钢箱梁吊装施工及梁块运输、吊装变形验算

李相周，李晶晶

（湖北富昊工程项目管理咨询有限公司，湖北武汉 430000）

钢箱梁吊装施工及梁块运输、吊装变形验算

李相周，李晶晶

（湖北富昊工程项目管理咨询有限公司，湖北武汉 430000）

以某跨河连续梁桥为研究背景，介绍了钢箱梁吊装施工方案及流程；利用ABAQUS软件对钢箱梁梁块运输、吊装过程中的应力和变形进行有限元分析，结果表明钢箱梁应力和变形均满足规范要求，利用有限元软件验算结果可为钢箱梁安全施工提供理论保障。

桥梁；钢箱梁；吊装施工；有限元分析；变形验算

随着基础设施建设的加快和施工技术的提高，钢箱梁以其自重轻、经济、架设方便等优点在大型桥梁建设中得到广泛应用。钢箱梁一般由顶板、底板、腹板、横隔板、纵隔板及加劲肋等通过全焊接的方式连接而成，其吊装施工是一个复杂的过程，施工中必须确保安全。该文以杭州市化工路跨余杭塘河桥梁为例，运用ABAQUS有限元软件建立有限元模型，对钢箱梁梁块运输、吊装过程进行受力分析，为钢箱梁吊装施工提供参考。

1 工程概况

该跨河连续梁桥位于杭州市化工路和隐秀路交叉口南侧，与余杭塘河斜交，右偏角度为80°。该桥平面位于半径为326.1 m的圆曲线和缓和曲线上，同时位于半径为1 833 m的竖曲线上，中跨跨越余杭塘河，南北走向，线路中心与河道斜交角度为右偏80°。起点桩号为K3+242.500（北端），终点桩号为K3+325.500（南端），中心桩号为K3+271.500。桥梁总长108 m，宽度30.7 m，局部变宽。

主桥采用等截面连续钢箱梁结构，全桥配跨为（25+58+25）m。主桥采用等截面全焊钢箱梁结构，单箱十室。道路中心线处梁高为1.9 m，宽度为30.7 m，顶板设置1.5%单项横坡，底板与顶板平行，顶板厚度为18mm，中墩位置顶板变厚设计为20 mm，底板钢板厚度为18 mm，挑臂斜底板和挑臂装饰板均设计为12mm钢板，钢板材质为Q345qC。横隔板均按径向布置，在道路中心线处间距为3 m，支座中心线处横隔板厚度为20 mm，其余横隔板厚度为14 mm，腹板厚度为14 mm。全桥共设置普通横隔板38道，4道横梁，9种形式；纵隔板（腹板）11道。图1为钢箱梁标准横断面。

图1 钢箱梁标准横断面（单位：mm）

2 钢箱梁吊装施工

2.1 吊装方案

该桥钢构件超长超宽，重量大，运输线路长，数量多，运输、吊装需历时10 d，在构件运输、吊装过程中不能出现一点差错。主桥上部钢箱梁在工厂制作，通过汽车运输到桥位进行安装。

钢箱梁总的吊装施工方案如下：采用汽车吊+浮吊，以浮吊为主吊设备；晚上运输，白天吊装。钢箱梁采用支架法安装。钢箱梁纵向（顺桥向，由大桩号侧起）分为A、B、C、D、E 5段，横向分为20个吊装块，其中A段设计为1个横向吊装块，B段分为B-1～B-6 6个分块，C段分为C-1～C-6 6个分块，D段分为D-1～D-6 6个分块，E段设计为1个横向吊装块。全桥共计20吊，分段、分块均以底板投影面尺寸划分。该桥与余杭塘河河道斜交，加上航道部门要求施工必须留出通航尺寸（22 m），不允许在河道内设置临时支架，故分段较长，增大了安装难度。结合现场情况，钢箱梁吊装采用一台160 t浮吊（铭鑫浮吊6）作为主吊设备，350 t汽车吊作为辅吊设备。

2.2 钢箱梁吊装施工流程

该桥钢箱梁中跨跨越余杭塘河，桥梁线形平纵均为曲线，桥面较宽（30.7 m），横断面为等截面扁平

正交异性全焊钢箱梁，主桥与河道斜交，给钢箱梁制造和安装带来困难。按照公路钢箱梁一般制造方法，结合现场河道桥位安装环境，同时满足吊装要求，把钢箱梁按照纵向（顺桥向）分段、横向分块的原则在预制场内整胎正装制作，即在胎架上组拼、焊接和预拼装一次性完成，然后分段、分块脱胎运至现场进行吊装。因该工程为新建，施工范围内无交通影响，故安排晚上运输、白天吊装，保障施工安全。

根据浮吊大节段吊装方案，首跨梁段施工时，直接利用浮吊吊装至墩顶临时支座上方，并精确控制位置；中跨及尾跨梁段施工时，一端利用梁端临时牛腿挂设于已架梁段悬臂端，另一端支撑于墩顶临时支座上方。相邻节段之间钢箱梁完成焊接连接后再进行下一跨梁段施工。大节段钢箱梁吊装见图2。

