斜交鋼箱梁橋頂推施工非對稱受力的局部構造優化

姜錫東,傅中秋,楊 波,劉慧麗,李志成,宣紀剛

(1.浙江交工集團股份有限集團,浙江 杭州 310051;2.河海大學 土木與交通學院,江蘇 南京 210098)

鋼箱梁具有自重輕、抗扭剛度大以及跨越能力強等特點[1-3],在大跨徑及中小橋梁上得到了廣泛應用。頂推法相較于其他施工工法具有施工工期短、對橋下通航影響小以及綠色環保等特點,適用于跨越既有線路及航道的鋼箱梁橋架設施工中[4-5]。為適應既有線路的走向和服從線路規劃,跨越既有線路橋梁多為支承中心線與主梁中軸線不垂直的斜交橋,考慮到斜交橋在橫隔板長度方向受力不均勻的現象[6]以及鋼箱梁薄壁特征,采用頂推法施工對前端支點處的梁體受力狀態具有不利影響[7],結構易發生彎曲、扭轉、畸變和橫向彎曲等現象[8-10],因此更加需要對其結構以及施工的安全性進行研究。在頂推施工最不利工況下,支承位置附近構件的受力最不利,為施工安全控制的關鍵因素,可以通過改變其布置形式和結構參數的方法改善梁體受力和變形狀態[11]。

楊湛[12]在有限元模型的基礎上進行了參數化分析,對不同曲率半徑下不同橫隔板構造參數對結構響應進行了研究,結果表明當橫隔板厚度較小時,增加厚度可以顯著提高抗扭性能。牛艷偉等[13]通過制作直橋鋼箱梁節段縮尺模型進行試驗,開展了橫隔板布置形式對荷載橫向分布的影響研究,結果表明跨中橫隔板相較于端橫隔板對荷載橫向均勻分布的作用更為有效。張元海[14]基于畸變效應解析法,對直橋在不同橫隔板布置形式下的簡支箱梁畸變變形進行了研究,發現跨中布置橫隔板會在減小畸變變形的同時增大畸變翹曲雙力矩,惡化預應力混凝土箱梁的正截面開裂性。李宏江等[15]通過空間有限元分析的方法,開展了偏載作用下橫隔板對直橋箱梁應力的影響研究,提出了適用于不同高跨比下橫隔板最大間距的經驗公式,大大簡化了設計計算。張莉[16]綜合分析了隔板數量、高跨比、寬高比等影響參數對簡支鋼箱梁畸變效應的影響,建議不同箱梁寬高比下的跨內橫隔板數量的合理取值。綜上所述,現有文獻多集中于施加偏心荷載模擬直橋鋼箱梁畸變,研究了橫隔板布置形式、數量、間距對結構受力和變形的影響。斜交鋼箱梁橋在頂推施工懸臂工況下也會發生畸變以及局部屈曲現象,目前關于這方面的影響還不明確,也沒有針對斜交鋼箱梁頂推施工最大懸臂狀態下的受力狀態進行結構設計優化。構件參數對鋼箱梁整體剛度以及構件之間的受力狀態至關重要,因此有必要開展頂推施工中構件參數對斜交鋼箱梁橋受力特征影響分析。

以三跨連續斜交鋼箱梁橋為背景,從鋼箱梁局部結構設計的角度對斜交鋼箱梁頂推施工最大懸臂受力狀態進行優化研究,通過建立全橋有限元模型,開展斜交鋼箱梁橋的受力特征以及構件構造參數對結構受力和位移的影響研究。通過提取不同頂推工況和橫隔板厚度下的結構豎向位移和Mises應力,分析鋼箱梁各構件應力以及主、導梁結構位移的變化規律,擬提出頂推施工懸臂段受力優化方案,為同類鋼箱梁頂推施工提供參考。

1 斜交鋼箱梁受力特征分析

1.1 有限元建模

以204國道阜寧花園至亭湖新興段工程(亭湖段)YFTH3標段項目中的跨鹽靖高速鋼箱梁橋為背景進行研究,該橋為雙幅三跨連續斜交鋼箱梁橋,橋型布置為42 m+70 m+42 m,截面形式為單箱三室,梁高3.0 m,頂板寬18.05 m,底板寬17.02 m,頂板厚16 mm～28 mm,底板厚16 mm～28 mm,腹板厚16 mm～24 mm。頂板采用U形加勁肋,腹板采用板式加勁肋,底板采用縱向加勁肋。采用步履式頂推進行施工,鋼箱梁前端最大懸臂值為36 m,尾端最大懸臂值為24 m。

