钢箱梁桥相对支座位置纵向偏移施工误差限值研究

贾正伟 傅中秋 何斌 苑青海

摘要：针对钢箱梁体支座设计位置相对偏移误差，建立钢箱梁的全桥模型，研究不同支座位置偏移情况下的局部变形和应力。通过提取跨中、支座上方顶板竖向变形，分析支座偏差对顶板结构位移的影响。基于横隔板、加劲构件和底板交界处的应力，研究不同支座偏差下局部峰值应力的变化规律。结果表明，梁体相对支座偏移对钢箱梁顶板与横隔板变形及受力的影响较小。竖向加劲板与底板均在支座偏移50 mm后，构件峰值应力及局部应力增幅显著，顶推施工中应重点监测。考虑到竖向加劲板为支座偏差下的钢箱梁最不利构件，建议取50 mm为支座偏移限值，以确保顶推施工安全，但具体偏移限值需参考实际施工。

关键词：钢箱梁；顶推施工；支座偏移；钢梁挠度；局部应力

中图分类号：U448文献标识码：A文章编号：1006-8023（2023）02-0148-09

Research on Construction Error Limit of Longitudinal Offset of Steel

Box Girder Bridge Relative to Bearing Position

JIA Zhengwei1， FU Zhongqiu1*， HE Bin2， YUAN Qinghai2

（1.College of Civil Engineering and Transportation， Hohai University， Nanjing 210098， China;

2.Zhejiang Communications Construction Group Co.， LTD.， Hangzhou 310000， China）

Abstract：Aiming at the relative deviation error of designed location for the bearing in the steel box girder， a full bridge model of the steel box girder was established. The local deformation and stress under different bearing deviations were studied. The influence of bearing deviation on roof displacement was analyzed by extracting the vertical deformation of the roof over the middle span and bearing. Based on the stress at the junction of diaphragm， stiffener and bottom plate， the variation law of peak stress under different bearing deviations was studied. The results showed that the displacement of the beam relative to the bearing had little influence on the deformation and stress of the roof and diaphragm of the steel box girder. When the vertical stiffener and bottom plate were shifted 50 mm， the peak stress and local stress of components increased sharply， which should be mainly monitored in incremental launching construction. Considering that the vertical stiffener was the most unfavorable component of the steel box girder under the bearing deviation， it was suggested to set 50 mm as the offset limit of the bearing to ensure the safety of the incremental launching construction， but the specific offset limit should refer to the actual construction.

Keywords：Steel box girder; incremental launching construction; bearing offset; deflection of steel beam; local stress

收稿日期：2022-05-31

基金項目：国家自然科学基金面上项目（51678215）

第一作者简介：贾正伟，硕士研究生。研究方向为钢桥施工与运维。Email： 647924440@qq.com

*通信作者：傅中秋，博士，教授。研究方向为钢桥疲劳与维护。Email： fuzhongqiu@hhu.edu.cn

引文格式：贾正伟，傅中秋，何斌，等.钢箱梁桥相对支座位置纵向偏移施工误差限值研究[J].森林工程，2023，39（2）：148-156.

JIA Z W， FU Z Q， HE B， et al. Research on construction error limit of longitudinal offset of steel box girder bridge relative to bearing position[J]. Forest Engineering， 2023，39（2）：148-156.

0引言

钢箱梁具有自重轻、抗扭刚度大、跨越能力强等优点[1-2]，被广泛应用于桥梁建设中。近年来，随着桥梁建设的蓬勃发展，在国家大力推广钢桥建设的号召下，中小跨径桥梁主梁也越来越多采用钢桥结构形式[3-4]。为缩短施工周期，避免影响桥下通车、通航，主梁架设时采用顶推施工具有显著优势[5-7]。顶推施工中，现场拼焊时局部切割或焊接变形会导致钢梁节段纵向长度与设计值之间存在误差[8-9]。顶推节段数量增加，纵向误差的累积将引起梁体支座偏位，偏位过大会造成主梁受力不对称，局部应力过大，甚至会引发钢箱梁整体倾覆[10-12]。

在顶推施工过程中，梁体纵向误差造成的结果等同于支座与主梁的偏位。相关学者针对支座偏位对结构的影响开展了研究。孙测世等[13]以龟韭沟曲线斜拉桥为例，采用有限元方法，分析并得出了主墩支座向曲线内侧偏移对斜拉索索力差、主塔塔顶横向位移及主梁横梁弯矩影响呈线性趋势。张浩等[14]通过路基墩柱偏移事故实例，分析了跨线桥混凝土墩柱偏移的成因，结合桩身的受力验算，提出纠偏处治措施，有效降低了支座的偏移量。田世清等[15]通过分析支座安装缺陷对弯坡桥混凝土桥墩受力的影响，得出支座安装缺陷越严重，其越易出现较大滑移和剪切破坏，从而当偏移到一定程度时，混凝土桥墩会出现开裂。综上所述，目前针对梁体支座相对偏移的研究，多为混凝土桥梁，且集中于下部结构。而偏移对于上部主梁受力的影响研究较少涉及。支座偏移对结构受力的影响也多为定性研究。而实际顶推施工中钢箱梁拼接误差难以控制，导致成桥后的支座偏移量无法估计。在较大支座偏移下，钢主梁存在不对称受力甚至倾覆的风险[16-18]。同时，现有规范[19]也未给出顶推施工中梁体相对支座纵向偏移明确的参考值。因此，有必要针对钢箱梁顶推施工中梁体相对支座纵向偏移的限值开展研究，以提高顶推施工的安全性。

