大跨度城市钢箱梁桥成桥稳定性数值模拟分析

韦立咏

(广西壮族自治区河池市东兰县公路事业发展中心，广西 河池 547400)

0 引言

钢箱梁施工过程一般分为3个主要阶段，即边跨吊装拼接施工、中跨悬挑梁拼接施工以及中跨大节段拼接施工，研究钢箱梁成桥施工过程中的稳定性对于指导施工具有重要意义[1-4]。不少学者针对钢箱梁进行了一些研究：王国栋[5]分析钢箱梁具有外形美观、整体性好以及抗弯性能好等特点，以在建钢箱梁工程为研究对象，重点模拟分析了钢箱梁桥在成桥之后荷载作用下的稳定性，分析结果对施工具有良好的指导性；张宪堂等[6]以某跨海斜拉钢桥为研究对象，采用数值模拟的方法对相关设计参数进行了分析，结果表明主梁自重以及斜拉索二次张拉索力对成桥状态有显著影响，属于敏感性因素，施工过程中应该注意；谭伟[7]通过分析认为钢箱梁桥受力性能好，但存在横向抗倾覆稳定性较差等缺点，并基于有限元软件Midas Civil，通过对实际工程进行建模计算，分析了影响横向抗倾覆稳定性的因素。本文主要以大跨度城市钢箱梁桥成桥分析为研究对象，通过有限元模拟软件，对箱梁拼装施工的各个阶段受力和变形进行了分析，研究结果可为类似钢箱梁工程设计和施工提供参考和借鉴。

1 工程概况

拟建的东兰县巴伦红水河大桥，起于隘洞镇河百高速公路隘洞互通连接线K5+740处(红水河北岸)，终于隘洞镇河百高速公路隘洞互通连接线K5+927处(红水河南岸)。该桥采用钢箱梁成桥，箱梁全长187 m，共分为左右两幅，单幅桥面宽度为15.50 m，底板宽10.50 m，顶板悬臂长2.5 m，箱梁梁高为3.5 m。

2 数值建模

2.1 模型建立

如图1所示，采用Midas Civil软件进行建模分析，箱梁长度为178.62 m，以x轴、y轴方向分别为箱梁截面横向和高度方向，规定以向上、向右为正方向，反之为负。模型中共有22 016个节点、17 854个单元，二期恒载数值为88.6 kN/m。表1为钢箱梁的力学参数。

图1 数值模型云图

表1 钢箱梁力学参数一览表

2.2 数值模拟步骤

表2给出了钢箱梁施工过程中的数值模拟步骤。

表2 钢箱梁施工过程中的数值模拟步骤一览表

3 数值结果分析

3.1 钢箱梁边跨拼装

第一阶段首先进行箱梁边跨的拼装。图2所示为钢箱梁边跨拼装数值建模云图。考虑到边跨梁段在支架滑移过程中的跨中截面应力一般较小，此阶段未进行梁段变形及应力监测。

图2 钢箱梁边跨拼装数值建模云图

3.2 钢箱梁中跨悬挑梁拼装

在第一阶段边跨各梁段拼装施工完成以后，进行箱梁中跨的悬挑拼装。图3所示为钢箱梁中跨悬挑梁拼装数值建模云图。在初始吊装钢箱梁中跨悬挑梁时，支架仍未拆除，当悬挑段焊接施工完成后，拆除支架，这时钢箱梁变成单悬臂梁，此时的箱梁将产生较大的变形和应力。为了更好地监控箱梁拼装过程中的变形，如图4所示设置了0-0～7-7共8个监测断面。

图3 钢箱梁中跨悬挑梁拼装数值建模云图

图4 边跨监测断面示意图

图5所示为边跨支架拆除引起的0-0～7-7监测断面控制截面挠度变化曲线。由图5可知，中间截面挠度较大，两边较小，且理论挠度值和实测挠度值误差很小。其中，0-0截面挠度最小，基本为零；3-3截面挠度最大，其理论挠度值和实测挠度值分别为54.11 mm和52.25 mm。根据《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64-2015)，其挠度值在正常范围之内。

