摘要：文章以某主跨為528 m的鋼管混凝土拱橋鋼格子梁吊裝施工為工程背景，針對(duì)其橋面寬度窄于拱肋寬度，采用纜索吊運(yùn)施工吊具超長(zhǎng)、自重量大、穩(wěn)定性差的工程特點(diǎn)，根據(jù)格子梁的結(jié)構(gòu)布置和吊具的彎矩分布情況對(duì)吊具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研發(fā)了新型吊具；為確保吊具的安全性，采用Midas Civil軟件對(duì)施工過(guò)程中所涉及的格子梁平吊、繞橫軸旋轉(zhuǎn)10°，繞縱軸旋轉(zhuǎn)10°三種荷載工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，再采用Midas Fea軟件進(jìn)行吊具最不利工況下的實(shí)體單元精細(xì)化建模計(jì)算分析，從多角度論證了該結(jié)構(gòu)安全可靠，相關(guān)成果可為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土拱橋；格子梁；吊具；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U448.22" " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.024

文章編號(hào)：1673-4874（2024）11-0076-04

0引言

根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)，我國(guó)現(xiàn)有鋼管混凝土拱橋總數(shù)已達(dá)到450余座，拱圈和格子梁安裝多采用纜索吊運(yùn)施工技術(shù)［1］。格子梁作為橋面承重結(jié)構(gòu)，其施工質(zhì)量關(guān)乎整個(gè)工程的成敗。對(duì)于中承式鋼管混凝土拱橋格子梁吊運(yùn)而言，其拱上部位格子梁多采用在格子梁上焊接或螺栓連接吊耳的形式進(jìn)行吊運(yùn)，其設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單，多采用規(guī)范對(duì)設(shè)計(jì)吊耳的結(jié)構(gòu)尺寸的抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等計(jì)算分析，確保設(shè)計(jì)安全可靠。對(duì)于拱下部位的鋼格子吊運(yùn)，受拱肋間的橫聯(lián)影響，無(wú)法像拱上鋼格子梁一樣采用吊耳進(jìn)行吊運(yùn)安裝，多采用在鋼格子梁上安裝吊具，通過(guò)橫橋向格子梁兩端的吊具實(shí)現(xiàn)鋼格子梁的吊運(yùn)。在以往的鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，橋面格子梁多寬于拱肋結(jié)構(gòu)，吊具懸挑出格子梁長(zhǎng)度短，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，施工安全容易保證。某主跨508 m中承式鋼管混凝土拱橋，其跨徑位居同類橋型世界第三。其格子梁的設(shè)計(jì)不同以往，格子梁橋面窄于拱肋，需懸挑＞5 m，導(dǎo)致吊具尺寸大、結(jié)構(gòu)厚重，造成施工難度大、經(jīng)濟(jì)性差等一系列問(wèn)題?，F(xiàn)有文獻(xiàn)有關(guān)鋼格子梁纜索吊運(yùn)施工的研究較少，涉及格子梁吊具設(shè)計(jì)分析更加鮮見(jiàn)。張柳霜［2］以某主跨360 m鋼管混凝土拱橋?yàn)橐劳?，主要介紹了橋面鋼格子梁的施工順序、地面運(yùn)輸轉(zhuǎn)換軌道設(shè)計(jì)以及吊桿無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度的高效計(jì)算方法，僅簡(jiǎn)略提及拱下格子梁的吊運(yùn)需在格子梁節(jié)段的主橫梁和次橫梁端安裝吊具。李莘哲等［3］以某主跨508 m斜拉橋纜索吊運(yùn)施工為依托，詳細(xì)介紹了采用架橋機(jī)安裝疊合梁橋面板的施工過(guò)程，其采用的旋轉(zhuǎn)吊具無(wú)法適應(yīng)本項(xiàng)目鋼格子梁施工。黃金文等［4］以當(dāng)時(shí)世界最大跨徑鋼管混凝土拱橋——合江長(zhǎng)江一橋?yàn)楣こ桃劳校敿?xì)介紹了纜索吊運(yùn)系統(tǒng)、主拱圈和鋼格子梁安裝關(guān)鍵施工技術(shù)，其中，拱下格子梁的安裝采用的吊具是通過(guò)螺栓外接主橫梁和次橫梁的施工方式，該結(jié)構(gòu)形式吊具為后續(xù)鋼管混凝土拱橋鋼格子梁吊具的設(shè)計(jì)提供了參考。然而某主跨為528 m的鋼管混凝土拱橋鋼格子梁端部與合江長(zhǎng)江一橋差別大，同樣無(wú)法適應(yīng)。此外，現(xiàn)有的鋼格子梁研究多是從施工工藝角度介紹，很少有針對(duì)鋼格子梁吊具設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮的計(jì)算因素和對(duì)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行全方位的詳細(xì)介紹。然而，吊具作為承擔(dān)鋼格子梁吊運(yùn)的主要承重結(jié)構(gòu)，其安全性和施工便捷性關(guān)乎整個(gè)工程的成敗。因此，很有必要以某主跨508 m鋼管混凝土拱橋鋼格子梁纜索吊運(yùn)施工為工程背景，對(duì)其鋼格子梁吊具進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，為大橋的高效、經(jīng)濟(jì)、安全施工提供理論依據(jù)和實(shí)踐基礎(chǔ)。