钢箱梁基本安装顺序是由主桥两端向中间安装，并从3号桥台（学院路侧）开始安装，每一段由桥梁外弧向内弧依次安装，即A→B→C←D←E，先安装桥梁两端A、E两个横向块，再安装B、D纵向吊装块，最后安装合龙段C。

图2 钢箱梁吊装示意图

钢箱梁分段依据设计图纸、规范、公路运输要求并结合桥位吊装要求，以底板尺寸为标准，顶底板、腹板焊缝错开间距满足设计要求即≥50 cm；全桥共划分为2个横向段（A、E）、3个纵向段（B、C、D），共计20吊（见图3）。

图3 钢箱梁底板分段、分块示意图（单位：mm）

在运输吊装前对钢箱梁进行质量检查，检查内容和方法见表1。

表1 钢箱梁检查内容

箱梁吊装施工中，桥面吊机在船上或附近码头拼好后用浮吊直接吊至桥面进行安装。安装调试完毕后即可在桥塔主跨侧进行梁段悬拼施工。同塔的2台桥面吊机同时起吊钢箱梁，从主墩开始，起吊钢箱梁段就位，调整梁段的斜率，与前一梁段进行临时连接，精确控制相邻梁段间缝宽接近于设计值，完成箱梁全部截面的焊接，第一次张开拉索；桥面吊机移去前面位置，第二次张开拉索，起吊下一段钢箱梁段，完成临时连接。依次循环完成标准梁段安装。

3 钢箱梁梁块运输、吊装变形验算

取最长的C2块钢箱梁进行变形验算，验算内容包括运输过程中的变形及钢箱梁吊装过程中的变形。C2块钢箱梁长39.2 m，宽5 m，重量117 t。通过ABAQUS有限元建模进行验算，考虑到钢箱梁在施工阶段采用悬臂拼装的特点，钢箱梁段间焊缝连接处的边界条件用全固结模拟，另一端部位移边界条件为全自由，即将梁段考虑为单悬臂构件。

3.1 钢箱梁运输过程中变形验算

为了提高求解精度，采用ABAQUS壳单元进行建模。钢箱梁弹性模量取206 GPa，泊松比取0.3。有限元计算模型长39.2 m，宽5 m（见图4）。

图4 C2块运输有限元模型

钢箱梁采用运梁车运输，运梁车由车头及托盘组成。钢箱梁出厂时将运梁车上托盘与钢箱梁进行焊接固定，模拟时对钢箱梁底部靠边侧2 m处（0.15 m×5 m=0.75 m2）范围进行纵向、横向、竖向三向约束。

运输过程中钢箱梁主要承受自重荷载，考虑到竖直方向可能出现的冲击情况，取1.3荷载冲击系数，计算运输重量G=1.3×117×9.8=1 490.6 k N。验算结果见图5～7。

由图5～7可知：在运输过程中，钢箱梁最大应力出现在运梁车托盘与箱梁接触部位，最大压应力为114.2 MPa＜200 MPa容许值，符合规范要求；最大变形出现在跨中腹板缺失处（另一侧有腹板处变形较小），最大变形量为14.3 mm＜35 200／500= 70.2 mm，满足规范要求。

图5 钢箱梁运输中Mises应力云图（单位：Pa）

图6 钢箱梁运输中最大Mises应力部位（单位：Pa）

图7 钢箱梁运输中位移云图（单位：m）

3.2 钢箱梁吊装过程中变形验算

取最重块C2进行吊装变形验算。吊装模型与运输模型类似，长39.2 m，宽5 m。为了提高求解精度，钢箱梁采用壳单元模拟，吊耳采用实体单元模拟。钢箱梁采用8点起吊，吊耳一侧布置4只，布置位置为箱梁横隔板上方，横向间距为4.6 m，纵向间距为6 m（见图8、图9）。

图8 箱梁吊装模型

图9 箱梁吊装有限元模型

钢箱梁起吊过程中主要承受自重荷载，考虑到竖直方向出现的冲击情况，取1.3荷载冲击系数，计算吊装重量G=1.3×117×9.8=1 490.6 k N。钢箱梁采用卸扣扣紧吊耳进行起吊，计算时将吊耳穿孔进行三向约束。验算结果见图10、图11。

图10 钢箱梁吊装中最大Mises应力部位（单位：Pa）

图11 钢箱梁吊装中位移云图（单位：m）

由图10、图11可知：吊装过程中，钢箱梁最大应力出现在吊耳下方U形加劲肋与横隔板交接处，最大拉应力为92.4 MPa＜170 MPa容许值，符合规范要求；最大变形出现在跨中腹板缺失处（另一侧有腹板处变形较小），最大变形量为3.7 mm＜23 200／500=46 mm，满足规范要求。

4 结语

钢箱梁分块超长超宽、重量大、运输路线长，吊装施工是一个非常复杂的工程，在构件运输、吊装、分块、焊接等施工中必须确保安全。为此，需对大节段钢箱梁梁块运输、吊装进行有限元数值模拟分析，验算其应力和变形是否符合规范要求。该文只分析了钢箱梁梁块运输、吊装过程中的应力和变形，桥面吊机吊装支承钢箱梁应力分布情况有待进一步分析。

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