复杂海域钢箱梁吊装过程优化设计研究.pdf

2023年4月江西建材工程技术与应用复杂海域钢箱梁吊装过程优化设计研究许刃文12，胡强121.中交第二航务工程局有限公司，湖北武汉430040;2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北武汉430040摘要：钢箱梁吊装是悬索桥施工中的重要工序。文中以深中通道伶仃洋大桥标准节段钢箱梁吊装为背景，建立了钢箱梁及吊耳的有限元模型，通过设计优化，得到了一种既满足施工要求又更加安全、高效的钢箱梁吊装方案，可为类似工程提供参考。关键词：伶仃洋大桥；钢箱梁；吊装；吊耳；复杂海域中图分类号：U445.4文献标识码：B文章编号：10 0 6-2 8 9 0（2 0 2 3）0 4-0 2 7 6-0 3Research on Optimization Design of Steel Box Beam Hoisting Processin Complex Sea AreasXu Renwen2,Hu Qiang1,21.CCCC Second Harbor Engineering Co.Ltd.,Wuhan,Hubei 430040;2.Key Laboratory of Large-span Bridge Construction Technology,Wuhan,Hubei 430040Abstract:Steel box girder hoisting is an important process in the construction of suspension bridge.This article takes the lifting of thestandard section steel box girder of the Lingdingyang Bay in the Shenzhong Corridor as the background,a finite element model of the steelboxgirder and hanging-ears was established,a steel box girder lifting scheme that meets construction requirements and is safer and moreefficient has been developed through design optimization.This provides a reference for similar engineering steel box girder lifting.Key words:Lingdingyang Bay;Steel box girder;Hoisting;Hanging-ears;Complex sea areas0引言近年来，我国城市之间快速增长的交通需求极大地促进了桥梁工程的发展，桥梁结构被广泛应用于跨越城市之间江河湖海等障碍。其中，悬索桥因其跨越能力强的特点受到人们的关注 。在悬索桥的建造过程中，不可避免地存在钢箱梁吊装问题。为了解决钢箱梁吊装问题，国内外众多学者通过分析实际工程案例对钢箱梁吊装方法进行了研究。张永涛 2 通过ANSYS有限元软件分析了崇启大桥钢箱梁吊装过程，并进行了吊装设备选型及吊点的优化设计。朱小金3 】常大宝(4、刘源 5】等针对不同桥梁工程项目的钢箱梁吊装施工，提出了不同的钢箱梁吊装施工方案，为类似结构钢箱梁吊装施工提供参考。邓渊 6 钟继卫 7 通过有限元分析方法分析了钢箱梁吊装过程中所产生的应力及变形，确保了吊装过程的安全。随着桥梁跨度的不断增大，钢箱梁吊装难度也逐渐增大 8，针对钢箱梁吊装过程的分析也越来越重要。为深入探究钢箱梁吊装过程中钢箱梁及局部构件吊耳的受力特点，本文以深中通道伶仃洋大桥标准节段钢箱梁吊装为例，建立了钢箱梁有限元模型及吊耳精细化有限元模型，并从受力、安全性及进度可控性等方面对不同的钢箱梁吊装方案进行了对比分析。1工程概述伶仃洋大桥是深中通道的控制性工程，是一座主跨为1666m双塔三跨悬索桥，跨径布置为（5 0 0+16 6 6+5 0 0）m，如图1所示。主缆横桥向中心间距为42.1m，吊索顺桥向标准间距为12.8m。钢箱梁梁高4m，全宽44.7 m（不含检修道、导流板），吊索锚固在风嘴上，主缆横向间距42.1m。主梁共10 种类型，共213个梁段。