新型变截面导梁设计研究

林文惜,南 迪

(保利长大工程有限公司 广州市 510620)

1 工程概况

顶推施工是桥梁施工中的常用方法,具有设备简单、施工平稳、安全可靠、对桥下通航影响较小等特点,而导梁则是顶推过程中增大顶推跨度、减小主梁悬臂长度的重要措施。因此,合理设计适合每个项目施工方案的导梁显得尤为重要[1]。在顶推过程中,导梁的长度、刚度和单位重量等参数对主梁的受力有着很大影响[2]。导梁作为施工临时结构,通过适当选取各参数,能够有效减小主梁的施工内力。因此,通过优化导梁设计来提高材料利用率,节约工程成本是必须考虑的问题[3]。

黄沙沥特大桥主桥上部构造采用钢桁梁+拱桥结构形式,跨度布置为(1×202)m,主梁为带竖杆的华伦式桁架,横向采用三片主桁结构,桁间距21.75m,边桁桁高14.6m,中桁桁高15.035m。拱肋采用箱型截面,拱肋宽1.5m,拱顶高度2m,拱脚高度为4m。吊杆为平行钢丝束。主桥的整体布置见图1。

图1 桥梁整体布置(单位:m)

2 导梁设计的必要性

黄沙沥特大桥跨越黄沙沥水道,该水道为III级通航水道。为确保安全施工,期间要求保留55m宽河道通航。主桥施工总体采用先梁后拱,在拼装平台逐步拼装。由于拼装平台长度有限,且全桥长度202m,因此初步采用分节段逐步拼装顶推的施工方案。

根据通航要求,设置间距为55m的临时支墩,顶推过程中主桁架最大悬臂长度达75m,随着悬臂长度增加,主桁支点处负弯矩也会逐渐增大,因此必须设计导梁,从而确保主桁在顶推过程中的强度、刚度和稳定性满足要求。

3 导梁设计参数选择

导梁的长度、刚度、重量等参数对于主梁的施工内力有很大影响。多项研究表明,导梁的重量对主梁最大弯矩的影响比长度和刚度的影响更为显著。导梁较重时,悬臂根部的负弯矩峰值较大,导梁重量越小,顶推主梁最大正弯矩峰值越大。因此,选取合适的导梁长度、截面形式等参数非常重要。

3.1 导梁长度选取

导梁长度是导梁结构最重要的参数之一,影响整个顶推过程中导梁及主梁的受力状态[4],同时也决定顶推过程中是否会发生主梁倾覆。根据《路桥施工计算手册》[5],导梁长度一般为顶推跨径的2/3左右。该项目顶推过程最大跨径为73.2m,导梁长度拟选取47m。

3.2 导梁结构尺寸选取

顶推施工要求千斤顶与滑块的支撑位置位于主梁节点处,因此导梁节段长度必须与主梁节间距保持一致。与主梁类似,导梁采用桁架结构,并采用变截面实现与主梁连接的同时满足施工要求[6]。

导梁布置为9.03m+3m×12.2m+1.37m,高度15.04m。与主梁对应的三片桁架结构,各片桁架之间采用标准方钢进行连接。导梁整体模型如图2所示。

图2 导梁整体模型示意图

3.3 导梁截面选取优化

导梁材料,是影响导梁自重的另一关键因素。目前桥梁结构用钢最多的是Q345q 和Q370q钢系列。采用高强度钢材能够节省导梁自重达20%,经过设计计算导梁各杆件的实际受力大小及材料强度,结合该工程特点,导梁使用Q345qd钢材,在节点板钢板强调材料的三向性能。

导梁主桁主要采用箱型截面及箱型变截面。在顶推过程中,桁架节点位置作为支撑点,其受力相对较复杂,而桁架结构非节点位置一般承受的主要荷载为轴拉力或轴压力,且顶推过程中导梁每个节段的受力大小存在明显差异,因此可以根据施工过程的受力分析来对每个节段的截面尺寸进行一定的优化,在满足施工要求的前提下最大程度提高材料利用率[7]。

导梁截面尺寸的初步选取参考类似项目,根据整体模型计算结果进行优化。将导梁截面应力控制在270MPa以内,保证截面强度、稳定性、变形满足设计要求。经过比选,确定导梁主桁采用的截面尺寸主要为650mm×650mm×16mm、600mm×600mm×16mm、550mm×550mm×16mm、500mm×500mm×16mm四种箱型截面及连接四种截面相应的变截面。以第三、第四节段下弦杆为例,顶推过程中导梁上墩时,由于主梁刚度较大且主梁悬臂长度较小,导梁第三、第四节段受力较小,因此采用500mm×500mm×16mm的小箱型截面即可满足施工要求。

反之,导梁第一、第二节段节点在顶推过程中作为支撑点时,其受力相对较大,是施工过程中导梁的不利工况,因此采用650mm×650mm×16mm的大箱型截面,且节点位置局部节点板进行加厚。工况15下,导梁第一节段节点作为顶推支撑点,此时由于跨中主梁节段最多,自重荷载最大,此工况为导梁最不利工况。

导梁主桁其余杆件均采用类似方法优化截面,导梁横联及剪刀撑在满足强度、刚度、稳定性的前提下分别采用400mm×400mm×8mm及250mm×250mm×10mm的方钢截面。

4 导梁整体模型验算

由于导梁顶推采用3+1+1+1组顶推设备(千斤顶、滑块),顶推过程采用千斤顶起顶→千斤顶顶推主梁前进→卸顶后主梁落于滑块→千斤顶拉回的循环顶推施工流程,全顶推过程共计20个顶推工况。

