钢箱梁建设过程中最优支撑间距设置的研究.pdf

钢箱梁建设过程中最优支撑间距设置的研究 张晓辉，王 哲（中交三航局第三工程有限公司，江苏南京 210011）摘要：钢箱梁建设过程中支撑间距设置的越密，越有利于桥梁结构的内力及线形控制，但是位于长江行洪区的桥梁不可避免的要面临防洪防汛的要求，支撑间距不能设置的过密，为此，本文以长江岸边某环形景观桥为背景，使用 Midas Civil 软件建立桥梁有限元模型，分析了不同桥跨、不同支撑间距时钢箱梁的结构位移和截面应力，以寻求钢箱梁建设过程中最优化的支撑间距设置。研究发现：支撑间距与钢箱梁的结构位移和截面应力呈正相关；当桥跨较小时可采用一跨跨越的方式进行施工；当桥跨超过 47.5 m时，必须增设支撑，以保障钢箱梁结构受力安全性。关键词：钢箱梁；最佳支撑间距；钢箱梁结构位移；钢箱梁截面应力 中图分类号：U445.469 文献标识码：A 文章编号：1004-9592（2023）04-0055-04 DOI:10.16403/ki.ggjs20230412 Study on Optimum Spacing of Supports in Construction of Steel Box Girders Zhang Xiaohui,Wang Zhe（No.3 Engineering Co.,Ltd.of CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.Nanjing Jiangsu 210011,China）Abstract:The closer the spacing of supports in the construction of steel box girder,the better the control of internal forces and alignment of bridge structure.However,the bridge located on the flood way of the Yangtze River inevitably faces the requirement of flood control,thus the supports cannot be closer to each other.Based on a circular landscape bridge along the Yangtze River,MIDAS Civil software is used to build a finite element model to analyze the structural displacement and section stress of steel box girder with different spans and supports spacing,and calculate the most optimal support spacing in the construction of steel box girder.It is found that the structural displacement and section stress of steel box girders will increase with the increment of supports spacing.One-span bridge applies to the bridge with smaller span.When the bridge span exceeds 47.5 m,more supports shall be added so as to ensure the structural safety and stress of steel box girder.Key words:steel box girder;optimum spacing of supports;structural displacement of steel box girder;section stress of steel box girder 引引 言言 桥梁工程建设中，需要合理设置支撑以满足体系要求，避免结构可能会产生的较大变形，保证成桥时结构的线形1-3，同时也应尽可能减少焊接缝4，可以使得桥面更加平顺，舒适性也大大提高5-6。然而建设于长江岸边的桥梁，常常由于建设期长，不可避免的会遇到长江防洪防汛的需 求7，而使得桥梁施工过程中支撑的设置受到限制。