该桥位于珠江口的开阔水域，航运较为繁忙，同时，该区域台风频繁，施工环境较为复杂。深圳中山2666002540+36x1280+13801380+128x1280+1380=1666001380+36x1280+2540267.000(P)267.000(IP)最高通疏水位3.0 10图1伶仃洋大桥立面图（图中尺寸除标高以m计外，其余均以cm计）作者简介：许刃文（19 9 3-），男，湖北荆门人，硕士，助理工程师，主要研究方向为桥梁施工设计。2772023年4月江西建材工程技术与应用2总体吊装工艺钢箱梁吊装作为悬索桥建设中一个重要的工序，其对悬索桥整体施工过程的安全至关重要。钢箱梁的架设顺序采用从跨中和两侧向桥塔方向开始架梁，最后在索塔处合拢的顺序。本文以该工程中标准节段钢箱梁的吊装为例进行分析。一个标准节段长、宽、高分别为12.8 m、49.7 m、4.0 m，重2 6 2.2 t，在进行吊装分析时，另考虑3%的焊缝重量。目前，悬索桥常用的钢箱梁吊装方法有：跨缆吊机吊装法、桥面吊机吊装法、浮吊吊装法等 9 。分析这些吊装方法可知，跨缆吊机吊装具有吊装能力大、空中作业时间短、较安全等优点，可节约施工成本。为减小恶劣环境对施工的影响，降低施工风险，以及考虑到伶仃洋大桥所在水域的航运繁忙，最终选择跨缆吊机吊装标准节段。跨缆吊机采用的是单台10 0 0 t的跨缆吊机。3钢箱梁吊装优化设计分析3.1原吊装方案分析3.1.1原吊装方案布置为了确保吊装时钢箱梁不发生损伤，需要根据标准梁段的结构形式以及项目现场情况设计吊装方案，包括吊点数量、吊点位置以及吊耳的结构形式。原方案为一次吊装一个标准节段，一共布置4个吊点，吊点顺桥向和横桥向间距分别为6.4m和3 4.6 m，吊点布置在隔板位置，如图2 所示，每个吊点布置2个吊耳，每个标准节段共计8 个吊耳，吊耳的结构如图3 所示。钢箱梁材料采用的是Q345qD钢材，吊耳的材料采用Q345B钢材，销轴材料采用40 Cr，螺栓采用10.9 级的M30高强螺栓。497007550346007550000+世+一吊耳图2原方案吊耳布置图/mm162016RZ中2#中工中+140+3601.1401751.130.1751640280(a)正视图(b)侧视图图3原方案吊耳结构图/mm3.1.2原方案钢箱梁吊装有限元分析在钢箱梁吊装过程中，钢箱梁及吊耳的受力情况对吊装的安全性影响较大，因而有必要建立abaqus有限元模型对其进行计算分析。在建立钢箱梁模型时，钢箱梁的顶底板、隔板、U肋、加劲肋均采用壳单元，在吊点位置设置加固板，加固板采用实体单元，吊具和短横梁采用梁单元。钢箱梁的主要边界条件设置如下：钢箱梁的顶板和隔板在吊耳位置与加固板固结；每两个吊耳上方设置一道短横梁，将2 个吊耳耦合在该短横梁两端，释放绕其顺桥向转动约束；短横梁中点采用只受拉单元连接在4个吊具两端；4个吊具中点约束5 个自由度，释放绕横桥向转动约束。设计风速为13.8 m/s。在建立吊耳模型时，吊耳、加劲肋、销轴和螺栓均采用实体单元，吊耳的主要边界条件设置如下：吊耳与销轴、螺栓与吊耳底板之间采用法向硬接触和切向库伦摩擦接触，接触面之间摩擦系数为0.3，螺栓顶面固结。通过对原方案钢箱梁吊装的有限元模拟可知，其组合应力最大处位于吊点位置的隔板处，该处为钢箱梁吊装过程中最薄弱处。采用原方案单片标准段吊装时，钢箱梁的最大组合应力为111MPa，如图4所示，小于强度设计值2 7 5 MPa；最大剪应力为5 2.6 MPa，小于抗剪强度设计值16 0 MPa，最大竖向位移为11.3mm，小于挠度容许值2 0 mm。钢箱梁的应力及位移满足要求。吊耳的最大组合应力为2 42 MPa，其组合应力最大处位于吊耳耳板，该处为吊耳与销轴接触部位。如图5 所示，最大剪应力为8 2.6 MPa，吊耳的应力满足要求。S,Mises多个节面点(平均：7 5%）+1.106e+02+1.014e+02+9.221e+01+8:299e+01+7.378e+01+6.456e+01+5.534e+01+4.612e+01+3.690e+01+2.768e+01+1.847e+01+9.248e+00+3.004e-02图4原方案钢箱梁组合应力云图/MPaS,Mises(平均：7 5%）+2.419e+02+2:218e+82+2.016e+02+1.815e+02+1.614e+02+1.412e+02+1.211e+02+1.009e+02+8.078e+01+6.064e+01+4.050e+01+2.035e+01+2.072e-01图5原方案吊耳组合应力云图/MPa3.2吊装方案优化设计分析从3.1节可知原吊装方案可以满足受力要求，但是原方案存在以下几个缺点：（1）该桥所处区域台风频繁，施工环境较为复杂，原方案每次仅吊装一片梁，施工效率低，工期较长，吊装施工时间会影响正常航运，也会增加施工风险；（2）每次仅吊装一片梁增加了后续空中焊接的工作量。