基于此，以在建主跨為508 m的中承式鋼管混凝土拱橋?yàn)楣こ桃劳?，設(shè)計(jì)并采用新型鋼格子梁吊具，對(duì)施工過(guò)程中涉及的格子梁平吊、繞格子梁縱軸旋轉(zhuǎn)、繞格子梁橫軸旋轉(zhuǎn)等多種荷載工況進(jìn)行計(jì)算分析，并采用實(shí)體單元建模對(duì)吊具施工中涉及的荷載工況進(jìn)行精細(xì)化分析，完整介紹吊具設(shè)計(jì)的整個(gè)計(jì)算流程，相關(guān)成果可為類似工程提供參考。

1依托工程

1.1項(xiàng)目簡(jiǎn)介

某大橋?yàn)橹谐惺戒摴芑炷凉皹?，主跨?28 m，計(jì)算跨徑為508 m，拱軸線采用高次拋物線。單片拱肋采用四肢桁架式格構(gòu)式結(jié)構(gòu)，兩片拱肋通過(guò)中間橫聯(lián)形成整體結(jié)構(gòu)。主拱弦管均為[WTBX]1 300 mm鋼管混凝土管，管內(nèi)采用C60自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土灌注。大橋采用懸臂拼裝（纜索吊運(yùn)斜拉扣掛）施工工藝，根據(jù)各節(jié)段長(zhǎng)度和重量情況，將每片拱肋分別劃分成18個(gè)節(jié)段安裝，每節(jié)段拱肋最大吊裝重量為212.8 t，最大節(jié)段長(zhǎng)度為39.16 m。單片拱肋在安裝完第6個(gè)節(jié)段后封拱腳。

1.2格子梁簡(jiǎn)介

橋面系采用鋼格子梁+鋼-混凝土組合橋面板形式，橋面鋼格子梁由主縱梁、次縱梁與橫梁組成，其中主縱梁2道，布設(shè)于邊防撞護(hù)欄下方，次縱梁3道，均勻布置與主縱梁之間。主縱梁、次縱梁全橋均通長(zhǎng)連續(xù)布置，詳見(jiàn)圖1。除主縱梁、挑梁、端橫梁采用箱形截面外，其余均采用工字形截面。鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的橋面底面鋼板為8 mm，橋面板標(biāo)準(zhǔn)總厚度（不含鋼底板）為15 cm，承托處的總厚度為25 cm。鋼-混凝土組合橋面板的水泥混凝土采用C40鋼纖維混凝土。格子梁劃分為35個(gè)節(jié)段，其中有6個(gè)拱上段，4個(gè)拱肋相交段，2個(gè)拱下第一段，22個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段與1個(gè)合龍段，最大吊重為拱下第一段139.1 t。由于格子梁呈對(duì)稱布置，這里以半跨為例，展示其格子梁節(jié)段劃分情況，詳見(jiàn)圖2。

拱下節(jié)段鋼格子梁施工順序?yàn)椋核掀鸬酢v向運(yùn)輸→格子梁就位→穿入吊桿→連接高強(qiáng)螺栓。由于施工過(guò)程中格子梁會(huì)產(chǎn)生繞縱軸和橫軸旋轉(zhuǎn)，結(jié)合大量的工程實(shí)際，充分考慮各風(fēng)險(xiǎn)因素，包括起吊過(guò)程中的船只晃動(dòng)以及吊運(yùn)過(guò)程中的風(fēng)荷載等作用，取10°進(jìn)行計(jì)算分析。

2新型吊具設(shè)計(jì)