对于不同跨径的桥梁来说，所需设计的支撑的间距需求也不同，因此，在保证桥梁结构受力收稿日期：2023-02-05 作者简介：张晓辉（1978-），男，硕士，高级工程师，主要从事公路、水运工程施工及技术管理工作。55Port,Waterway and Offshore Engineering 安全的前提下8-10，同时满足防洪防汛的要求，寻求桥梁最佳的支撑布置方式就显得尤为重要。至今，很多学者对结构体系变化进行了计算分析，如张虎伟11针对槐河桥加固时的体系转换进行了计算分析；章耀林12对鹅公岩轨道桥的体系转换进行了分析，理论上保证了体系转换过程的高效、安全和经济性；路韡等13对西宁文汇桥的体系转换方案进行了分析，并提出了优化方案，但均未结合长江防洪防汛的实际工程需求，研究既能满足防洪防汛要求又以保证桥梁结构受力安全为前提的桥梁建设过程支撑设置最优间距。本文以长江岸边某环形景观桥为分析案例，建立了全桥的有限元模型，分析了不同支撑间距对不同桥跨钢箱梁结构位移及截面应力的影响，从而确定了钢箱梁建设过程中最优化的支撑设置间距。1 工程概况工程概况 研究分析的桥梁基本情况为：圆环形钢箱梁桥，中心线平面半径 R=50 m，桥梁全长为 186.8 m，为 5跨等高度连续钢箱梁，中间跨跨径为 50 m。节段拼装过程中根据节段划分及拼装需要在墩柱 1到墩柱 6分别设置支撑，另外墩柱 2到墩柱5 之间额外增设 4 组临时支撑，共计 10 组支撑。其中 8 组位于河流区，对防洪防汛会有一定影响，两组位于陆地区总体布置如图 1 所示。图图 1 总体布置示意图总体布置示意图 典型横断面如图 2所示。图图 2 桥梁典型横断面示意图桥梁典型横断面示意图 2 模型的建立模型的建立 使用 Midas Civil 建立该钢箱梁桥的有限元模型，对钢箱梁桥的结构位移和截面应力进行分析。模型中采用梁单元进行模拟，共有 1 059 个节点，1 035 个单元。全桥梁采用 Q345qC 钢，墩柱3 和墩柱 4 材料为 C40 混凝土，与钢箱梁采用墩梁固结模拟，其余墩柱采用边界条件简化模拟。模型如图 3所示。图图 3 全桥有限元模型全桥有限元模型 为了分析不同支撑间距对该钢箱梁桥结构位移和截面应力的影响，首先在图 1 所示的墩柱 1-6、临时支撑 1-4 的位置设置竖向支撑；其次，通过分步钝化支撑形式模拟拆除支撑，改变支撑间距的目的，最终分别计算分析了支撑间距为 15 m、35 m、50 m 的钢箱梁结构位移和截面应力，三种支撑间距对应的支撑情况如表 1所示。表表 1 支撑方案支撑方案 最大支撑间距/m 对应支撑位置 15 临时支撑 2、墩柱 3 35 临时支撑 3、墩柱 3 50 墩柱 3、墩柱 4 3 最优化支撑间距设置分析最优化支撑间距设置分析 3.1 支撑间距对支撑间距对 50 m 跨径钢箱梁结构的影响分析跨径钢箱梁结构的影响分析 箱梁完成拼装后，钢箱梁的位移如表 2 所示。可以看出，支撑间钢箱梁最大竖向位移为2.34 mm。在拆除临时支撑 2，最大支撑间距变为35 m，位移如图 4 所示，位移为 21.02 mm；拆除临时支撑 2 和临时支撑 3 后支撑最大间距变为 50 m，位移如图 5，位移为 81.31 mm。56 图图 4 最大支撑间距最大支撑间距 35m 钢箱梁位移图（钢箱梁位移图（mm）图图 5 最大支撑间距最大支撑间距 50m 中跨位移（中跨位移（mm）对比不同支撑间距钢箱梁位移如表 20 所示。从表中可以看出，随着临时支撑的间距增大位移会随之增大，当拆除全部支撑后，即最大支撑间距为 50 m，与成桥后位移相差不大。若只拆除 2#支撑，最大支撑间距变为 35 m，较一次全部拆除成桥位移值增大了 0.33 mm，而若将河流区域中的所有支撑都拆除后，成桥位移偏差则有 2.30 mm。拆除临时支撑 2，最大支撑间距为 35 m 主梁应力如图 6 所示，由图可得最大拉应力出现在 35 m的跨中处，为 23.33 MPa，最大压应力位于未拆除的支撑处，为 39.56 MPa。当拆除临时支撑2、3，最大支撑跨度变为 50 m，钢箱梁最大拉应力为 44.81 MPa，位移位于跨中，最大压应力为60.77 MPa，位于支座处。对比钢箱梁的应力如表 3 所示，从表中可以看出，在拆除支撑后，中间跨的主梁应力所有增大，但相对于一次拆除全部支架的成桥应力相差不大。若只拆除 2#支撑，最大支撑间距变为 35 m，较一次全部拆除成桥应力值增大了 0.02 MPa，而若将河流区域中的所有支撑都拆除后，成桥应力偏差则有 1.52 MPa。