懸臂拼裝橋主梁制造線形計(jì)算

張安林，鄭報(bào)文，夏偉

(安徽省交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥230011)

摘要：斜拉橋懸臂拼裝施工速度快、質(zhì)量高、適應(yīng)性強(qiáng),這種施工方法在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用, 從而懸拼結(jié)構(gòu)的施工線形控制問題開始凸現(xiàn)出來(lái).為了使鋼梁在安裝過程中高質(zhì)量對(duì)接并最終達(dá)到成橋線形,需將鋼梁按制造線形在胎架上預(yù)拼. 以某鋼箱梁斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?用有限元分析軟件midas建立該橋模型,通過零初始位移法和切線初始位移法分別計(jì)算主梁制造線形. 對(duì)安裝新梁段與相鄰舊梁段夾角從幾何關(guān)系進(jìn)行了推導(dǎo)證明,并據(jù)此給出了計(jì)算無(wú)應(yīng)力制造線形的實(shí)用公式.

關(guān)鍵詞：懸臂拼裝；鋼箱梁；施工控制；制造線形

收稿日期：2014-06-23

作者簡(jiǎn)介：張安林(1987-),男,碩士研究生, 主要研究方向?yàn)榇罂缍葮蛄菏┕けO(jiān)控.

中圖分類號(hào)：U448.28

Computation of Fabrication Profile of girders

in Cantilever Erection Practice of Bridges

ZHANG An-lin,ZHENG Bao-wen,XIA Wei

( Anhui Provincial Communications survey & Institute Co ,Ltd ,Hefei ,Anhui 230011)

Abstract:Cable-stayed Bridge with cantilever assembling, which have many advantages including fast construction, high quality and adaptability, has been widely used in the world. Profile control began to stand out in cantilever structure during construction. In order to make the steel beam docking in high quality during the installation process, and eventually reach the design profile, the steel girder need to pre-fight on the tire rack. A Cable-Stayed Bridge of steel box beam, which model was established used finite element analysis software Midas, was taken as engineering background, to elaborate how to calculate fabrication profile of main beam using Zero Initial Displacement Method and Tangent Initial Displacement Method. Angle relationship was derived through the geometric relationships between a new beam which will be installed and the adjacent old beam which has just been fixed, and Practical formula of Stress-free fabrication profile was given accord to the result.

Key words:cantilever erection; steel box girder; construction control; fabrication profile

1引言

當(dāng)前國(guó)內(nèi)眾多橋梁采用懸臂施工方法,混凝土橋梁懸臂施工只需要提供正確的預(yù)拱度即立模標(biāo)高即可,但是鋼橋與混凝土橋懸臂施工最大的不同是鋼梁段前端標(biāo)高的調(diào)整受到頂?shù)装搴缚p寬度的限制,而混凝土橋梁則基本不受轉(zhuǎn)角的限制,前端標(biāo)高調(diào)整相對(duì)容易.這就要求在工廠制造鋼梁的時(shí)候按事先計(jì)算好的制造線形中的角度進(jìn)行預(yù)拼,保證各梁段最合適的頂?shù)装彘L(zhǎng)度, 從而保證鋼梁之間有合適的縫寬。而制造線形的主要工作就是計(jì)算在無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下的各梁段之前的夾角,本文對(duì)于其計(jì)算方法進(jìn)行了推導(dǎo)證明。并詳細(xì)介紹了由施工階段結(jié)果恢復(fù)無(wú)應(yīng)力制造線形的整個(gè)過程。

2工程背景

廣州市南沙開發(fā)區(qū)第一標(biāo)段鳳凰一橋[1]是鳳凰大道跨越蕉門水道,主橋全長(zhǎng)272m, 左右完全對(duì)稱,為2×136m獨(dú)塔單索面混合梁斜拉橋,橋面全寬42.9m。主梁采用鋼箱梁與混凝土箱梁相結(jié)合的混合梁,主塔中心線順橋向兩側(cè)共28m范圍采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁(0#塊),其余部分為扁平閉口鋼箱梁,每邊12個(gè)梁段，一個(gè)D梁段，一個(gè)B2梁段，8個(gè)C梁段，一個(gè)B1梁段,一個(gè)A梁段。C為拉索梁段,B1為合攏段,A為邊跨梁段，鋼箱梁段與混凝土梁段采用鋼-混結(jié)合段連接。主橋的鋼箱梁全長(zhǎng)244m,橋梁中線處梁高3.5m。鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)12m,最大吊裝重量2185KN。

斜拉索在主梁上索距為12m,塔上索距為2m,斜拉索在塔上采用冷鑄錨,在主梁上采用銷接耳板式錨,全橋共設(shè)16根斜拉索,斜拉橋14#、16#過渡墩墩頂設(shè)置豎向支承縱向活動(dòng)球形鋼支座及橫向限位支座,15#主墩為塔墩梁固結(jié)。橋型圖及鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖如下圖1～2：