因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)節(jié)包含長(zhǎng)吊具和短吊具兩種不同形式，這里以標(biāo)準(zhǔn)節(jié)為例，詳細(xì)介紹吊具的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過(guò)程中需考慮以下因素（詳見(jiàn)圖3和圖4）：

（1）吊具無(wú)法從端橫梁處接長(zhǎng)，需通過(guò)在格子梁上方安裝吊耳，再將吊具與吊耳通過(guò)插銷連接，實(shí)現(xiàn)格子梁吊運(yùn)。

（2）短吊具位置處有吊桿連接格子梁的吊耳，短吊具安裝位置需避免與主橫梁吊桿空間上發(fā)生沖突。

（3）吊具需根據(jù)其彎矩圖的分布情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡可能減少結(jié)構(gòu)自重、降低成本，同時(shí)應(yīng)方便制作加工，兼顧吊運(yùn)施工過(guò)程中安拆快捷。

基于以上原理，長(zhǎng)吊具和短吊具以及與格子梁連接吊耳設(shè)計(jì)。其中，長(zhǎng)短吊具均采用Q345鋼材的箱形截面，其中長(zhǎng)吊具箱形截面為上、下翼板厚30 mm，寬36 cm；腹板厚12 mm，腹板高度為64～104 cm；加勁板板厚12 mm，長(zhǎng)吊具重2.91 t；短吊具上、下翼板厚30 mm，寬36 cm；腹板厚12 mm，腹板高度為64 cm；加勁板板厚12 mm，短吊具重2.15 t。將吊具底部?jī)蓚€(gè)吊耳與焊接于鋼格子梁上，通過(guò)銷軸連接便可進(jìn)行格子梁吊運(yùn)工作，具有安拆快捷、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)。

3格子梁吊運(yùn)過(guò)程中的安全性分析

3.1有限元建模

利用Midas Civil軟件建立格子梁及吊具分析模型，格子梁和吊具均采用梁?jiǎn)卧M，吊具與格子梁采用剛性單元連接。主要單元的類型、材料名稱和截面形狀尺寸如下頁(yè)表1所示。

3.2荷載計(jì)算及邊界條件

結(jié)構(gòu)僅考慮自重作用，容重取值采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，取標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，模型重量為121.1 t，與實(shí)際重量120.6 t一致；當(dāng)?shù)踹\(yùn)拱下第一節(jié)節(jié)段時(shí)，吊運(yùn)139.1 t格子梁計(jì)算模型也為139.2 t。長(zhǎng)吊具長(zhǎng)為8.22 m，短吊具長(zhǎng)為6.22 m，各吊點(diǎn)采用鉸接約束，建成后的計(jì)算模型如圖5所示。

3.3荷載工況

為有效考慮格子梁吊裝施工過(guò)程中施工的安全性，對(duì)格子梁平移和起吊過(guò)程中進(jìn)行計(jì)算分析：（1）格子梁四點(diǎn)平吊；（2）考慮施工過(guò)程中吊裝偏差，分別采用沿著縱梁和橫梁旋轉(zhuǎn)10°進(jìn)行起吊。見(jiàn)圖6。

3.4計(jì)算結(jié)果

3.4.1強(qiáng)度分析

這里以拱下第一節(jié)（吊重最大）和標(biāo)準(zhǔn)節(jié)為計(jì)算分析對(duì)象，分別對(duì)3種不同荷載工況下塔架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)和拱下第一節(jié)段在3種不同荷載工況下，最大組合應(yīng)力和最大剪應(yīng)力分別為202.0 MPa和49.0 MPa，小于規(guī)范限值210.0 MPa和145 MPa，施工安全性良好。

3.4.2位移計(jì)算

格子梁吊運(yùn)施工過(guò)程中最大變形結(jié)果如表3所示。

由表3可知，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)和拱下第一節(jié)段在3種不同荷載工況下，最大變形分別為71.51 mm和36.04 mm，小于規(guī)范要求的限值，具有良好的剛度。拱下第一節(jié)變形約為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)變形的50%，這主要是由拱下第一節(jié)四個(gè)吊具均為短吊具，懸挑出格子梁的長(zhǎng)度短導(dǎo)致的。

3.4.3反力計(jì)算

進(jìn)一步地，計(jì)算各吊點(diǎn)位置處的支座反力，以便進(jìn)一步開(kāi)展吊具的實(shí)體單元建模分析。根據(jù)以上建模，各支座處反力統(tǒng)計(jì)如表4所示。

