某危桥拆卸阶段的钢桁梁应力分析

孙 博，余天庆，周 洋

（湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉430068）

1 工程概况

某钢桥为三跨连续索桁混合结构［1］，跨径为67.79m＋49.10m＋67.79m＝184.68m。总体布置见图1。中跨钢桁梁下放是该桥危桥加固维修的一个重点和难点。中跨钢桁梁总重500t，总长为48.4m。下放前需沿纵向将钢梁分为4.5m＋37.9 m＋6.0m三段。其结构形式及详细尺寸见图2、图3。

下放的中段钢桁梁重约400t，整体重量由固定在两个边跨钢梁上的四个吊架承担。下放过程中如果四个吊点不能保持协调同步，就可能造成其中的一个或几个吊架上的应力过大甚至失稳。为保证中跨下放过程的安全性，有必要对下放吊架和边跨钢梁的应力和变形实施监控，并对全过程的构件状态跟踪预警［2－3］，以确保结构在施工阶段受力状态符合设计要求。

图1 主桥总体布置图

图2 主桥中跨钢梁立面布置图 mm

图3 主桥中跨钢梁横断面布置图 mm

2 施工方案

中跨钢桁梁整体下放施工方案［4］主要包括

1）拆除中跨与边跨之间的悬吊体系。

2）安装下放吊架 吊架纵梁安装，北侧单个吊架纵梁由8排×6片＝48片加强弦杆贝雷梁片组成。南侧单个吊架纵梁由8排×5片＝40片加强弦杆贝雷梁片组成。

3）下放吊架静载试验 下放吊架静载试验阶段采用千斤顶进行加载，工况按加载的大小分为：0～0.2P（20t）～0.5P（50t）～0.8P（80t）～1.0P（100t）～1.25P（125t），共五级加载，

4）解除中跨钢桁梁中间部分与墩顶节间钢梁的连接。中跨钢桁梁分割后，墩顶节段将成为悬臂构件。为防止中跨钢梁下放后该墩顶节段下坠，需要把墩顶节段钢梁下弦部分与钢塔连接，使之成为一个稳定结构。

5）用下放吊架将中跨钢桁梁下放至桥下铁驳，运至指定地点进行加固维修。由于危桥抢修整个施工期间中跨必须保持通航（中跨下放安装过程中封闭航道），故中跨钢桁梁需从桥位处整体运到工厂进行维修加固。

3 仿真分析

3.1 模型建立

采用有限元软件 MIDAS Civil 2006建立下放吊架模型，其中北侧吊架长度6×3＝18m，南侧吊架长5×3＝15m，所有杆件均采用考虑剪切变形功能的空间梁单元模拟，北侧吊架离散为820个节点，1 598个单元。同时建立了中跨钢桁梁模型，桁架及纵梁采用梁单元，横梁采用考虑面内受拉压及面外受弯的板单元模拟共488个节点，324个梁单元，204个板单元。施工模型见图4、5、6。

图4 北侧下放吊架

图5 南侧下放吊架

图6 中跨钢桁梁

3.2 计算结果

3.2.1 静载试验 静载试验计算结果主要包括中跨及下放吊架的应力及变形两项指标。

1）中跨钢桁梁的应力及变形分析 利用中跨有限元模型施加边界条件及荷载进行分析，得到六种工况下的应力及变形值如表1所示。从表中直观得到，千斤顶的张拉力对中跨钢桁梁产生了有利影响，起到了卸荷的作用。整个加载试验阶段，中跨钢桁梁最大拉应力仅为47.447MPa，最大压应力仅为66.652MPa，最不利状态为钢梁加载试验前的自重状态，故本次加载试验对钢桁梁结构应力不作监控。

125t时，中跨向上变形量仅2.9mm。分级加载时每级荷载的位移增量仅0.6mm，值太小不便控，故试验仅对加载结束后的变形进行校核。

表1 中跨钢桁梁理论计算表

2）下放吊架的应力及变形分析 由于南北两侧的锚固形式相同即边界条件相同，而北侧的悬挑长度为3×3＝9m大于南侧6m，因此取北侧的吊架为最不利情况。

以表2的结果可见：由于下放吊架的前端锚固在第三、四片贝雷梁片的支撑柱上，因此第三、四片的刚度增大，其分配到的力也较大。其中最大拉应力179.954MPa，最大压应力217.334MPa，小于16Mn构件的容许应力，因此，施工过程中结构是安全的。但是静载试验进行时，当千斤顶施加125t张拉力时，每个吊架承受的荷载超过100t，考虑到温度影响以及四个吊架的不同步等因素的影响，个别杆件上将产生较大的应力及变形。因此吊架的应力监控是必要的。根据计算结果，综合各工况确定受力最不利杆件，这些是需现场监测的控制截面，测点布置如图7所示。

