混凝土宽箱梁桥上运梁过程仿真分析

马 耕

(福州市规划设计研究院，福州 350001)

某高速公路桥梁主桥为独塔双索面钢箱梁斜拉桥，大桥采用双向八车道，桥梁宽度40.5 m(不含布索区)。钢箱梁架设采用顶推法施工。经方案比选，最终采用以混凝土宽箱梁引桥作为主桥钢箱梁组拼施工场地，进行钢箱梁的拼装、移梁和顶推作业。

该桥引桥采用了6×45 m跨径的斜腹板式单箱单室预应力混凝土等截面连续箱梁结构，上下幅分离。桥梁单幅全宽19.55 m，箱梁高3.0 m，底板宽9.75 m，箱梁典型断面如图1所示。本桥宽高比达到6.5∶1，宽跨比也接近0.5，属于典型的低高度宽箱梁，在国内类似工程实践并不多见。目前，针对宽箱梁桥的空间受力特性的研究还不多，对其空间应力状态的认识也不成熟，而通过此类箱梁进行大吨位钢箱梁的组拼、运梁的实践在国内尚属首次。因此，有必要对主桥钢箱梁在组拼、运梁过程中引桥宽箱梁的结构空间受力进行仿真分析，确保施工中结构的安全性。

图1 跨中典型横断面(单位:cm)

1 组拼及运梁方案介绍

图2 钢箱梁拼装胎架及梁上运梁示意

钢箱梁主要构件在制梁厂加工制作完成，吊装至引桥箱梁上。在预先安装好的胎架上进行钢箱梁的组拼，胎架按15 m标准段设计，原则上每个横隔板及梁端外伸＞2 m处下设胎架横梁。对于非标准间距的横隔板，可对胎架横梁作临时调整。胎架与混凝土桥面的连接可根据荷载及施工方便的具体情况而定，如采取预埋钢板焊接或在桥面作临时圈梁栓接。待钢箱梁组拼完成后，用专用运梁平车通过预设的钢轨将钢箱梁运送至指定位置，进行钢箱梁的顶推工序。钢箱梁拼装胎架及梁上运梁示意如图2所示。

2 计算荷载及工况说明

2.1 计算荷载

在钢箱梁组拼、运梁过程中，引桥宽箱梁主要承受两部分荷载:第一部分为箱梁自身的恒载，包括箱梁自重、桥面铺装栏杆等二期恒载以及预应力效应，相应参数可按照规范及施工图取值;另一部分为施工临时荷载，包括钢箱梁梁段自重q1、胎架自重q2、胎架与桥面板之间预埋钢板q3以及平车拖运时车轮的作用力R1、R2。经计算得到各单项产生的纵向荷载累计效应为q=q1+q2+q3=154.4 kN/m(横向以全宽40 m计);R1=2×76.63 t=1 532.6 kN，R2=2×103.02 t=2 060.4 kN。

2.2 计算工况

根据上述荷载形式以及结构特点，钢箱梁组拼、运梁过程中需要进行的计算工况包括三种，计算工况图式详见图3。

图3 施工荷载验算工况图式

3 有限元模型说明

本文采用大型空间程序ANSYS对引桥宽箱梁建立全桥空间实体模型，箱梁顶、底、腹板、横隔板均以实体单元SOLID45模拟，纵、横向预应力钢束以杆单元LINK8模拟。由于单元划分较细，程序计算结果将自动计入宽箱梁的剪切、扭转、畸变及翘曲变形等影响。中支点处结构断面透视图如图4。

图4 结构断面透视图(中支点处)

4 有限元仿真计算分析

本文对引桥宽箱梁在主桥钢箱梁组拼、运梁过程中的三种计算工况分别进行分析，包括宽箱梁的变形、纵桥向、横桥向正应力以及主拉应力。为了便于比较，将成桥状态的结构响应设为工况4。计算中应力结果负值为受压，正值为受拉，单位为 MPa，位移单位为mm。

4.1 变形响应分析

选取第三跨跨中及墩顶两个控制截面的顶板顶面位置作为研究对象，各计算工况下的箱梁断面位移如图5、图6所示。由图5、图6可见，相对与成桥状态，钢箱梁组拼、运梁对跨中断面竖向变形影响较大，尤以工况一最为严重，顶板中心最大竖向变形从成桥时的4.7 mm增大为12.3 mm;墩顶断面的变形较小，各工况下箱梁顶板的最大竖向变形在2 mm以内，且最大值发生在桥中心线侧翼缘端部。

图5 跨中断面顶板竖向变形

图6 墩顶断面顶板竖向变形

4.2 纵桥向应力分析

不同工况下箱梁控制断面顶板顶面的纵桥向应力分布如图7、图8所示。计算表明，工况一作用下跨中断面箱梁顶板顶面正应力的变化最为明显，顶板中心压应力从5.64 MPa增大至7.00 MPa;而墩顶断面顶板顶面的压应力有所减小，工况三的影响最大，其中，翼缘端部位置顶板顶面从压应力4.95 MPa变为接近1 MPa的拉应力。

4.3 横桥向应力分析

不同工况下箱梁控制断面顶板顶面的横桥向应力分布如图9、图10所示。计算表明，钢箱梁拼装、运梁过程对引桥宽箱梁的横向应力分布影响较小。相对而言，墩顶断面顶板顶面的横向应力变化略大，其中，在工况2作用下，在距离顶板中心2.5 m附近位置，顶板顶面横向应力从压应力0.15 MPa变为1.13 MPa的拉应力，值得注意。

图7 跨中断面顶板纵桥向应力

图8 墩顶断面顶板纵桥向应力

图9 跨中断面顶板横桥向应力

4.4 主拉应力分析

限于篇幅，本文仅列出工况3下控制断面的主拉应力。引桥箱梁第三跨跨中梁段在工况3(同时进行钢箱梁拼装、运梁)下，最大主拉应力发生在底板中心上表面侧，应力值为1.96 MPa，小于混凝土的开裂强度(2.54 MPa)。引桥箱梁第三跨墩顶梁段在工况3下，最大主拉应力发生在支座位置，应力值为5.8 MPa，超过混凝土的开裂强度。因此，对该区域的混凝土应采取加劲处理，以防止混凝土出现裂缝，影响结构的使用性能和耐久性。

图10 墩顶断面顶板横桥向应力

5 结论

本文利用空间有限元，对引桥宽箱梁在主桥钢箱梁拼装、运梁工况下的结构响应进行了分析。研究表明，钢箱梁组拼、运梁对跨中断面竖向变形影响较大，最大竖向变形增大近8 mm。大部分梁段范围内纵、横桥向的正应力变化都较小，其中，工况3下墩顶断面翼缘端部位置顶板顶面的应力变化最为显著，从压应力4.95 MPa变为接近1 MPa的拉应力。而第三跨墩顶梁段在工况3下的最大主拉应力发生在支座位置，应力值为5.8 MPa，超过混凝土的开裂强度。因此，对该区域的混凝土应采取加劲处理，以防止混凝土出现裂缝，影响结构的使用性能和耐久性。

总体来说，除局部位置需要进行加强外，在主桥钢箱梁拼装、运梁施工过程中可以保证本桥宽跨比、宽高比均较大的低高度混凝土单箱单室连续梁桥处于安全状态。

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