鋼桁梁橋施工的力學特性研究

盧麗群

摘要：基于國內外鋼桁梁橋施工技術的研究與應用經驗，在充分調研各施工方法特點的基礎上，文章以某地鋼桁梁橋拼接施工過程為對象，輔以鋼桁梁橋數據參數，利用有限元仿真軟件Midas Civil軟件建立3D實體模型，在自重及其他荷載作用下，分別針對主桁結構、聯結結構和拼接施工時的主桁架進行力學分布計算與分析。結果表明：在位移差分別為10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm的工況下，主桁滿足安全穩定要求;鋼桁梁施工在位移差為0～60mm范圍內，滿足安全穩定要求;橫移施工中的主桁架在鋼桁架橫移一半時應力值出現極值，應在橫移到整段中間處加強防護與安全監控，但總體強度、剛度和穩定性均滿足要求。

關鍵詞：鋼桁梁橋;施工技術;力學特性;有限元

中圖分類號：U448.21⁺1文獻標識碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.033

文章編號：1673-4874（2021）01-0117-04

0引言

隨著《交通強國建設綱要》的發布，我國交通建設邁向新時代。鐵路、公路橋梁施工技術的提升與施工裝備的升級不僅是我國從“交通大國”向“交通強國”轉變的重要因素，同時也是我國基礎建設和民生工程的根基。鋼桁架梁橋具有承載能力強、跨越能力大、施工速度快和結構耐久性好等特點，在國外各類橋梁和我國鐵路橋梁建設中較早地得到普遍應用[1]。近幾年，為提升我國公路橋梁的品質和耐久性，降低全壽命周期成本，在公路橋梁中積極推進鋼結構橋梁建設，鋼桁梁橋在公路橋梁中得到普遍應用[2]。我國鋼桁梁橋主要在公路和鐵路建設中被廣泛運用，在經歷技術引進與經驗積累的過程之后，進入技術全面升級與裝備逐漸完善階段，如今已經步入世界一流水平。目前具有代表性的鋼桁梁橋主要分布于武漢及其他三個城市，這些自主設計并建造的鋼桁梁橋代表著我國鋼桁架橋的先進技術。同時，橋梁工程領域及其相關技術的發展直接關系到橋梁承載力及橋梁結構形式的改變，而混凝土結構作為橋梁工程的主要材料，其在施工過程中表現的力學性能和工作性能等至關重要。

鋼桁梁橋的施工方式主要有懸臂法、頂推法、轉體法等。國內外學者針對鋼桁架橋施工及力學性能的研究主要集中在施工技術的升級與優化和有限元模擬與驗算等方面：馮政[3]通過鋼桁梁橋的主要施工方式介紹，在對比各類施工方法的基礎上針對鋼桁梁橋的特點，分析鋼桁梁橋技術，為大跨度鋼桁梁橋的施工技術升級提供理論依據;鞠天祥[4]以筍溪河特大橋大跨徑鋼桁懸索橋施工為依托，分析了大跨徑鋼桁懸索橋施工及質量控制要點關鍵技術中的優化方案，為施工過程中的參數優化提供參考;何佳軒[5]針對某鋼桁梁橋施工過程，通過有限元軟件模擬推演，分析出鋼桁梁橋薄弱位置并進行安全性評估，

具有較高的應用價值。雖然學者們為更好地提升施工效率開展了眾多針對鋼桁梁橋施工過程的研究，但針對施工過程中橫移架設的力學分析與特性研究還鮮有出現。本文基于前人鋼桁梁橋施工技術的研究經驗，以某地鋼桁梁橋拼接施工過程為對象，針對鋼桁梁橋的具體參數，利用有限元仿真軟件通過建立有限元實體模型進行力學特性研究，試圖得到鋼桁梁橋拼接全過程中應力分布與結構位移的規律，在驗證鋼桁梁拼接施工可行性的基礎上為今后鋼桁梁施工技術升級與創新提供研究依據。

1鋼桁梁模型

1.1工程概況

某橋梁跨越高鐵線路與公路線路之上，其鋼桁梁主桁為正三角結構，其間為倒三角結構，布置圖如圖1所示，尺寸參數如表1所示，斜交角為14°、72°，總重約為2700t。期初設計施工方案為配重縱向頂推法，簡支梁鋪架后進行簡支梁平臺兩側鋼管幫寬布置，于拼裝平臺進行導梁布置，其后配重，最后進行頂推作業。經過比選與優化設計，原施工方案可能影響下部已有線路，施工風險較大，隨即進行施工方案調整，采用剛桁架梁整體橫移方案施工。施工流程為：場地平整作業→支架基礎施工→支架安裝→軌道梁安裝→滑道安裝→龍門吊安裝→鋼桁梁組裝→支撐設備架設→附屬設備安裝→鋼桁梁涂裝→鋼桁梁橫移→滑道梁拆除→調整落梁位置→支座安裝作業→鋼桁梁驗收→支架拆除作業。

1.2有限元模型

鋼桁梁施工過程中，由于全過程均需要考慮各部分結構構件的受力情況，且需要判斷最不利位置、關鍵部位、特殊構件的情況，故采用有限元模型建模，考慮運用普遍適用于橋梁分析研究的Midas Civil軟件進行。參考表2～4參數建立的空間3D模型，包括主桁桿件、聯結部件、橋面部件等，采用M24、M27單元模擬橋面及其他聯結高強螺栓，鋼材鋼桁梁模型材料屬性設置參考表5。

