钢-混组合梁斜拉桥钢主梁安装方法分析与误差控制.pdf
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1、1262023年6 月中路外第43 卷第3 期DOI:10.14048/j.issn.1671-2579.2023.03.020钢-混组合梁斜拉桥钢主梁安装方法分析与误差控制熊先勇,傅亚军?,黄(1.湖南路桥建设集团有限责任公司,湖南长沙410018;2.中交第二航务工程局有限公司设计研究院,湖北武汉430000;3.长沙理工大学土木工程学院,湖南长沙410114)摘要:钢-混组合梁斜拉桥的钢主梁安装相比纯钢梁斜拉桥更复杂,安装误差控制的难度更高。该文以双边箱截面组合梁为研究对象,建立有限元模型对组合梁的钢主梁安装方法进行对比分析,根据安全受力原则选择最佳的安装方法,并对钢主梁安装误差的产生原
2、因进行分析,提出相应的误差控制方法。关键词:组合梁斜拉桥;钢主梁;安装方法;误差控制中图分类号:U445.4;U448.27文献标志码:A0引言钢-混组合梁斜拉桥的建设发展迅速1-4,目前最大跨径已达7 2 0 m。钢-混组合梁斜拉桥的钢主梁通常为格构式主梁,由双边主纵梁、横梁、小纵梁和其他连接件组成,其截面类型分为双边工字形和双边箱形。相比于整体式钢箱梁,格构式钢主梁的组成部件较多,结构更复杂,拼接难度更高5 8 。且各钢构件通过高强螺栓进行连接,这种连接方式比焊接的精度要求更高,基本无法通过螺栓孔与高栓的直径差进行主梁角度调整。在组合梁斜拉桥的悬臂施工过程中,由于架梁吊机等临时荷载的不规则
3、站位,也会对悬臂主梁的姿态造成不利影响。钢主梁安装方法的选择与安装误差的控制是组合梁斜拉桥的成桥线形能否达到目标线形的关键9-12 。对于钢主梁安装过程中产生的误差,如不及时进行调整与修正,则会造成误差的累积与放大,甚至危及结构安全13-16 。此外,钢主梁安装方法的正确选择与改进可以保证结构力学性能优越的同时减少工程建设周期,达到节材降造的目的17-2 1 。秦顺全2 2 提出的无应力状态法理论表明构件的制造尺寸及精确安装决定了桥梁最终能否达到合理成桥状态。现阶段国内外对组合梁斜拉桥的研究以力学性能分析、剪力钉的滑移和混凝土的收缩徐变为主2 3-2 8 ,在钢主梁制造安装等现场实际施工方面的
4、研究相对较少。对于钢主梁安装误差产生的原因、规律及其在施工过程中的影响和控制手段等方面还需要进行更加深人的研究,为了确保主梁安装过程中的结构安全性与提高主梁施工的精确度,本文对双边箱截面(大跨度组合梁斜拉桥的钢主梁采用双边箱截面形式,相比于双边工字截面,受力性能更优,但刚度更大,从而安装误差的调整难度更大的组合梁斜拉桥钢主梁安装方法进行对比研究,以某大跨度组合梁斜拉桥为背景,建立有限元模型进行工况模拟,标准节段见图1,并针对钢主梁安装误差的产生原因,提出相应的误差控制方法,通过相关应用进行验证。图1标准节段钢主梁收稿日期:2 0 2 2-12-0 4基金项目:国家自然科学基金资助项目(编号:5
5、 18 7 8 0 7 3,5 2 2 7 8 141)作者简介:熊先勇,男,大学本科,高级工程师.E-mail:*通信作者:黄,男,博士研究生.E-mail:3 7 6 7 96 0 9 q q.c o m127等:钢一混组斜封桥钢王与误差控制熊先勇2023年第3 期1组合梁钢主梁安装方法分析对于斜拉桥结构,不同的主梁拼装形式会对施工过程中的应力水平产生较大影响。格构式钢梁的安装分为钢梁整体节段吊装和散件悬臂拼装两种形式。整体节段吊装方法因钢主梁、横梁等的拼接工作在吊装前便已完成,可以有效提高施工效率,但对运输、吊装条件和受力安全(吊装状态下对已安装主梁的桥面板产生的拉应力较大)的要求较高。
6、采用散件悬臂拼装的方法可避免钢梁节段大件运输以及大型桥面吊机等设备的投人,对结构受力的要求更低,但散件拼装法对安装精度的要求更高,且单一的施工作业面也限制了施工的进度针对组合梁斜拉桥的格构式钢主梁施工方法的选择问题,通过建立Ansys有限元模型,计算分析两种方法对整体及局部受力的影响,在满足材料应力允许的前提下结合施工现场实际情况选择更优的钢主梁安装方法。1.1整体安装整体节段吊装如图2 所示。在此方案中架梁吊机自重3 40 0 kN,最大支反力为19m悬臂吊重状态(2 0 0 0 k N1.1),此时前支点受力为2 3 40 kN4,后支点受力为一940 kN4。前、后支点均采用油缸通过垫板