图5 边跨支架拆除引起各控制截面挠度变化曲线图

为了对边跨支架拆除引起箱梁应力的变化进行分析，如表3所示，选取边跨支点、L/4、L/2、后锚固点、3/4L和中支点进行应力监测分析，主要对箱梁的上缘、下缘和中性轴应力进行监测。由表3可知，边跨支架拆除过程中箱梁虽然出现了较大的应力变化，但整体应力水平较低，其中跨中L/2处应力最大，但仅为40.96 MPa，对箱梁的整体稳定性影响不大。

表3 边跨支架拆除引起的截面应力变化计算结果表

3.3 钢箱梁中跨大节段拼装

最后阶段进行钢箱梁中跨大节段的拼装施工。该过程要重点对箱梁的应力和挠度进行监测分析，并分析边跨的抗倾覆稳定性。

3.3.1 应力及挠度分析

图6所示为钢箱梁中跨大节段拼装数值建模云图。此时边跨承受着吊机自重和中跨大节段吊装等荷载作用。表4给出了中跨大节段吊装引起的边跨截面应力变化值，仍对边跨支点、L/4、L/2、后锚固点、3/4L和中支点进行应力监测分析。由表4可知，在钢箱梁中跨大节段吊装过程中，应力最大值为22.36 MPa，位于后锚固点处，箱梁边跨的整体应力处于较低水平，对箱梁整体稳定性基本没有影响。

图6 钢箱梁中跨大节段拼装数值建模云图

表4 中跨大节段吊装引起的边跨截面应力变化计算结果表

图7给出了跨中大节段吊装引起的边跨控制截面0-0～7-7的挠度变化曲线。由图7可知，此时边跨中间截面挠度较大，两边较小，且理论挠度值和实测挠度值误差很小。3-3截面挠度最大，其理论挠度值和实测挠度值分别为21.54 mm和23.13 mm，小于第二阶段边跨支架拆除引起的截面应力变化，故挠度值在正常范围之内。

图7 中跨大节段吊装引起的边跨控制截面挠度变化曲线图

为了对钢箱梁中跨大节段拼装过程中的变形进行分析，如图8所示，设置7-7～11-11共5个挠度监测断面。图9给出了跨中大节段吊装引起的自身控制截面挠度变化曲线。由图9可知，截面挠度沿跨中9-9断面基本呈现出左右对称，理论挠度值与实测挠度值相差较小。挠度值最大处位于9-9截面，其理论挠度值和实测挠度值分别为73.42 mm和75.68 mm，主要是由于中跨大节段自重引起的。根据《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64-2015)，其挠度值在正常范围之内。

图8 中跨监测断面示意图

图9 中跨大节段吊装引起的自身控制截面挠度变化曲线图

3.3.2 边跨抗倾覆稳定性分析

箱梁施工过程中的抗倾覆验算是桥梁稳定性验算的重要部分，尤其是当施工过程中存在悬臂端施工时，抗倾覆验算尤为重要。根据《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64-2015)，当计算得到的抗倾覆力矩大于倾覆力矩的1.4倍时，认为结构是稳定安全的。

图10所示为箱梁中跨大节段拼装计算云图，表5给出了计算得到的抗倾覆力矩值和倾覆力矩值。通过计算得到结构的稳定系数为2.66，远大于1.4，因此箱梁中跨大节段吊装过程中的抗倾覆稳定性能满足要求。

图10 箱梁中跨大节段拼装计算云图

表5 中跨大节段吊装引起的桥梁抗倾覆验算结果表

4 结语

文章以大跨度城市钢箱梁成桥分析为研究对象，通过有限元模拟软件，对箱梁拼装施工的各个阶段受力和变形进行了分析，得到以下结论：

(1)边跨支架拆除引起的0-0～7-7控制截面挠度均处于规范要求正常范围之内。

(2)边跨支架拆除过程中箱梁虽然出现了较大的应力变化，但整体应力水平较低，其中跨中L/2处应力最大，但仅为40.96 MPa，对箱梁的整体稳定性影响不大。

(3)钢箱梁中跨大节段吊装过程中，应力最大值为22.36 MPa，位于后锚固点处，箱梁边跨的整体应力处于较低水平，对箱梁整体稳定性基本没有影响。

(4)中跨大节段吊装引起的边跨0-0～7-7控制截面和引起大节段自身7-7～11-11控制截面的挠度均处于规范要求正常范围之内。

(5)通过计算得到结构的稳定系数为2.66，远大于规范要求的1.4，因此箱梁中跨大节段吊装过程中的抗倾覆稳定性能满足要求。