节段预制波形钢腹板组合梁桥吊装期力学性能研究.pdf

CM&M 2023.04193（节段长度 3.2m）实体模型，其中混凝土采用 C3D8R 三维实体单元模拟，钢筋采用 T3D2 桁架单元模拟，波形钢腹板及钢混连接件采用 S4R 壳单元模拟。钢板和钢筋采用双折线本构模型，混凝土采用塑性损伤本构模型，如图 2 所示。波形钢腹板下部以及上部开孔钢板采用内置，分别埋入混凝土底板及顶板。上下部分钢筋笼采用内置，分别埋入混凝土顶板及底板。临时刚性支撑与混凝土顶底板采用绑定连接，有限元模型如图 3 所示。采用荷载加载方式为对模型整体施加重力作用，并对图 3 中所示 RP参考点施加沿 y 轴集中力，以模拟吊装过程中的起吊作用力，并通过不同的起吊作用力模拟不同的起吊工况。0 引言近年来，节段短线匹配法预制、悬臂拼装工法在桥梁工程中得到越来越广泛的应用。该施工方法具有架设速度快、质量易控制，环保性好、成本低等特点，符合国家“优质高效、绿色施工、节能环保”工业化发展要求。采用波形钢腹板代替传统混凝土腹板，可进一步降低节段自重，便于运输和吊装，且接缝对波形钢腹板组合梁抗剪影响小，传力更加明确。1 工程概况南京长江五桥北接线立新路跨线桥为三跨波形钢腹板组合梁桥，跨径布置为 31m+46m+31m。主梁为等截面形式，采用节段预制拼装，标准节段长度为 320cm。标准箱梁顶板宽度为 1490cm，底板宽度为 572.4cm，翼缘板悬臂长度为 390cm。混凝土顶板标准厚度为 27cm，梁高为 260cm。波形钢腹板采用 1600 型，波形钢腹板与混凝土顶板采用开孔钢板连接件，与混凝土底板采用嵌入式连接件，标准截面如图 1 所示。2 有限元模型建立采用有限元软件，建立波形钢腹板组合梁标准节段节段预制波形钢腹板组合梁桥吊装期力学性能研究薛玉波 陈寅磊 刘海澄（扬州市市政建设处，江苏杨洲225000）摘要：为探明节段预制波形钢腹板组合梁桥吊装期力学性能，以南京长江五桥为例，利用 ABAQUS 建立精细化实体有限元模型，分析吊点数量、位置及临时横撑，对波形钢腹板节段梁吊装期受力性能的影响。结果表明：为满足结构线形和应力要求，波形钢腹板节段梁吊装宜采用4吊点布置；波形钢腹板节段梁吊装过程中，混凝土桥面板相对变形较大，应在混凝土顶底板之间设置临时刚性骨架支撑，防止吊装过程中因箱梁变形过大而增加节段拼装难度。关键词：波形钢腹板；节段预制；吊装；临时横撑；变形控制；有限元模型图1 标准截面图2 有限元模型中各材料本构模型a 混凝土本构模型 b 钢板及钢筋本构模型图3 有限元模型194工程机械与维修CONSUMERS&CONSTRUCTION用户施工起吊作用力随时间变化如图 4 所示。当起吊作用力小于节段自重311.79kN时，起吊作用力小于节段梁模型重力，模拟工况为节段梁滞空前；当起吊作用力由 311.79kN 逐渐增加到343.76kN时，起吊作用力大于节段梁模型重力，模拟工况为节段梁滞空后。3 吊点位置对节段梁受力性能影响节段箱梁吊点一般设置在混凝土桥面板顶板腹板加腋附近，为研究吊点数量及位置对波形钢腹板组合箱梁吊装期受力性能的影响，分析四吊点、两吊点波钢内侧和两吊点波钢外侧三种工况，吊点布置如图 5 所示。3.1 梁体变形由吊装模型计算结果可知，采用四吊点吊装在顶板中部与翼缘高差约为 5mm，采用两吊点波钢内侧和两吊点波钢外侧吊装，顶板中部与翼缘最大高差则分别为 22mm和 7mm。由于波形钢腹板刚度较小，采用两点吊装，无论吊点位置设置在波形钢腹板内侧还是外侧，吊装期间桥面板高差均大于 5mm。即使采用四点吊装，桥面板最大高差也达到 5mm。故有必要在波形钢腹板节段梁混凝土顶底板之间，设置临时刚性支撑，以改善其变形性能，防止吊装期顶板变形过大，避免增加现场拼装线形控制难度。3.2 顶板混凝土应力由吊装模型计算结果可知，对于四吊点吊装模型，其最大拉应力为 1.09MPa，主要分布于顶板上表面，其余部分应力较小，且应力沿顶板横向分布较为均匀。对于两吊点波钢内侧吊装模型，其最大拉应力已达到2.13MP，位于钢混结合部位。此处混凝土有较大的开裂风险，且顶板混凝土最大拉应力出现时间为节段梁滞空前。