根據所依托的工程橋梁采用Abaqus建立模型并通過HyperMesh劃分高質量網格,最后再導入Abaqus進行有限元分析。由于模型縱向尺寸較大,采用實體建模會導致后期計算量龐大,且全橋主要受力構件都為薄壁結構,因此采用殼單元對模型進行簡化處理。采用S3R、S4R單元進行網格劃分,網格標準尺寸為150 mm。模型材料根據實際工程采用Q345qD(主橋部分)和Q235qD(導梁部分),模型僅考慮鋼材的彈性變形,采用理想彈性的本構關系?？紤]到鋼箱梁自重影響,鋼材的彈性模量E=210 GPa,鋼材質量密度為7.85×10-9t/mm3,重力加速度g=9.8 m/s2,泊松比v=0.3,模型如圖1所示。根據頂推施工方法的特點,采用“梁不動墩動”的模擬方法來模擬鋼箱梁在頂推施工過程中的移動行為。

圖1 有限元模型

1.2 計算工況

根據依托項目的頂推施工流程,選取最大懸臂工況作為研究對象,將其分成4個小工況模擬鋼箱梁在懸臂頂推的過程,得到懸臂頂推過程中的斜交鋼箱梁橋的結構受力和位移變化規律,具體計算工況見表1。

表1 計算工況

1.3 受力特征分析

通過提取各工況下最大懸臂根部區域內外側支承反力和主要構件(如頂、底板、腹板以及橫隔板)應力峰值以及主、導梁內外側位移值,分析得到結構受力和位移變化規律,見圖2、圖3、圖4。

圖2 臨時支架內外側支承反力

圖3 構件Mises應力峰值

圖4 主、導梁變形

由圖2可知,內外側反力數值及其差值均隨著頂推距離大致呈線形增加,兩者比值基本保持在1.83～1.84之間。內外側支承反力差值的增大,導致整體受力更加不均勻,加劇支承位置局部應力集中。由圖3中可知,各構件應力均大致呈線性上升的趨勢,其中腹板和橫隔板在各工況下的應力峰值基本相等且高于其它構件。底板、頂板、腹板以及橫隔板板應力峰值分別增加了49.75 MPa、12.03 MPa、69.23 MPa和81.49 MPa,故橫隔板應力峰值隨頂推前進距離的變化最大,腹板次之,頂板最小。根據圖4可知,隨頂推距離的增加,主、導梁內外側下撓值及其差值和扭轉角度均逐漸增大,加劇了結構扭轉變形。

根據鋼箱梁頂推模型結果分析可知,斜交橋存在非對稱受力現象,易于加劇支承位置的局部應力集中。在懸臂工況下鋼箱梁主體發生扭轉,對鋼箱梁頂推施工和受力都十分不利,需對斜交鋼箱梁在頂推施工中的受力進行優化研究。根據多位學者以板件厚度和材料彈性模量乘積作為板件剛度來衡量加固效果[17],可知厚度對構件剛度影響較大,故而研究構件厚度對斜交鋼箱梁頂推受力狀態的影響非常必要。

2 構件參數影響分析

2.1 工況設計

根據以上分析結果,開展主要構件厚度對斜交鋼箱梁受力狀態影響的研究,以最不利工況(鋼箱梁向前頂推16 m)為模型邊界條件,分別對懸臂段整體和根部區域構件進行優化對比?，F以所依托工程下的各構件厚度值為基礎值,分次增加相同厚度值,根據變化次數設置計算工況,具體見表2。

表2 構件厚度變化

2.2 懸臂段構件整體加厚

底板、腹板以及橫隔板為鋼箱梁頂推施工中的主要受力構件。通過提取不同厚度下的左右側支承位置應力峰值進行對比,分析斜交鋼箱梁非對稱受力狀態隨構件厚度變化的影響規律,見圖5。

圖5 整體優化方案

根據圖5可知,增加懸臂段整體的底板和腹板厚度,對結構剛度的提高效果小于其對自重影響,鋼箱梁整體應力峰值和左右側支承位置應力峰值比值呈緩慢的上升趨勢。隨著橫隔板厚度的增加,鋼箱梁整體應力峰值快速下降,左右側支承位置應力峰值比值急劇減少并逐漸趨于1.43,故橫隔板相對于其它構件可有效改善鋼箱梁應力狀態。在鋼箱梁設計階段可通過增加橫隔板厚度的方法,改善斜交鋼箱梁的非對稱受力狀態,緩解支承位置局部應力集中,提高鋼箱梁施工的安全性。

2.3 懸臂段構件局部加厚

在懸臂段根部前后2.6 m范圍內對各構件進行增厚優化處理,其它邊界條件和提取方法與前文整體優化一致。局部優化結果如圖6所示,與整體優化對比結果如圖7所示。

圖6 局部優化方案

圖7 整體優化與局部優化對比

根據圖6、圖7可知,鋼箱梁整體應力峰值和左右側支承應力峰值比值均隨各構件厚度的增加而減少,在相同厚度增值下局部優化的改善效果比整體優化提升了大約67%,并進一步減小了左右側支承應力峰值比值。局部優化方案相對于整體優化方案大大降低了懸臂段構件厚度增值帶來的自重,從而提高了構件厚度增值對鋼箱梁受力狀態的改善效果。故可在鋼箱梁設計階段采用懸臂段根部區域優化措施,改善斜交鋼箱梁的受力狀態,提高鋼箱梁頂推施工安全性。

