大跨度钢结构渡槽结构力学性能研究

2022-01-17付建胜张福强

石油化工建设 2021年6期

关键词：履带吊渡槽合龙

付建胜张福强

中国铁建大桥工程局集团有限公司天津 300300

引江济淮工程在保障城市供水安全、大力发展江淮航运、完善现代综合运输体系中具有重要意义,其安全施工和使用是我国建造大国实力的重要体现。

本文以引江济淮工程（安徽段）淠河总干渠渡槽为例，验算取其支架、渡槽主体结构和临时结构的强度、刚度及稳定性，为以后相似工程的结构验算提供借鉴。

1 引江济淮工程淠河总干渠渡槽支架计算

1.1 荷载取值

临时墩P1—P5、P7 的墩顶反力取350t，P6、P8—P10 的墩顶反力取200t，P1、P2 的墩顶反力取100t，风速取值25m/ s。

1.2 支架结构验算

1.2.1 横、纵梁验算

横梁A 采用四拼I56b 型钢，材料为Q235，临时墩顶反力取350t。横梁B 采用四拼I25b 型钢，材料为Q235，其上作用有两个集中荷载，每个荷载为50t，间距1.2m。横梁C 采用双拼I56b 型钢，材料为Q235，临时墩顶反力取200t。纵梁B、C 采用双拼I56b 型钢，材料为Q235，悬臂端受集中力为50t，悬臂长度取纵梁端部到钢管的净距1.285m。此外，纵梁A 与横梁C 结构基本相同，所受弯矩与剪力均小于横梁C，故纵梁A 不再计算。横、纵梁参数利用式(1)和式(2)进行验算。

式中：σ——截面正应力；

τ——截面的剪切应力；

Wx——截面模量；

S——截面对中和轴的面积矩；

I——截面惯性矩；

b——截面宽度。

验算可知，横梁A 的弯矩及剪力最大，横梁C 的σ 和τ 最大，但均满足要求。

1.2.2 钢管桩验算

钢管桩采用A630×8mm，材料为Q235，单根钢管轴力取100t，长细比λx 为34.2，轴向受压应力为69.5MPa，小于容许应力（140MPa），满足要求。

1.2.3 灌注桩入土深度计算钻孔桩直径（A）为0.8m。

经计算，临时墩P1、P2、P3、P18、P19、P20 的实际取值为8m；临时墩P4、P7、P14、P17 的实际取值为5m。

1.2.4 主桁局部稳定性验算

对临时支撑位置的下弦或拱弦腹板进行局部稳定计算：

（1）受压翼缘与纵向加劲肋之间的区格：

式中：σ——计算腹板区格内，由平均弯矩产生的腹板计算高度边缘的弯曲压应力；

τ——计算腹板区格内，由平均剪力产生的腹板平均剪应力；

σc——腹板计算高度边缘的局部压应力；

σcr、τcr、σc,cr——不用应力单独作用下的临界应力。

经验算，稳定性满足要求。

1.2.5 临时墩抗倾覆稳定性验算

以临时墩P9、P10 为例，根据《公路桥梁抗风设计规范》[6]，横桥向横向静阵风荷载：

式中：Fg——作用在单位长度上的风荷载为空气密度；

Ug——构件基准高度上的等效静阵风风速；

CD——构件的阻力系数；

An——构件单位长度上顺风向投影面积

经计算单根钢管所受风荷载为2969.78N；上层连接系风荷载为2840.94N，下层连接系风荷载为2840.94N；纵梁所受风荷载为4905.82N。

抗倾覆稳定性计算：

式中：k0——抗倾覆稳定性系数；

S——在截面重心至合力作用点的延长线上，自截面重心至验算倾覆轴的距离；

e0——所有外力的合力R 在验算截面的作用点对基底重心轴的偏心距；

Pi——不考虑其分项系数和组合系数的作用标准值组合或偶然作用标准值组合引起的竖向力；

Ei——竖向力Pi对验算截面重心的力臂；

Hi——不考虑其分项系数和组合系数的作用标准值组合或偶然作用标准值组合引起的横向力；

Hi——竖向力Hi 对验算截面重心的力臂；根据计算可知，k0=2.69>1.2，临时墩P9、P10 抗倾覆稳定性满足要求。

2 渡槽施工计算

2.1 渡槽有限元模型的建立

采用有限元软件Midas/ Civil 模拟渡槽架设过程，模型单元均采用梁单元。采用一般支撑，临时墩处采用节点弹性支承。

渡槽结构自重由程序自动计入，吊装荷载包括吊机自重和吊装节段重量。当吊机从后方吊运节段至设计位置过程中，侧吊产生的荷载对结构支点反力、应力及变形影响最大。履带吊支座总重约696kN，纵桥向布置总长为12.2m，横桥向一侧线荷载为628.5kN/ m。计算模型中，履带吊支座荷载以29kN/ m 横桥向距桥梁中心线7m 处对称加载，加载长度为12.2m，风速25m/ s。温度变化对主桁的内力和变形影响很小，按履带吊自重的10%考虑。

根据渡槽主桁吊装过程，共分为14 个工况。工况1～10 分别选取3# 、5# 、6# 、8# 、10# 、13# 、16# 、19# 、21# 、23# 节段吊装进行计算；工况11 为合龙前临时墩全部脱架；工况12 为合龙前P12 调整合龙位置；工况13 为吊装27# 节段（此时仅P8、P9 及P10#墩支撑）；工况14 为全桥合龙完成，各工况荷载类型均为等值线荷载，加载长度8 m。

2.2 结构计算

2.2.1 结构变形、应力和支撑反力计算

利用Midas 有限元软件对渡槽进行模拟，选取关键工况。

根据计算，边墩最大反力为343t，中墩最大反力为230t，合龙前P12# 墩调整合龙口位置需要提供反力181t。

2.2.2 脱架后渡槽抗倾覆计算

合龙前临时墩全部脱架，计算此时抗倾覆稳定性。分别求出反力以计算出对应重心对主墩支点的力矩。其中，边跨跨度为67.2m，1/ 2 中跨跨度为48.9m。抗倾覆安全k=1.62＞1.3，满足要求。

2.3 履带吊制动时渡槽稳定性计算

工况1 为履带吊制动时渡槽稳定性计算工况，此时临时墩P1 的支撑反力为286t，P1 可提供的最大静摩擦力为172t，履带吊制动力F=127t，F1>F2，满足要求。

2.3.1 横梁计算

履带吊作业过程中，两履带将产生三角形或者梯形荷载，当吊装11# 节段时，A 点将产生最大荷载，为562kN。间距300mm 的横梁承担的单侧履带荷载取168kN，横梁承担的单侧履带荷载取170.1kN。横梁计算长度为14m，Mmax=657.7kN·m，Fs=182.6kN。根据计算结果可知σ=117MPa< [σ]、τ=23MPa<[τ]。横梁的最大变形为36.6mm，均满足要求。

2.3.2 滑道计算

滑道长为3.05m，上面布置有8 根横梁，吊装11#节段时,最大的荷载为FH=238kN。Mmax=585.6kN·m，Fs=773.6kN 根据计算结果可知σ=121Mpa ＜[σ]、τ=54MPa＜[τ]，横梁的最大变形为1.8mm，均满足要求。

2.3.3 底板横梁局部稳定性计算

对履带吊支座支撑处的底板横梁腹板进行局部稳定计算，底板横梁腹板厚28mm，高度为1522～1922mm，上翼缘厚度为34mm，下翼缘厚度为44mm，材料为Q345 钢材。支垫长度按336mm 计算，腹板局部稳定性满足要求。