表2 125t张拉力下边孔各片贝雷梁片应力MPa

图7 吊架测点位置布置

3.2.2 下放过程 中跨钢桁梁下放前将其切割分为三段。中段钢桁梁重约400t，采用四点起吊，每吊点承担100t竖向荷载。因此吊架受力同静载试验受到千斤顶100t张拉力基本相同。

4 应力监控数据分析

4.1 监控方案

根据现场施工情况，该桥中跨的主要监控方案见表3。

表3 监控方案

图8 提升吊架控制点的应力变化趋势

表4 切割过程应力监测结果

4.2 监测结果与分析

中跨钢桁梁的拆卸从早上1∶30时开始，至中午11∶45结束。拆卸过程中，应力监控仪器进行了全程监测，得出了各测点的应力变化情况。

提升吊架各斜腹杆控制点的应力变化见图8，由图8a可知，斜腹杆5、7的应力变化趋势大体一致，均为拉弯构件；斜腹杆4、6的应力变化趋势大体一致，且受压。在静载试验阶段1、2、3、4，各测点的应力逐渐增加，且变化平稳。施工阶段5、7有动力荷载及施工扰动的因素，应力值有所提高。图8b看出弦杆和竖杆的受力也较平稳，图8中大部分测点的实测值小于理论值，两者的应力趋势线吻合较好。下面分析各杆件应力取极值的施工阶段5，即切割中跨钢桁梁上弦杆阶段，各杆件的应力值列于表4。其中截面编号为补1和补2是考虑贝雷梁本身由于日照温差等影响有初始变形，为了尽可能减少其影响［5］，用施工过程中不受力的补偿片做对照，应力减去补偿片应力得到实测值。

表4中实测值和理论计算值的校验系数［6－7］约在0.7～1.3之间，两者吻合良好，说明采用MIDAS Civil进行仿真计算取得的结果具有合理性和准确性。同时各杆件最大应力在120MPa左右，远小于16Mn构件的容许应力，说明该桥施工过程安全。

随后从切割完成到下放过程中应力变化不大，而下放到位后所有杆件应力出现反转，说明桁架已顺利放至桥下铁驳上，应力监控结束。

5 结束语

1）结合中跨钢桁梁的静载试验过程，对其进行仿真计算，得出各工况下中跨及边跨钢桁梁的应力和位移极值，结果表明千斤顶的张拉力对中跨钢桁梁有卸荷的作用，同时边跨应力及变形较小，故本次加载试验对中跨及边跨钢桁梁的应力及变形不作监控。

2）仿真分析了静载试验中提升吊架的受力情况，综合各工况得到了应力最不利位置的7个杆件作为应力监控的实测点。加载试验各工况的应力值发展平缓稳定，说明静载试验方案是安全、合理的。该结果对现场监控有指导意义，实测值若出现突变，应立即终止加载，分析并查明原因后继续加载。

3）通过现场应力监测，得出施工过程中下放吊架各个重要构件的应力，应力的大小和发展规律符合设计要求，且有一定安全储备。因此该桥在施工过程中应力状态是安全合理的，符合规范要求。同时，将应力的现场实测值和理论计算值进行对比，发现二者吻合良好，说明采用MIDAS Civil计算所得的理论值具有一定的准确性和合理性

［1］ 邱式中.桥梁钢结构体系及施工技术（一）［J］.OVM通讯，2002（03）：27－31.

［2］ 向中富.桥梁施工控制技术［M］，北京：人民交通出版社，2001.

［3］ 徐君兰.大跨度桥梁施工控制［M］.北京：人民交通出版社，2000.

［4］ 中铁大桥勘察设计院有限公司.危桥抢修工程中跨钢桁梁下放、浮运、提升专项施工方案［Z］.中铁大桥勘察设计院有限公司，2011.

［5］ 秦顺全.桥梁施工控制—无应力状态法理论与实践［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［6］ 顾安邦.桥梁施工监测与控制［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［7］ 曾德荣.桥梁施工监测应力真值分析方法［J］.重庆交通学院学报，2005（06）：18－23.