由表4可以知道，整個(gè)格子梁吊運(yùn)過(guò)程中，各吊點(diǎn)支座反力最大值為37.6 t。

4吊具安全性分析

4.1有限元建模

上一節(jié)采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行格子梁吊運(yùn)施工過(guò)程分析，未能精確考慮吊具加勁板、吊點(diǎn)處吊耳的作用。根據(jù)各支座反力的計(jì)算結(jié)果，長(zhǎng)吊具和短吊具均取40 t采用Midas FEA軟件實(shí)體計(jì)算建模精細(xì)化分析，以確保吊具具有足夠的安全性。建模過(guò)程中，通過(guò)在兩片吊耳之間建立剛性連接單元，并施加40 t集中荷載，然后以節(jié)點(diǎn)耦合的方式將吊具吊點(diǎn)處各節(jié)點(diǎn)耦合起來(lái)，將集中荷載均勻施加在吊點(diǎn)附近，以避免應(yīng)力集中。離散單元過(guò)程中以最小板厚的為離散單元尺寸進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模分析，見(jiàn)圖7和圖8。

4.2邊界條件和荷載工況

采用Midas FEA軟件實(shí)體計(jì)算建模精細(xì)化分析，吊具與格子梁連接處采用鉸接連接以模擬實(shí)際施工的情況，荷載僅考慮吊具自重和吊點(diǎn)處的集中荷載。

4.3計(jì)算結(jié)果

由表5可知，采用實(shí)體單元精細(xì)化建模過(guò)程中結(jié)構(gòu)變形最大值小于規(guī)范要求的限值，表征吊具的剛度是合理的。在結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中，僅＜0.1%的區(qū)域超過(guò)鋼材允許應(yīng)力，主要分布在吊耳耳板以及加勁板與吊具連接的垂直連接附近，直角區(qū)域應(yīng)力集中是因?yàn)楹附拥幕⌒涡∶嬗驘o(wú)法準(zhǔn)確模擬導(dǎo)致該區(qū)域計(jì)算與實(shí)際不符，故實(shí)體單元分析一般要求99.5%的區(qū)域應(yīng)力滿足規(guī)范要求，則表征該結(jié)構(gòu)是安全合理的。因此，由表5可知，99.8%以上的應(yīng)力是滿足規(guī)范規(guī)定屈服應(yīng)力強(qiáng)度的，結(jié)構(gòu)具有良好的安全性。

5結(jié)語(yǔ)

（1）本文以主跨為508 m的中承式鋼管混凝土拱橋拱下格子梁施工為工程依托，研發(fā)了新型格子梁吊具及連接部件。該吊具具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作加工方便、安拆快捷、自重輕、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠快速與格子梁吊耳進(jìn)行有效連接，能夠適用于大跨徑拱橋窄橋面系格子梁吊運(yùn)施工。

（2）本文詳細(xì)介紹了拱下鋼格子梁吊具的計(jì)算分析要點(diǎn)，分析論證了格子梁吊運(yùn)施工的安全性。采用Midas Civil軟件和Midas FEA軟件對(duì)格子梁施工安全性進(jìn)行受力分析，計(jì)算結(jié)果表明在格子梁纜索吊運(yùn)施工過(guò)程中，吊具及鋼格子梁的強(qiáng)度、剛度等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求，且具有一定的安全富余。相關(guān)成果可為實(shí)際工程的安全施工保駕護(hù)航。

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［1］Wang Q，Nakamura S，Chen K，et al.Fatigue analysis of K-Joint in a half-through concrete-filled steel tubular truss arch bridges in china［C］.8thInternational conference on arch bridges，2016.

［2］張柳霜.大跨度鋼管混凝土拱橋格子梁安裝關(guān)鍵施工技術(shù)［J］.西部交通科技，2023（7）：161-163.

［3］李莘哲，陳林.大塊預(yù)制橋面板安裝關(guān)鍵技術(shù)［J］.西部交通科技，2019（1）：97-99.

［4］黃金文，林峰，覃曉鳳，等.四川合江長(zhǎng)江一橋整體鋼橋面格子梁安裝施工技術(shù)［J］.公路，2013（5）：28-34.

基金項(xiàng)目：廣西科技計(jì)劃項(xiàng)目“基于大跨徑拱橋施工的智慧工地建設(shè)技術(shù)研究與應(yīng)用”（編號(hào)：桂科AB20297028）

作者簡(jiǎn)介：林廷章（1990—），工程師，主要從事公路施工安全及技術(shù)管理工作。

收稿日期：2024-05-16