表 明 ， 钢箱 梁组 拼 、 运 梁对 跨 中断 面竖 向变 形 影 响较 大 ， 最大竖向变形增大近 8 m m。大部分梁段范围内纵、 横 桥向的正应力变化都较小 ， 其中， 工况 3下墩顶断面翼 缘端 部位 置顶 板顶 面 的应 力 变 化最 为显 著 ， 从 压应 力 4 9 5 MP a变为 接 近 1 M P a的拉 应 力 。而第 三 跨 墩 顶 梁段 在工 况 3下 的最 大 主拉 应力 发 生 在 支座 位 置 ， 应 力值 为 5 8 MP a ， 超 过混凝 土 的开 裂强 度 。因此 ， 对 该 区域的混凝土应采取加劲处理 ， 以防止混凝土出现裂 缝 ， 影响结构的使用性能和耐久性。 总体来说 ， 除局部位置需要进行加强外 ， 在主桥钢 箱梁拼装 、 运梁施工过程中可以保证本桥宽跨 比、 宽高 比均较 大 的低高 度混 凝土单 箱单 室连续 梁桥 处于 安全 状态 。 参 考 文 献 1 徐爱敏 ， 陈衡治 ， 张治成 杭州湾 大桥梁上运 梁过程仿 真分 析 J 中 国铁 道 科 学 ， 2 0 0 5， 2 6( 5 )： 2 2 2 5 2 张俊 平 ， 李 新 平 ， 张靖 展翅 梁 结构 节 段三 维应 力 场分 析 J 桥梁建设 ， 1 9 9 8 ( 3 ) ： 5 3 - 5 9 3 项海 帆 高等桥梁结构 设计理 论 M 北 京 ： 人 民交通 出版 社 2 0 0 1 4 张士铎 ， 邓 小华 ， 王 文州 箱 形薄 壁梁剪 力滞 效应 M 北 京 ： 人民交通出版社 1 9 9 8 ： 5 R E I S S N E R E O n t h e p r o b l e m o f s t r e s s d i s t r i b u t i o n i n w i d e fl a n g e d b o x b e a m J J o u r n a l A e r o S c i ， 1 9 8 3 ( 5 ) ： 2 9 5 - 2 9 9 6 梁志广 ， 郑凯 ， 陈密 特种车 辆通过桥 梁的加 固与评估 J 铁道建筑 ， 2 0 0 9 ( 3 ) ： 2 9 - 3 2 ( 责任 审编孟庆伶) 2 02 3 4 5 6 7 8 9 0 4 0 苫 目匠暴旧肾辎警 4 3 2 O 2 3 4 5 6 7 日 尽 恒肾 0 0 之 0 4