某大跨度钢箱连续梁桥吊装牛腿仿真分析

袁江林

（南昌市城市规划设计研究总院，江西 南昌 330000）

0 引言

本文研究对象——钢箱梁连续梁的设计方案为典型的大悬臂正交异性板钢箱梁，其钢箱梁施工主要过程为桥位处采用整片箱梁浮吊吊装就位并采用牛腿临时定位，最终进行测量精确定位和梁段焊接。上述施工过程为典型的跨海钢箱连续梁大桥大节段吊装装配方案，该方案施工过程中存在结构体系转换，且最不利工况为钢箱梁连接围焊完成前。这时钢箱梁的主要恒载和施工荷载由梁端牛腿承担，施工过程的不同阶段梁段和辅助结构牛腿所受的荷载和边界条件均存在差异，因此准确把握施工过程临时连接结构牛腿及其连接处钢箱梁局部受力特性是保证吊装施工安全的关键。对钢箱梁的施工全过程进行三维仿真分析并根据计算结果对相关结构进行优化设计是非常必要的，该方法也是进行钢箱梁施工阶段受力机理研究最为有效的方法和途径之一。以一座跨海钢箱连续梁大桥为研究对象，研究有限元数值计算在跨海大桥钢箱梁整体吊装施工阶段仿真分析中的应用，具有重要的工程实践意义和借鉴参考价值。

1 工程概况

1.1 桥型布置

本文所研究对象为某跨海大桥其中一联，此联采用6×110 m等截面连续钢箱梁形式，材料均采用Q345q。主梁采用带翼板钢箱梁，梁高4.5 m，梁宽段的桥面宽33.1 m，桥型布置如图1和图2所示。梁段各件板件厚度参数见表1。

图1 桥型立面布置简图（单位:m）

图2 钢箱梁标准断面（单位：mm）

1.2 施工阶段

箱梁整体吊装施工阶段如图3所示。

表1 构件尺寸参数

图3 箱梁整体吊装施工阶段示意图

大节段吊装施工过程中存在大节段吊装和梁段安装过程中的临时结构和其安装位置梁段板件强度安全问题。对于牛腿而言，由于第二、三、四、五跨节段的重量均相等，并且第六跨节段的重量稍小，因此选取第二跨梁段安装阶段进行验算，第二跨梁段安装示意图如图4所示。此时，第二跨梁段悬臂端需安装牛腿，关于牛腿对于梁体的影响以及牛腿本身的安全性均需要进行验算。

图4 第二跨梁段安装工况示意图（单位：mm）

2 有限元模型

采用了ANSYS 12.1软件，建立了全桥的施工吊装阶段分析模型，模型的相关板件尺寸、厚度等参数均严格参照原设计图纸来模拟，有限元模型未考虑桥梁的纵坡和横坡。有限元模型单元均采用shell63板壳单元进行模拟。

在牛腿架设点下牛腿对应位置上加载竖向向下荷载F，综合考虑各个构件的自重，得到偏于安全的F最终加载值8 500 kN（实际MIDAS/Civil模型计算值为8 406.3 kN），另外施加的荷载为已安装梁段的自重。

为了对第二跨梁段安装时牛腿和梁段悬臂段的安全性进行验算，建立了第二跨安装时牛腿验算模型，该模型包括两个牛腿构造和已安装梁段，已安装梁段为第二跨梁体的悬臂段。该模型共划分为460 584个单元、429 745个节点，如图5所示。

图5 有限元模型示意图

3 施工阶段有限元计算分析

首先对待安装梁段边腹板上放置有两个牛腿的临时连接情况进行施工模拟计算工作。从安装最不利工况有限元仿真计算结果（见图6）可以看出：牛腿高应力区主要集中于牛腿前支点附近区域（如牛腿顶底板、牛腿中腹板、前支点相应板件）以及前支点下横隔板相应区域，其中牛腿底板应力高达300 MPa，如图7所示；牛腿前支点附近处与牛腿前支点下主梁横肋板局部Mises等效应力最大值均达到377.3 MPa，已经超过规范材料强度限值，结果如图8所示。