对于两吊点波钢外侧吊装模型，其最大拉应力为1.30MPa，主要分布于顶板下表面，其分布面积较为广泛，且钢混结合部位存在一定应力集中。吊点断面应力沿桥面板横向分布如图 6 所示。3.3 波形钢腹板应力及变形由吊装模型计算结果可知，对于四吊点吊装模型，波形钢腹板大部分区域 Mises 应力在 4.9024.15MPa 之间，Mises 应力较大值仅分布在靠近上翼缘板的腹板中上缘。其中上翼缘附近存在一定程度的应力集中，最大为 28.94MPa。波形钢腹板整体表现为整体向内侧凸出，相对变形不超过 0.5mm，变形较小。对于两吊点波钢内侧吊装模型，波形钢腹板大部分区域 Mises 应力在10.78113.50MPa 之间，Mises 应力较大值仅分布在靠近上翼缘板的腹板中上缘。其中上翼缘附近存在一定程度的应力集中，最大为 123.70MPa。波形钢腹板整体表现为整体向内侧凸出，最大相对变形为 1.73mm。对于两吊点图5 吊点位置图6 混凝土顶板应力沿横向分布图c 两吊点腹板外侧b 两吊点腹板内侧 b 下表面a 上表面 a 四吊点至顶板中心距离/m至顶板中心距离/m应力/MPa应力/MPa图4 起吊作用力随时间变化分析步时间起吊作用力/kNCM&M 2023.04195波钢外侧吊装模型，波形钢腹板大部分区域 Mises 应力在 4.4445.27MPa 之间，Mises 应力较大值仅分布在靠近上翼缘板的腹板中上缘。其中上翼缘附近存在一定程度的应力集中，最大为 49.35MPa。波形钢腹板整体表现为整体向外侧凸出，相对变形不超过 0.58mm，变形较小。4 临时斜撑对节段梁吊装期力学性能影响由上述分析可知，在应力方面，仅两吊点波钢内侧吊装模型混凝土顶板主拉应力超出安全范围。在节段梁吊装模型变形方面，3 种吊装模型中，混凝土顶板中部与翼缘高差最低为 5mm，最高已达 18.6mm。故在波形钢腹板混凝土顶底板之间设置临时支撑，以改善其变形性能，如图 7 所示。不同斜撑数量吊装模型，混凝土顶板竖向变形如图 8所示。由图8可知，四吊点吊装模型顶板中部与翼缘高差，在无斜撑、一道斜撑及两道斜撑工况下，变形量分别为4.94mm、3.18mm、2.54mm，高差通过设置斜撑减小的幅度分别为 35.6%及 20.1%。两吊点波钢内侧吊装模型顶板中部与翼缘高差，在无斜撑、一道斜撑及两道斜撑工况下，变形量分别约为 18.61mm、14.05mm、10.5mm，高差通过设置斜撑减小的幅度分别为 24.5%及 25.3%。两吊点波钢外侧吊装模型顶板中部与翼缘高差，在无斜撑、一道斜撑及两道斜撑工况下，变形量分别约为 6.6mm、4.55mm、3.71mm，高差通过设置斜撑减小的幅度分别为 31.1%及18.8%。综上可知，两吊点波钢内侧方案无论是否设置斜撑，都不满足变形要求。而两吊点波钢外侧及四吊点方案在设置一道与两道斜撑工况下，变形均满足要求。考虑经济性与施工简便，可采用一道斜撑；若需增加安全储备，可采用两道斜撑。5 结束语鉴于波形钢腹板刚度较小，波形钢腹板节段梁吊装期间桥面板相对变形较大，需在波形钢腹板节段梁混凝参考文献1 项贻强,竺盛,赵阳.快速施工桥梁的研究进展 J.中国公路 学报,2018,31(12):1-27.2 袁爱民,吴闻秀,孙大松,等.体内体外混合配束节段预制箱 梁受弯性能试验 J.长安大学学报:自然科学版,2015,35(5):73-81.3 郑开启,卜红旗,刘钊,等.体内-体外混合配束节段预制拼装 箱梁足尺模型试验研究 J.中国工程科学,2013,15(8):89-94.图8 不同斜撑数量吊装模型混凝土顶板竖向变形图7 临时斜撑布置示意图c 两吊点波钢外侧b 两吊点波钢内侧a 四吊点a 平面图 b 立体图至顶板中心距离/m至顶板中心距离/m至顶板中心距离/m与边缘高差/mm与边缘高差/mm与边缘高差/mm土顶底板之间设置临时刚性支撑，防止吊装期顶板变形过大，避免增加现场拼装线形控制难度。波形钢腹板组合梁节段吊装，宜在波形钢腹板内外混凝土桥面板布置 4 个吊点，满足结构吊装过程中受力及变形要求。波形钢腹板节段梁起吊时，应在混凝土顶底板之间设置临时刚性骨架支撑，防止吊装过程中箱梁变形过大，考虑经济性与施工简便，采用一道斜撑即可满足要求。