7、支撑于桥面板上,垫板尺寸分别为10 0 0mmX1000 mmX1000 mm、6 5 0 m m X 40 0 m m X100mm,后锚耳板焊接于钢梁主体结构顶面。图2整体起吊示意采用Ansys软件对吊机整体起吊过程中最不利状态进行局部受力分析。根据力学原理可知,悬臂端施工对较远处的近塔端影响较小,因此可用部分梁段一端固结,另一端悬臂,斜拉索锚固处添加刚性支撑的方法来模拟实际情况进行求解。假设已架设标准梁段ZL2ZL5,在架设ZL6时,吊机悬臂吊重状态下,对组合梁进行受力分析。模型1如图3 所示,已架设梁段包括ZL2ZL4的组合梁和ZL5的钢梁部分,此时吊机前支点位于悬臂端2 m的钢主梁和
8、横梁上,后支点位于距离前支点16 m处对应的桥面板上,模拟双节间架设时整体起吊第二节段钢梁的工况。模型2 如图4所示,已架设完毕标准梁段ZL2ZL5组合截面,架梁吊机前支点位于ZL5距离悬臂端2 m处的桥面板上,后支点位于距离前支点16 m处对应的桥面板上,模拟单节间架设或双节间架设第1节段钢梁。在吊机悬臂吊重状态下,对这两种情况下的钢主梁和桥面板进行受力分析。图3前支点作用于钢主梁(模型1)图4前支点作用于组合梁(模型2)在上述两种工况的有限元模型中,组合梁各部位采用的单元类型如表1所示,各单元的材料参数如表2 所示。C60混凝土桥面板的轴心抗压强度设计值fea为2 6.5 MPa,轴心抗拉
9、强度设计值fa为1.96MPa。钢主梁采用Q420钢材,抗拉压强度设计值取为3 2 0 MPa,Q 3 7 0 的横梁和小纵梁的抗拉压强度设计值取为2 90 MPa。为保证一定的安全系数,钢材容许抗拉压强度取为0.8 fa。128公中路外第43 卷表1有限元建模用单元类型部位单元类型单元名称节点数/个桥面板钢筋混凝土实体单元Solid658钢主梁有限应变壳单元Shell1814小纵梁有限应变壳单元Shell1814横梁有限应变壳单元Shell1814表2材料特性表弹性模量/重度/线膨胀泊松材料备注MPa(kN m-3)系数比钢材2.10X10578.51.210-50.3钢主梁C60混凝土3.
10、60X10426.51.010-50.3桥面板C50混凝土3.45X10426.01.01050.3主塔C40混凝土3.25X10426.01.0X10-50.3主塔塔座C35混凝土3.1510426.01.0X10-50.3主塔承台C30混凝土3.00X10426.01.0X10-50.3主塔基础平行钢丝1.9510578.51.21050.3斜拉索计算荷载主要包括结构自重、吊机自重和起吊梁段重量。其中,吊机前、后支点处添加反力模拟吊机吊装过程中对组合梁的作用力。前支点根据架梁吊机布置情况在垫板处以面荷载形式施加在距离悬臂端2 m处的钢主梁和横梁上。后支点反力在距离前支点16 m处对应的钢主
11、梁和横梁上,后锚耳板受力以节点力形式添加。前后支点力示意如图5 所示,端部边界条件和锚固处边界条件如图6 所示。(a)前支点(b)后支点图5桥面吊机前后支点反力(a)端部(b)锚固处图6边界条件模型1中吊机前支点作用力由钢梁承担,在整体起吊ZL6节段时对ZL4梁段及ZL5梁段分别进行受力分析。ZL5梁段的应力云图如图7 所示,对应的刚性支撑处局部应力云图如图8 所示;ZL4梁段的应力云图如图9所示,对应吊机后支点处局部应力云图如图10 所示。NODALSOLUTIONSTEP=1SUB=1TIME=1SZ(AVG)RSYS=ODMX=50.1287SMN=-265475SMX=266734-2
12、65475-147206-28937.490331.2207600-206341-8807230106.8148 466266734图7ZL5梁段应力云图(单位:kPa)NODALSOLUTIONSTEP=1SUB=1TIME=1SZ(AVGRSYS=ODMX=23.1637SMN=-104593SMX=89961.6-104593-61357.2-18121.525114.268349.8-82.975-39739.33496.324673289967.6图8ZL5梁段刚性支撑处应力云图(单位:kPa)NODALSOLUTIONSTEP=1SUB=1TIME=1SZ(AVC)RSYS=0DM
