超宽分体式钢箱梁吊装安全性能研究

冯殿怡， 刘显彪

(西南交通大学，四川成都 610031)

大跨度斜拉桥主梁通常采用由众多纵横加劲和盖板组成的封闭式扁平钢箱梁结构形式，其具有自重轻、弯扭刚度大等优点[1]。为满足抗风要求，改善空气动力性能，减轻结构自重，将扁平钢箱梁中分带拉开形成双箱或多箱断面钢箱梁，双箱或多箱纵梁通过横梁连接，即形成了分体式钢箱梁。分体式钢箱梁是闭口箱梁之后的重要创新，成为“第二代钢箱梁”，既具有正交异性板的特点，同时又具备扁平钢箱梁的典型构造特点。

某大型斜拉桥，跨度总长为2 200 m，通航孔主跨2×720 m。桥型布置如图1所示。桥跨线路属于重要跨江通道，其交通特点为“重载、大交通量”。该三塔斜拉桥加劲梁采用超宽分体式钢箱梁形式，桥面系采用跨越能力强的正交异性钢桥面板结构。钢箱梁全宽50.5 m，单箱梁宽19.75 m，横向连接箱宽度达11 m，如图2所示。

图1 三塔斜拉桥桥型布置(单位：cm)

图2 分体式钢箱梁标准截面(单位：cm)

目前大跨度箱形梁结构的吊装方法主要有分段吊装法、整体吊装法、整体提升法、整体顶升法、高空滑移法等[2]。该斜拉桥分体式双箱采用超宽横向连接箱连接，在施工阶段的吊装过程中，借鉴了Morgenthal等[3]应用在香港昂船洲大桥上的重型梁段吊装方案，采用整体式梁段吊装，分体式整节段梁呈“U”形，如图3所示。但由于梁段重量大、尺寸宽，在吊装过程中易发生整段梁扭转、翘曲、畸变导致安装精度不足等问题，甚至可能存在局部稳定性较差、局部构造刚度及承载力不足等结构安全性问题。

图3 分体式钢箱梁整体节段

针对该桥钢箱梁主梁“超宽幅”“分体式”等特点，针对施工阶段整体吊装的关键问题，本文将在超宽幅节段吊点构造安全与箱梁变形控制方面展开研究。

1 仿真分析模型建立

分体式钢箱梁受力和构造体系比较复杂，其三维仿真分析具有一定的难度。同时，在考虑施工过程的情况下，需要进行多种受力条件下的仿真分析，建模工作量较大。若要建立合理的、符合钢箱梁实际受力的仿真分析模型，需要考虑众多方面的因素，如单元选择、单元尺寸、约束条件等的影响。但另一方面也要考虑计算成本，适当对模型进行一些简化处理，以减小计算量。对于分体式钢箱梁吊装节段仿真分析而言，适用于其结构体系的单元类型主要是三维板壳元，为了尽量真实模拟结构的受力特性，选取4节点板壳元。采用大型通用有限元软件ANSYS，建立了梁段起吊模型，此模型是严格按照实际梁段节段划分进行建模，为了更好地模拟梁段在吊装时的受力和约束情况，在节段整体模型上建立了吊耳局部构造，将吊耳板件与顶板进行自由度耦合，在吊耳实际起吊位置建立约束。建立的梁段模型如图4所示。

图4 吊装节段仿真模型

2 超宽幅节段吊点构造安全与优化设计研究

吊点位置的优化布置是吊装全过程中至关重要的一环，吊点位置的选择对于箱梁节段受力状况及吊装安全性能具有重大影响。吊点初始位置根据设计图确定，对于跨中典型梁段，向塔侧吊点位于向塔侧第一块横隔板上，背塔侧吊点位于背塔侧第2块横隔板上。

根据设计图的布置，计算出的吊点支反力如图5所示。可以看出，在此种情况下，吊点的前后、左右受力都不均匀，同一位置的2个吊点反力相差也较大，这种受力不均的状态可能会导致吊梁平衡难以调整，且可能导致箱梁发生吊装时侧倾的危险，因此需要进行吊点优化布置。

图5 初始位置吊点力(单位：mm、kN)

初始设计位置的一个不合理之处在于，并未考虑横向位置中横隔板的影响。吊点被布置在了顶板U肋上方，此处为一空腔，顶板没有横隔板的支撑，故会造成顶板受力不合理、变形较大，对吊点力的分配也有影响；且不满足实际施工的要求。优化布置位置为顶板与横隔板交界处，即横隔板凸起的中点。为了确定较为合理的吊点布置形式，本专题进行了大量试验计算，包括调整吊点的横向、纵向位置，改变同一处2个吊点的间隔等。最终优化布置的吊点力计算结果见图6。

图6 优化布置后吊点力(单位：mm、kN)

由计算结果可以看出，同一位置2个吊点受力相差不大，内外侧吊点力也基本平衡。向塔侧与背塔侧吊点力有一定的差距，可以通过平衡梁解决，故此方案是比较合理的。经过进一步验算，在吊装过程中，腹板的应力较小，其余大部分板件的高应力区都分布在吊点附近，最大拉应力有60 MPa左右，满足相关规范的要求。

3 超宽幅节段分体式箱梁变形控制及措施研究

梁段提升时，两幅钢箱梁安装吊耳，由吊机后端的卷扬机同步牵引提升。斜拉桥悬臂端与吊装段钢箱梁的受力体系和作用荷载均相差很大, 拼接断面箱梁不可避免产生一定程度的变形差。如果变形差过大, 会给箱梁拼装带来很大的困难[4]。因此需要考察梁段在提升过程中的变形，是否满足施工要求。梁段在吊升过程中的竖向变形云图如图7所示，最大竖向变形量为3.57 mm。各板件具体变形计算结果如表1所示。

图7 梁段竖向变形(单位：mm)

表1 各板件3个方向最大变形结果 单位：mm

通过以上计算可以得出结论，在吊装过程中，梁段向塔侧变形较大，向塔侧外缘截面会产生小幅度的畸变，最大变形发生在风嘴的上下加劲肋处。其主要原因是向塔侧吊点距外边缘较远，导致此侧梁体受到提升作用较弱，产生了下挠。最大变形量为3.57 mm，小于施工要求的最大变形量6 mm，因此可认为不会影响正常的施工。

4 结论

本文对1座大型三塔斜拉桥施工过程中超宽分体式钢箱梁的吊装安全性能展开研究，通过仿真分析的方法，对吊点构造进行了优化设计，并验算了各板件的变形量。经过大量对比分析，确定了合理的优化方案，吊装过程中梁段的应力和变形都能满足规范要求，可认为优化后的方案具备较好的施工安全性。