图6 改进前整体模型应力云图（单位：kPa）

图7 改进前牛腿底板应力云图（单位：kPa）

图8 牛腿前支点下主梁横隔板应力（单位：kPa）

通过对原设计牛腿连接结构的分析，造成牛腿前支点附近处应力局部过高的主要原因在于：

（1）原设计牛腿前支点与钢箱梁连接为螺栓固结形式，前支点处转动自由度无法释放，从而导致牛腿前后支点的“杠杆作用”无法发挥，使得安装梁段荷载的大部分由牛腿前支点承担，而牛腿后支腿无法充分发挥应有的作用。

（2）以前支点为界，牛腿主箱梁加劲板的设置存在较大差异：牛腿顶底板之间的水平加劲板在牛腿前支点处被牛腿横隔板截断而未延伸至后支腿上方。

根据有限元计算结果分析了导致应力过高的主要原因后对吊装牛腿临时连接设计做了下列优化改进：

（1）将牛腿前支点处的螺栓固结形式改为铰接形式，从而释放前支点处的转动自由度。

（2）通过增加补强加劲板的方式对牛腿前支腿处的主梁横隔板进行加强。

（3）在待安装主梁中腹板处增加一道牛腿，将临时牛腿的数量由两个增加为三个，以增加施工安全储备。

根据上述改进重新建立了第二跨安装时牛腿验算模型，该模型包括三个牛腿构造和吊装梁段。该模型共划分为460 584个单元、429 745个节点，如图9所示。

图9 改进后有限元模型示意图

牛腿前支点处为铰接建模处理方式为：先在牛腿前支点转动中心处建立一个主节点与牛腿底板铰接处所有点之间施加弹性连接形成主从关系；然后在牛腿前支点转动中心处建立另外一个主节点并与对应在主梁顶板铰接处所有点之间施加竖向弹性连接主从关系；最后在两主节点间再建立三个刚度无穷大的限值平动自由度的一维弹性连接单元以释放牛腿前支点处铰接板件的转动约束。

改进后临时牛腿连接结构在安装最不利工况下有限元仿真计算结果如图10所示。其中牛腿底板应力高达179.7 MPa，如图11所示；牛腿前支点附近处与牛腿前支点下主梁横肋板局部Mises等效应力为180.1 MPa，结果如图12所示。

图10 改进后整体模型应力云图（单位：kPa）

图11 改进后牛腿底板应力云图（单位：kPa）

图12 改进后牛腿前支点下主梁横隔板应力（单位：kPa）

临时牛腿连接结构改进前后计算结果如图13所示。从仿真计算结果可以看出，牛腿以及牛腿支腿处附近主梁板件的最大应力得到显著降低。其中，最为关心的牛腿前支点下主梁横隔板最大应力由改进前的377 MPa锐减至180.3 MPa，牛腿自身顶板最大应力由改进前的253.6 MPa减小到194.2 MPa，牛腿自身底板最大应力由改进前的300.4 MPa减小到179.7 MPa。综合来看，牛腿前支点附近处其他板件的应力分布情况有显著改善，表明牛腿的改进措施是十分合理有效的。

图13 牛腿连接结构改进前后应力

4 结语

牛腿前支点与钢箱梁连接为螺栓固结形式，前支点处转动自由度无法释放，从而使得安装梁段荷载的大部分由牛腿前支点承担，局部应力增大，设计时应避免。在大节段钢箱梁的整体吊装施工中细节决定成败，因此对于每个构造细节应给予足够的关注，而有限元仿真计算作为最行之有效的手段应当充分发挥其作用。本文希望通过对某大跨度钢箱梁整体吊装施工全过程的仿真计算为其他工程提供借鉴和参考。