导梁整体模型如图3所示:

图3 导梁不利工况15整体模型示意图

根据顶推流程,将主梁和导梁按实际尺寸建模,分析顶推过程中主梁与导梁的受力情况,顶推过程下支点设边界条件,支点节点与相应的梁单元节点采用弹性连接。荷载考虑在自重、风荷载、不均匀沉降、温度荷载等基本组合作用下导梁的受力情况,并对杆件进行验算,以保证全流程中导梁结构的强度、刚度和稳定性满足规范要求。

风荷载根据该项目所处位置考虑8级风,参照《公路桥梁抗风设计规范》,作用于杆件上的等效静阵风荷载计算风荷载,见式(1):

(1)

式(1)中,Fg为构件长度上的风荷载,ρ为空气密度,Ug为构件基准高度上的等效静阵风风速,CD为构建阻力系数,An为构件单位长度上顺风向的投影面积。

文章列举最不利工况15下的强度、稳定性、刚度验算结果。

4.1 工况15强度验算结果

该工况下导梁第一节段与第二节段下弦杆交点处出现最大组合应力,大小为263MPa,最大剪应力为31.5MPa。最不利荷载组合为1.2倍自重荷载、1.4倍8级风荷载、1.4倍温度荷载、1.4倍支座沉降荷载组合作用。

4.2 工况15稳定性验算结果

根据《钢结构设计标准》中8.2.1规定,分别对不同截面在该工况下轴力最大及弯矩最大的构件进行稳定性验算,验算结果如表1所示。

表1 各截面稳定性验算结果表

根据《钢结构设计标准》中8.2.1规定,对压弯构件在轴力、弯矩作用组合下的稳定性系数进行计算,对每个截面相应的轴力最大杆件、弯矩最大杆件进行验算。例如650mm×16mm截面所对应的杆件中,轴力最大的杆件长细比为41,其在轴力、弯矩作用下的稳定性系数为0.69。从表1可知,导梁各截面稳定性均满足要求。

4.3 导梁最大悬臂工况刚度验算结果

对顶推过程中导梁最大悬臂工况进行刚度验算,标准荷载组合即1.0倍自重荷载、1.0倍8级风荷载、1.0倍温度荷载、1.0倍支座沉降荷载组合作用下导梁主桁片最大下挠变形为30.4mm,横向联系下挠变形为40.0mm。根据《钢结构设计规范》相关要求,47m导梁主桁片容许下挠变形为47000/250=188mm,25m导梁横向联系杆件容许下挠变形为25000/400=62.5mm,均满足要求。

5 导梁局部模型验算

5.1 节点有限元分析的必要性

节点为导梁受力的公共部分,具有连接各个杆件的作用。若节点失效,将直接导致导梁失去承载能力。

导梁整体模型采用梁单元进行计算,对节点区受力分析进行了一定的简化,无法真实反映节点的受力性能,因此无法确定导梁节点局部强度在顶推过程中是否满足要求。

实际顶推过程中,千斤顶与滑块作为导梁与主梁的支点,其具有一定长度,导梁下弦杆支点处节点在千斤顶顶起与卸顶的过程中存在受荷位置的改变,如图4所示。

图4 顶推过程千斤顶及滑块示意图

综上,导梁节点区的有限元分析是导梁设计中不可缺少的部分。

5.2 有限元局部分析方法

进行局部实体分析的方式主要有两种:(1)采用板单元或实体单元建立局部模型,将其插入整体梁单元模型中,与整体模型进行耦合进而分析。(2)通过整体模型得到位移变形或内力结果,将其输入至局部板单元或梁单元模型中进行分析。

在此采用方式(2)对导梁局部节点进行分析。

5.3 节点有限元分析结果

根据上文分析,顶推工况15下导梁第一、第二节段下弦杆交点处出现最大组合应力,对此节点进行有限元分析。采用Midas FEA NX建立局部节点实体模型,并采用四面体单元划分网格,杆件截面截断处设定固定约束,荷载采用均布面荷载的方式施加于实际节点支撑截面处,面荷载实际大小为整体模型在基本组合1.2倍自重荷载、1.4倍8级风荷载、1.4倍温度荷载、1.4倍支座沉降荷载组合作用下的J2节点支反力大小。J2节点Mises应力云图结果如图5所示。

图5 J2节点Mises应力云图

经验算,在最不利组合下,导梁各节点最大组合应力为270MPa,满足设计强度要求。

6 结论及展望

新型变截面导梁设计参数的选取很大程度上取决于主梁的结构形式及施工方案。在满足施工需求的前提下,对导梁结构参数进行优化是导梁设计的重要工作之一。为保证结构安全,文章对导梁进行了整体模型建立及局部模型建立,对各个杆件的强度、刚度、稳定性及各个节点的局部强度进行了验算。

随着顶推施工技术的日趋成熟,采用导梁的全悬臂顶推施工技术在钢桁梁桥施工方法中具有较大优势,而导梁作为施工过程中的重要结构之一,其合理设计显得十分重要。文章以一座202m跨径的钢拱桥顶推导梁施工设计为案例,详细阐述分析了新型变截面导梁设计参数的选取、导梁截面的优化及导梁的整体模型、局部模型验算,在满足施工要求的前提下,最大限度减少导梁自重,节约成本,具有显著经济效益,为同类工程施工提供经验参考。