該橋采用有限元軟件Midas進(jìn)行建模，施工過程模擬計(jì)算主要采用空間桿系模型，人字形主塔和主梁采用空間梁?jiǎn)卧M，斜拉索采用只受拉空間桿單元模擬。0#塊采用設(shè)計(jì)數(shù)值截面,而鋼箱梁采用數(shù)值截面中的任意截面,均為在aotucad中將截面形狀畫出，然后導(dǎo)入midas，全橋模型共有189個(gè)單元，211個(gè)節(jié)點(diǎn)，活載為城A一級(jí),鋼梁自重,邊跨壓重,二期恒載均采用均布荷載模型,橋面吊機(jī)，吊裝荷載采用集中力模擬，計(jì)算模型見下圖3。

3制造線形計(jì)算

制造線形，工程中亦稱預(yù)拼線形,是主梁在制造過程中零應(yīng)力狀態(tài)下的線形;懸臂拼裝時(shí)，待安裝梁段處于近似無(wú)應(yīng)力狀態(tài)[2],而已安裝梁段處于自重、橋面吊機(jī)等荷載作用下,如果在懸臂安裝階段將相鄰的已安裝的梁段應(yīng)力釋放,則可恢復(fù)各個(gè)梁段之間的無(wú)應(yīng)力關(guān)系,安裝這種理念,可直接按施工階段計(jì)算結(jié)果推算出無(wú)應(yīng)力制造線形。下文中將具體介紹。

3.1零初始位移法

零初始位移法簡(jiǎn)稱零位移法[3],就是將新安裝單元除共用節(jié)點(diǎn)外的其他節(jié)點(diǎn)初始位移指定為零。而Midas的處理正是從單元生成的位置作為0位移位置，故按零位移法計(jì)算時(shí),只需在該梁段焊接完成后(吊機(jī)未脫鉤)將其結(jié)構(gòu)組激活便可。由此我們也可以看出, 零位移法一般常用于線性分析[4],因?yàn)榫€形分析時(shí)任意施工階段的單位坐標(biāo)系均基于結(jié)構(gòu)的初始建模位置,不會(huì)隨著單位變形而改變。下面先從幾何關(guān)系說(shuō)明安裝新梁段與相鄰舊梁段夾角的計(jì)算方法。

如上圖4,A,B代表①梁段安裝位置,A2',B2'代表安裝2梁段時(shí)1梁段的位置,C代表安裝梁段②自由端的位置。故HB,HC分別為安裝梁段①,②時(shí)的預(yù)拱度,即為安裝高度,現(xiàn)欲求得舊梁段A2' B2'與新安裝梁段B2'C的拼裝時(shí)的角度 。在A2'點(diǎn)作平行于AB的輔助線至P點(diǎn),B2'Q為曲梁段①前端的切線交PA2'與點(diǎn)Q,形成的夾角為∠4,即為梁段①端面轉(zhuǎn)角。容易看出α=∠2-∠1=∠2-∠8+∠3=∠2-∠5+∠6+∠3=∠2-∠5+∠4=∠2-∠7+∠4。其中∠2稱為前端轉(zhuǎn)角,∠7稱為后端轉(zhuǎn)角,∠4稱為端面轉(zhuǎn)角。∠2=(HC-HB'2)/L2。L2為梁段②長(zhǎng)度。可看出該階段的前端轉(zhuǎn)角即為安裝下一新梁段的后端轉(zhuǎn)角。即∠2為安裝梁段③時(shí)的后端轉(zhuǎn)角。鳳凰一橋梁段安裝夾角α及制造線形計(jì)算過程如下表1。

表1　安裝新梁段與相鄰舊梁段夾角α及制造線形計(jì)算

(注：α=前端轉(zhuǎn)角-后端轉(zhuǎn)角+端面轉(zhuǎn)角,端面轉(zhuǎn)角即圖4中∠4,可直接從midas模型計(jì)算結(jié)果中提取。前端高度Hi+1=Hi+(Hi-Hi-1)Li+1/Li+αLi+1,Hi+1為預(yù)拼第i+1塊梁前端高度,按照各梁段前端高度點(diǎn)連線而成的折線即為無(wú)應(yīng)力制造線形。表中角度單位°,弧度單位為1,長(zhǎng)度單位mm)

3.2切線初始位移法

切線初始位移法簡(jiǎn)稱切線法, 是將新節(jié)點(diǎn)初始位移指定到沿著已安裝梁段懸臂端切線上的。根據(jù)Midas計(jì)算位移的原理,用切線法計(jì)算制造線形時(shí),應(yīng)將各個(gè)懸臂拼裝的梁段單元從第一塊梁段安裝開始就全部激活,但是不施加自重等任何荷載，懸臂端部自由，邊跨支架施工梁段及支座暫不生成，,隨后再在某梁段實(shí)際安裝時(shí)再將該梁段所涉及的荷載如自重，拉索力等施加上去。這樣未安裝的梁段則隨著已施工梁段自由擺動(dòng)(產(chǎn)生的都是剛體位移)。在切線法模型中,必須將梁?jiǎn)卧牧先葜卦O(shè)置為0,梁段自重由等效的外荷載代替,否則在梁?jiǎn)卧せ畹耐瑫r(shí)就已經(jīng)承受了自重荷載,就無(wú)法達(dá)到我們的初衷-所有懸臂梁段一開始生成就是無(wú)應(yīng)力的。這樣計(jì)算出來(lái)的制造線形必然是錯(cuò)誤的,必須嚴(yán)格按照既定的施工過程加載才能得出正確的制造線形，因?yàn)樾崩瓨蚴嵌啻纬o定結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移與荷載加載過程是一一對(duì)應(yīng)的[5]。