3 橫隔板局部加厚影響分析

3.1 參數設置

根據以上分析結果,對國內橋梁橫隔板厚度設計取值進行調研,可知橫隔板厚度取值主要集中在8 mm～28 mm,其中12 mm的數量最多,10 mm次之[11],已建鋼箱梁橋橫隔板厚度概況如表3所示。以橫隔板厚度常用值12 mm為基礎值進行調整,分別設置了0.5～3倍基礎值進行對比研究。

表3 已建鋼箱梁橋橫隔板厚度概況

3.2 應力分析

沿橫隔板與底板交界線進行應力提取并對比分析,其左右側支承位置應力峰值及其比值變化規律如圖8所示,由于數據較多不宜觀察,以0.50、1.25、1.75和2.25倍厚度時的橫向應力分布為例如圖9所示。

圖8 橫隔板厚度對兩側支承應力峰值的影響

圖9 不同橫隔板厚度的橫向應力分布

由圖8可知,增加橫隔板厚度可降低鋼箱梁左右側支承位置處的應力峰值及其比值,在厚度大于21 mm后,改善效果較差。從圖9可知,隨著橫隔板厚度的提高,主梁應力比值橫向分布曲線整體上升,而峰值點隨著橫隔板厚度的增加而降低,從1.51逐漸降低到1.36,橫隔板作為橫向連接構件,具有增加整體剛度和防止過大的局部應力的作用。

根據結構力學理論,在不考慮其他因素的情況下,結構受力情況與各構件的相對剛度值密切相關,故從圖10中可知,其他區構件應力峰值因橫隔板剛度的增大而降低。從變化曲線各點切線值可知橫隔板厚度對底板和腹板應力峰值的影響隨厚度的增加而降低,最終趨于平衡,在橫隔板厚度增值大于基礎值的75%時,增加橫隔板厚度對底板和腹板的應力峰值已無明顯改善效果。故增加橫隔板厚度可提高鋼箱梁應力在橫橋向分布的均勻性,改善斜交鋼箱梁非對稱受力特征帶來的局部應力集中現象,提高了結構的安全性。

圖10 各構件最大應力

3.3 結構位移分析

根據前文斜交鋼箱梁受力特征分析可知,斜交鋼箱梁在頂推施工到產生懸臂節段時懸臂節段會產生下撓以及扭轉,該節對不同橫隔板厚度下主梁下撓值和扭轉角度的變化規律進行研究,提取到的主梁位移以及計算得到的扭轉角度如表4所示。

表4 不同橫隔板厚度下的懸臂段兩側位移

由表4可知,主梁左右兩端下撓值及其差值均隨著橫隔板厚度的增加而降低,其下降趨勢逐漸平緩,在厚度值為21 mm后,改善效果不明顯,扭轉角度與主梁兩側位移差值呈正比關系。故增加橫隔板厚度可以降低主梁扭轉角度,即增加主梁抗扭剛度。在橫隔板厚度增值小于75%時,增加橫隔板厚度對主梁下撓值有明顯改善效果,增值大于75%后改善效果不明顯,若還采取相同方式,則達不到理想效果。

4 結 論

基于有限元模擬研究了斜交鋼箱梁橋的受力特征。通過改變構件參數分析了其對斜交鋼箱梁橋結構Mises應力和豎向位移的影響,提出了改善斜交鋼箱梁頂推施工中懸臂段局部受力的優化方案,結論如下:

(1) 斜交鋼箱梁橋的結構受力呈非對稱狀態,主梁懸臂根部內外側支承反力差值較大,且梁體發生扭轉,容易加劇局部應力集中。從頂推工況應力分析可知,橫隔板應力最大,腹板與橫隔板基本一樣,后依次為底板和頂板,在現場施工時應對橫隔板和腹板重點監測。

(2) 在懸臂段構件參數優化方案中,改變底板和腹板厚度引起的斜交鋼箱梁整體應力降幅僅在5%左右,可忽略不計。提高橫隔板厚度可降低鋼箱梁整體應力峰值達31%,并能有效改善斜交鋼箱梁的非對稱受力狀態,緩解支承位置局部應力集中,實橋可考慮在設計階段對懸臂段根部橫隔板進行局部加厚以優化結構受力。

(3) 當橫隔板設計厚度大于現階段實橋統計常用厚度值(12 mm)的75%時,對鋼箱梁整體的應力峰值和非對稱受力狀態已無明顯改善效果。故在鋼箱梁設計階段不宜過度增加橫隔板厚度,以節省建設費用,避免材料浪費現象。