表表 2 不同支撑间距钢箱梁最大位移不同支撑间距钢箱梁最大位移 最大支撑间距/m 节段拼装/mm 拆除支撑/mm 落架/mm 成桥/mm 15 2.34 2.34 91.17 104.02 30 2.34 21.02 91.22 104.35 50 2.34 81.31 91.72 106.32 表表 3 不同支撑间距钢箱梁应力不同支撑间距钢箱梁应力 节段拼装/MPa 拆除支撑/MPa 落架/MPa 成桥/MPa 最大支 撑间距/m 压应力/拉应力 压应力/拉应力 压应力/拉应力 压应力/拉应力 15 11.21/9.87-/-58.17/48.13 68.37/55.06 30 11.21/9.87 23.33/39.56 68.16/49.05 68.35/55.08 50 11.21/9.87 60.77/44.81 70.07/49.15 82.11/56.58 图图 6 最大支撑间距最大支撑间距 35m 主梁应力（单位：主梁应力（单位：MPa）图图 7 最大支撑间距最大支撑间距 50 m 主梁应力（单位：主梁应力（单位：MPa）综上，不同的结构支撑体系，不同的最大支撑间距，钢梁的的位移和应力会随着支撑间距的增大而增大，但均小于成桥时的结果。若仅拆除中跨间一个支撑时，最大支撑间距 35 m，支撑体系变化幅度较小，变形和应力影响不大；若拆除所有河流区域的支撑后，最大支撑间距变成 50 m，支撑体系发生较大变化，尽早的发挥钢箱梁自身的刚度，对最终成桥状态的变形和应力影响相对显著。3.2 支撑间距对不同跨径钢箱梁结构的影响分析支撑间距对不同跨径钢箱梁结构的影响分析 为了分析施工阶段不同支撑间距对不同跨径钢箱梁成桥状态的影响，分别建立不同主跨径（50 m、47.5 m、45 m、42.5 m、40 m、37.5 m、35 m）环形桥的模型进行敏感性分析。为充分考虑施工过程对最终成桥状态的影响，不同跨度的桥梁均考虑拆除支撑、落架（体系转换）以及最终成桥。三个施工过程中的位移和应力如图 8 和图 9所示。从图中可以看出，随着57 跨径的增长，对支撑间距更加敏感，最大位移也在随之增加，增涨速率也在增大；然而应力随着跨径的增大基本呈线形增涨。图图 8 不同跨径最大位移不同跨径最大位移 图图 9 不同跨径最大应力不同跨径最大应力 不同总跨径的的钢箱梁在经历拼装过程后由于支撑间距的不同导致成桥状态是有差异的。图图 10 支撑对不同跨径成桥位移的影响支撑对不同跨径成桥位移的影响 图图 11 支撑对不同跨径成桥应力的影响支撑对不同跨径成桥应力的影响 如图 10和图 11所示，当跨径较小时，支撑的设置对成桥状态影响较小，成桥后位移和应力基本变化不大；当跨径超过 47.5 m 后，拼装过程中支撑的设置对成桥状态明显产生影响，且随着跨径的增大，差距逐渐拉大。因此对于此类环形桥，在主跨径大于 47.5 m 后为考虑成桥状态应设置临时支撑。4 结结 语语 本文以长江岸边某环形景观桥为背景，通过分析不同桥跨、不同支撑间距时钢箱梁的结构位移和截面应力情况，研究结论如下：随着设置支撑间距的增大，钢箱梁的结构位移和截面应力会增大，具体增大位置与支撑位置有关。当桥跨较小时，支撑间距的变化对钢箱梁的结构位移和截面应力的影响较小，可采用一跨跨越的方式进行施工，对于江边或河边汛期施工支架的优化有重要意义；当桥跨超过 47.5 m 时，支撑间距的变化对钢箱梁的结构位移和截面应力的影响较大，必须增设支撑，以保障钢箱梁结构成桥状态及受力安全。参考文献：参考文献：1 陈伯蠡.中国焊接钢桥四十年A.与时俱进追求卓越中国机械工程学会焊接学会四十周年、中国焊接协会十五周年纪念文集C.中国机械工程学会,2002,14.2 韩荟.大断面钢箱梁成桥施工线形控制研究D.南京理工大学,2018.3 杨亮,琚亮.某主线桥大跨度钢箱梁整体现场拼装及侧向滑移安装技术J.钢结构,2012,27(1):202-206.4 胡学龙.复杂 条件下钢箱 梁吊安技术J.民营科技,2013,(07):63-69.5 雷 宏.先 简 支 后 连 续 箱 梁 施 工 技 术 J.四 川 建筑,2020,40(06):206-207.6 隋玉锋.先简支后连续桥梁施工技术及质量控制J.黑龙江科学,2021,12(14):124-125.7 李凌伟.落差高、枯汛期水量变化大山区桥梁施工方案研究D.华南理工大学,2012.8 王强.曲线钢箱梁桥支承体系与跨径比研究D.大连理工大学,2020.9 葛树森.花瓣形大跨度双曲钢梁施工技术J.城市建筑,2021,18(26):184-186.10 郑洪能.高墩大跨径刚构桥施工技术分析J.交通世界,2020,(30):47-48.11 章耀林.鹅公岩轨道专用桥斜拉-悬索体系转换施工技术J.铁道建筑,2021,61(04):17-20.12 路韡,杨子江,刘世忠,黄洪猛,顾皓玮.西宁文汇桥加劲梁体系转换方案优化J.桥梁建设,2020,50(03):111-116.58