13、X=23.3884SMN=-52788SMX=115243-52788-15 447.821892.459232.696.572.8-34 117.93222.340562.577 902.7115 243图9ZL4梁段的应力云图(单位:kPa)从图7 10 可以得出:模型1中钢梁的最大拉应力为8 9.96 8 MPa,方向为顺桥向,出现在ZL5斜拉索位置处的钢主梁顶面;钢梁最大压应力为10 4.5 93MPa,方向为顺桥向,出现在ZL5斜拉索位置处钢主梁底面,最大拉、压应力均小于Q420qD钢材的强度1292023年第3 期熊先勇混组合梁斜拉桥钢主梁安析与误差控制设计值3 2 0 MPa。最
14、大拉、压应力区域为面荷载加载区域,该区域在实际工况中有10 0 0 mmX1000mm100mm垫板支撑加强,可以忽略此区域内的应力集中现象。由此可以得出此工况下主梁结构受力安全。NODALSOLUTIONSTEP=1SUB=1TIME=1SZ(AVG)RSYS=ODMX=20.1583SMN=-63255.2SMX=29121.2-63255.2-42727.1-22199-1670.9118857.2-52.991.1-32463-119358593.1429121.2图10吊机后支点处局部应力云图(单位:kPa)模型2 中吊机前支点作用力由组合梁承担,此时为桥面板受力最不利情况,需重点考
15、虑混凝土桥面板处的应力分布。混凝土桥面板应力云图如图11所示;在ZL5钢梁斜拉索锚固区域,桥面板应力云如图12所示;刚性支撑区钢主梁的应力云图如图13 所示。NODALSOLUTIONSTEP=1SUB=1TIME=1SZ(AVGRSYS=ODMX=41.7629SMN=-14063.9SMX=5928.87-14 063.5-9 620.89-5 178.28-735.6583 706.96-11842.2-7399.58-2956.971485.655928.27图11混凝土桥面板应力云图(单位:kPa)NODALSOLUTIONSTEP=1SUB=1TIME=1SZ(AVG)RSYS=O
16、DMX=51.2652SMN=-10532.5SMX=10318.7-10632.5-5976.64-1320.823335.017990.838304.56-3648.731007.095662.9210318.7图12索区2 m范围内桥面板应力云图(单位:kPa)NODALSOLUTIONSTEP=1SUB=1TIME=1SZ(AVG)RSYS=ODMX=14.6887SMN=-292681SMX=279.783-292681-165467-38252.688961.6216176-229074-10186025354.5152569279.783图13刚性支撑区钢主梁应力云图(单位:kP
17、a)由图11、12 可知:混凝土最大拉应力为10.3 19MPa,方向为顺桥向,出现在吊机站位前支点位置处,取ZL5钢梁刚性支撑区桥面板,最大拉应力为5.928MPa,方向为顺桥向,大于C60混凝土的轴心抗拉强度设计值1.9 6 MPa。由图13 可知:钢梁最大拉应力为2 7 9.7 8 3 MPa,方向为顺桥向,出现在斜拉索位置钢主梁顶面,大于Q420qD钢材强度设计值2 5 6MPa。钢梁最大压应力为2 92.6 8 1MPa,方向为顺桥向,出现在斜拉索位置钢主梁底面,大于Q420qD钢材强度设计值2 5 6 MPa。由以上数据可以得出此模型中主梁结构受力不安全,钢梁若采用整体节段吊装无法
18、满足容许应力要求。1.2散件安装采用散件悬臂拼装方式安装主梁,具有吊装荷载较小、施工状态满足材料受力要求、可避免钢梁节段大件运输以及大型桥面吊机等设备的投人等优点。经过上文的计算分析可知,主梁施工无法采用整体节段吊装,继续对散件悬臂拼装进行分析。钢梁散件拼装过程中每个节段按照钢主梁横梁小纵梁的顺序进行,且边、中跨双悬臂对称架设钢梁,确保不平衡荷载满足设计要求。散件悬臂拼装具体架设流程如下:(1)钢主梁安装:两根钢主梁构件由桥面吊机逐根起吊。钢梁对接时,吊装钢主梁与前一个节段水平高度一致,将钢主梁和拼接板一起缓慢往梁端移动,每次起吊时设置缆风绳控制钢主梁半空转向,将前一个已架设节段钢主梁的底板、
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