切線法模型最后一個(gè)施工階段各梁端前端節(jié)點(diǎn)的位移加上0.5*活載位移后連線即為制造線形。計(jì)算方法十分簡(jiǎn)潔直觀。

表2　切線法計(jì)算結(jié)果

由上表可見,切線位移法與零位移法是一致的，計(jì)算出的制造線形應(yīng)相同.兩者有微小的差別可能是因?yàn)檐浖?jì)算誤差或者模型稍有的不同造成。

4應(yīng)注意的問題

安裝線形與制造線形是不同的, 安裝線形又稱為是指主梁在拼裝過程中各新安裝梁段自由端連接成的線形,即各梁段前端節(jié)點(diǎn)安裝坐標(biāo)的連線。安裝線形不可作為制造線形,制造線形是無(wú)應(yīng)力的線形,而架設(shè)過程中已成梁段已經(jīng)受力發(fā)生變形,新梁段則幾乎處于無(wú)應(yīng)力狀態(tài)；新梁段如果要按安裝線形計(jì)算的角度去拼接，則前端會(huì)無(wú)法達(dá)到安裝標(biāo)高，最終偏離設(shè)計(jì)線形。因此安裝線形作為制造線形在理論上也是不可行的[6]。

零位移法只能用于線性問題,用于非線性分析時(shí)存在畸變問題[7]。用切線初始位移法求解制造線形的時(shí)候必須注意與主梁相交的支座的處理,如輔助墩，有學(xué)者認(rèn)為可以用等效反力代替[8],筆者認(rèn)為如此處理有些繁瑣，因?yàn)槊總€(gè)施工階段輔助墩反力是變化的，要按其反力增量一次次的施加。其實(shí)如果在主梁實(shí)際與輔助墩相連的時(shí)候再將支座激活，其作用與等效反力是一樣的，只是要特別注意如果不是拉力支座，支座出現(xiàn)負(fù)反力時(shí)應(yīng)將其鈍化。切線法可十分快速簡(jiǎn)便的得到計(jì)算制造線形,但卻無(wú)法得到安裝新梁段時(shí)的自由端安裝坐標(biāo)，即無(wú)法得到安裝線形。而零位移法在計(jì)算過程中已包含安裝線形。

一般橋梁均設(shè)置了縱坡,上文敘述兩種方法計(jì)算時(shí)未予考慮,縱坡對(duì)制造線形影響不可忽略,甚至?xí)蛊浞聪?。?jì)入縱坡影響后的鳳凰一橋制造線形如圖6。

圖6鳳凰一橋主梁制造線形(高程單位為m,角度單位為°)

5結(jié)束語(yǔ)

確定主梁無(wú)應(yīng)力制造線形的主要目的在于確定各相鄰梁段軸線間的夾角并在制造階段預(yù)拼時(shí)按此夾角切割梁斷面。制造線形計(jì)算的準(zhǔn)確性是保證施工焊接質(zhì)量、成橋線形滿足設(shè)計(jì)線形誤差要求的重要保證。若制造線形的計(jì)算存在較大誤差,在現(xiàn)場(chǎng)梁段匹配時(shí)為保證前端的安裝標(biāo)高,可適當(dāng)調(diào)整頂?shù)装搴缚p寬度。

本文以實(shí)際工程為例,分別詳細(xì)具體的介紹了懸臂拼裝斜拉橋主梁制造線形的兩種計(jì)算方法,從幾何關(guān)系證明了安裝新梁段與相鄰舊梁段夾角關(guān)系,推導(dǎo)出了計(jì)算無(wú)應(yīng)力制造線形的實(shí)用公式,并提出了計(jì)算中應(yīng)注意的問題,相關(guān)結(jié)果可為懸臂拼裝鋼箱梁橋的設(shè)計(jì)和施工控制實(shí)踐提供有益的參考。

參考文獻(xiàn)

1廣東省公路勘察設(shè)計(jì)院．廣州市南沙區(qū)鳳凰一橋工程施工圖設(shè)計(jì)--主橋施工圖(主橋上部)第二冊(cè)第一分冊(cè)(一)2008．

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6李喬.斜拉橋懸臂施工時(shí)安裝標(biāo)高的計(jì)算方法[C].成都:四川省公路學(xué)會(huì)橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集,2001:56-58.

7李喬,卜一之,張清華.大跨度斜拉橋施工全過程幾何控制概論與應(yīng)用[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2009.

8梁鑫. 懸臂拼裝斜拉橋主梁線形的計(jì)算[J].廣西工學(xué)院學(xué)報(bào),2009(4):87-90.