由于主桁相關構件在施工前已于工廠完成，在現場對接時利用整體節點的方式進行現場拼接。有限元模型如圖2所示。模型中包含896個有限元單元，荷載承載部分為橫梁與橫肋、其他邊界條件均設置為剛性連接，臨時支撐為固結單元。模型施加荷載情況分為恒載、活載及風力。根據文獻[6]和[7]與現場情況，恒載為鋼橫梁自重7.85t/m³，二期恒載為140kN/m，橋面混凝土板重95kN/m。

2力學特性分析

2.1主桁結構

施工階段中，主桁結構在自重下發生位移，在位移差分別為10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm時，主桁應力云圖中的極值即為主桁桿件最大、最小拉、壓應力。觀察表6可知：在鋼桁梁施工過程中，各部分最大拉應力、最大壓應力隨著位移差的增大而增大，最大拉應力為86.7MPa、最大壓應力為150.4MPa，均小于材料許用應力，因此主桁桿件各部滿足安全穩定要求。

2.2聯結結構

聯結結構主要有上平聯和橫聯組成，在自重作用下，不同位移差會導致不同應力值。在位移差為10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm的七個工況下，上平聯與橫聯的最大拉、壓應力如表7所示。由此可知：上平聯中最大拉應力均來自于橫桿，而最大壓應力來自于斜桿，這是因為結構中橫桿主要承受拉應力、斜桿主要承受壓應力。各位移最大時產生最大拉壓應力，其中，最大拉應力為121.8MPa，最大壓應力為187.4MPa，均滿足許用應力值要求。而對于橫聯來講，與上平聯趨勢相同，拉應力滿足要求，但當位移差>60mm時，壓應力為91.7MPa，壓應力超過許用應力要求，因此鋼桁梁施工中應控制承點相對位移在60mm范圍內才可保證體系的穩定性。

2.3橫移施工中的主桁架

鋼桁架橫移施工過程較復雜，利用仿真模擬進行全過程施工中的力學特征十分繁瑣，但是可以依據最不利狀態將橫移施工全過程劃分為四個工況進行分別分析，得到結果后在工況內和工況之間通過對比最大拉、壓應力值是否滿足規范要求。同時，通過最大豎向位移值與L/4=335mm的對比可以判斷其穩定性是否滿足要求，從而指導施工，降低安全風險。四個工況分別為：鋼桁架結束安裝、鋼桁架橫移0.25、鋼桁架橫移0.50、鋼桁架橫移0.75。通過有限元模型計算得到表8數據，可以看出各工況極值中工況三最大，在施工中應注意鋼桁架在橫移整段長度0.5處需要加強防護與安全監控，但總體來將，各工況下強度、剛度和穩定性均滿足要求。

3結語

基于國內外鋼桁梁橋施工技術的研究與應用經驗，在充分調研各施工方法特點的基礎上，本文以某地鋼桁梁橋拼接施工過程為對象，輔以鋼桁梁橋實際數據參數為依據，利用有限元仿真軟件Midas Civil軟件建立3D實體模型，在自重及其他荷載作用下，分別針對主桁結構、聯結結構和拼接施工時的主桁架進行力學分布計算與分析，得到如下結論：

（1）在位移差分別為10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm工況下，主桁應力極值隨著位移差的增大而增大，最大拉應力為86.7MPa、最大壓應力為150.4MPa，均滿足安全穩定要求。

（2）在位移差分別為10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm工況下，上平聯與橫聯應力極值均出現在位移最大時，上平聯最大拉應力為121.8MPa、最大壓應力為187.4MPa。橫聯位移差>60mm時，壓應力為91.7MPa，壓應力超過許用應力要求。故鋼桁梁施工在60mm范圍內可滿足安全穩定要求。

（3）在最不利狀態的四個工況下，橫移施工中的主桁架在鋼桁架橫移一半時應力值出現極值，最大拉、壓應力分別為189.7MPa、200.1MPa，應在橫移到整段中間處加強防護與安全監控。各工況下強度、剛度和穩定性均滿足要求。

參考文獻

[1]榮釗.大跨度寬幅鋼桁梁橋施工力學分析與監控[D].濟南：山東交通學院，2019.

[2]王振鵬.既有大跨徑鉚接鋼桁架橋梁合理計算模式研究[D].重慶：重慶交通大學，2017.

[3]馮政.鋼桁梁施工技術方案及工藝[J].鐵道建筑，2009（6）：1-3.

[4]鞠天祥.大跨徑鋼桁懸索橋施工關鍵技術分析[J].黑龍江交通科技，2019，42（3）：103-104.

[5]何佳軒，王定舉.連續大跨度鋼桁梁頂推施工監控技術研究[J].國防交通工程與技術，2018，16（5）：54-57，66.

[6]王通芳.鋼桁架梁整體橫向滑移施工技術及力學特性研究[D].西安：西安科技大學，2019.

[7]許娜娜.連續鋼桁架橋加固方案模糊層次優選及計算分析[D].蘭州：蘭州交通大學，2014.