为提高吊装效率以及减小空中焊接的风险，对原方案进行了优化设计。3.2.1优化后吊装方案布置优化后的吊装方案为：一次吊装两个标准节段，一共布置4个吊点，吊点顺桥向和横桥向间距分别为6.4m和3 4.6 m，布置在隔板位置，如图6 所示，每个吊点布置2 个吊耳，每个标准节段共计8 个吊耳，如图7 所示。相比于原方案，吊装相同数量的标准节段，仅需要设置原方案吊点数量的5 0%，极大地节省了安装吊耳所需的时间。由3.1节有限元分析可知，吊耳所受的应力较大，因而对吊耳的部分构件进行了加强，但由于总吊点数量的减少，吊装相同数量的标准节段时，吊耳的总用材也节省278：2023年4月工程技术与应用江西建材了15.7%。497007550346007550十吊耳0090096重心一#一0088图6优化后方案吊耳布置图/mm32.49.32R2602020092中中170360,851.130.85700300(a）正视图(b)侧视图图7优化后方案吊耳结构图/mm3.2.2优化后钢箱梁吊装有限元分析采用3.1节中的建模方法建立优化后的钢箱梁及吊耳的有限元模型进行分析。钢箱梁和吊耳的材料与边界条件设置与3.1节中相同，采用优化后的方案两片标准段一起吊装时，最大组合应力为19 2 MPa，其组合应力最大处与原方案相同，也位于吊点位置的隔板处，如图8 所示，最大剪应力为9 1MPa，最大竖向位移为2 6.2 mm，小于挠度容许值44m，钢箱梁的应力及位移满足要求。吊耳的最大组合应力为2 2 0 MPa，其组合应力最大处与原方案不同，位于吊耳底板处，如图9 所示，可见，经过加强后吊耳耳板的受力性能得到了提升，最大剪应力为5 7 MPa，吊耳的应力满足要求。经过优化设计之后，钢箱梁所受组合应力及剪应力有所增大，但均满足受力要求，吊耳所受的组合应力及剪应力分别减小了9.1%和3 1%。可见，优化后的吊装方案在受力、安全性及进度可控性等多方面优于原方案，既满足了施工要求，又更加安全、高效。S,Mises多个节面点（平均：7 5%）+1.914e+02+1.255e+02+1.595e+02+1.436e+02+1.276e+02+1.117e+02+9.573e+01+7.978e+01+6.383e+01+4.788e+01+3.193e+01+1.598e+01+2.498e-02图8优化后方案钢箱梁组合应力云图/MPaS,Mises(平均：7 5%）+2:197e+02+2.015e+02+1.832e+02+1.649e+02+1.466e+02+1.283e+02+1.101e+02+9.177e+01+7.349e+01+5.521e+01+3.693e+01+1.864e+01+3.625e-01Mam+2.1970+002图9优化后方案吊耳组合应力云图/MPa4钢箱梁吊装过程要点为保证吊装钢箱梁过程的安全，需在施工时注意以下要点：（1）吊装时，每个吊点处的两个吊耳孔需在同一水平线上，吊耳底板与钢箱梁顶板贴合，且顶面保持水平；（2）吊装作业前，需对主要受力构件进行检查，对不满足受力要求的构件，需采取相应的加强措施保证安全，吊耳使用前，需做拉力试验，其承载力设计值不小于12 0 0 kN；（3）吊装过程中，需要对吊耳内力和钢箱梁位移做好监测，当发现单吊耳拉力设计值超过1200kN或钢箱梁位移较大等异常情况时，应立即停止作业，查明原因并采取可靠措施保证安全后方可继续作业；（4）吊装作业时，应时刻关注侧风对吊装的影响，当超过六级风时，需在保证安全的情况下才能继续施工。5结语本文以深中通道伶仃洋大桥的标准节段钢箱梁吊装为例，建立了钢箱梁有限元模型及吊耳精细化有限元模型，综合考虑受力、安全性及进度可控性等方面，通过设计优化，得到了一种既满足施工要求又更加安全、高效的钢箱梁吊装方案，为类似工程的钢箱梁吊装提供了参考。参考文献【1】李国强.大跨径悬索桥钢箱梁吊装施工监控研究【D.重庆：重庆交通大学，2 0 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