本研究以某三跨连续变截面钢箱梁桥为模型，提取不同支座偏差下的竖向位移和应力，分析支座偏差对关键部位变形和受力的影响。提出偏差参考值，可为同类钢箱梁顶推施工误差控制提供参考。

1有限元建模

有限元模型依据某三跨连续钢箱梁桥建立。桥梁跨径252 m，主跨跨径120 m，主桥桥面宽31 m，双幅设置。半幅主梁采用变截面双箱单室钢箱梁，梁底线形为二次抛物线。模型以变截面钢箱梁单幅桥的半跨进行分析。支点梁高5.4 m，跨中梁高2.7 m。顶板厚16～22 mm，底板厚18～30 mm，腹板厚16～25 mm。主梁中跨距中支点15 m范围内板厚为25 mm，大于15 m范围板厚为16 mm。顶板采用U形加劲肋，腹板采用板式加劲肋，底板采用T形加劲肋。钢主梁及局部模型如图1所示。钢箱梁的材料采用Q345qD，模型仅考虑钢材的弹性变形，采用理想弹性的本构关系。考虑到钢箱梁自重影响，钢材的弹性模量E=2.1×105 MPa，钢材质量密度为7.85×10-9 t/mm3，重力加速度g=9 810 mm/s2，泊松比v=0.3。全局模型采用壳模型，线性四边形减缩积分S4R壳单元进行划分，全桥网格尺寸为150 mm。

钢箱梁纵向误差可能导致落梁点位将与支座中心发生相对偏移。实际施工中，由于支座位置固定，为简化模拟，通过偏移支座上方垫块实现其与梁体的相对位移。支座偏移由河侧向岸侧为正。主墩上方、边跨支座钢垫块用实体单元模拟。主墩上方钢垫块参数为1 500 mm×1 500 mm×50 mm，边跨端部钢垫块参数为1 000 mm×1 000 mm×50 mm。钢垫板选择适合接触计算的线性六面体减缩积分C3D20R实体单元模拟，材料常数及网格尺寸与主梁相同。全桥划分共计519 002个单元，其中壳单元518 704个，实体单元298个。

支座上方底板厚30 mm，设计时考虑到主墩上方底板中心的局部应力较大，对支座上方底板中心1 000 mm×1 000 mm内进行60 mm加厚。由于实桥施工中，垫块与底板采用四边围焊形式进行固定，故在模型中对2部分，采用Tie连接方式[20]。对称轴面采用全对称约束，垫块底部采用边界约束，实现连续梁结构。有限元模型中不同支座位移的模拟方式采用的是“墩动，梁不动”，即在建模过程中梁体空间位置不变，通过支座移动的方式来实现梁体相对支座位置纵向偏移。

垫块偏移如图1（b）所示。以支座偏移-10～80 mm为计算工况；为简化分析，在-10～40 mm区间内，支座偏移间隔5 mm。40～80 mm区间内，支座偏移间隔10 mm，共計15个工况。分析不同支座偏移T对变截面钢箱梁受力的影响。

2不同偏差下结构位移

2.1跨中顶板

在支座未偏移工况下，沿纵桥向提取半跨变截面钢箱梁的顶板挠度，如图2所示。钢箱梁顶板的最大挠度位于跨中部位，因此重点分析不同支座偏差下跨中顶板的挠度变化。由于钢箱梁宽度较大，顶板横桥向挠度关系着桥梁的稳定性。因此沿横桥向提取钢箱梁跨中顶板挠度进行分析。由图3（a）可知，从左侧往右侧提取跨中顶板的竖向挠度，路径距离为14 000 mm。跨中顶板沿横桥向的竖向位移分布如图3（b）所示。以S表示路径上点位与路径起点的距离。

图3（b）中横截面竖向位移以桥梁中心线为轴大致呈对称分布。随着梁体支座偏移增加，跨中顶板挠度逐渐增大，跨中顶板变形量在2 mm内。这表明支座偏移对跨中变形的影响较小，可忽略不计。

2.2主墩上方顶板

为反映主墩上方顶板挠度分布特征，沿横桥向提取主墩上方顶板的竖向位移。由图4（a）可知，从左侧往右侧提取跨中顶板的竖向挠度，路径为14 000 mm。主墩上方顶板沿横桥向的竖向位移分布如图4（b）所示。

由图4（b）可知随着偏差增加，主墩正上方顶板y向位移增大。支座偏移80 mm与未偏移相对最大增大了391.49%，但增量仅0.06 mm，对竖向挠度变形影响较小。这表明支座偏差对主墩上方顶板变形的影响在1 mm内，可忽略不计。

3不同偏差下局部应力

3.1横隔板

支座偏差会导致钢箱梁受力不对称，考虑到钢箱梁为薄壁结构，局部位置在不对称受力下的应力特征尚不明确。由于支座上方钢箱梁构造复杂，存在T肋，竖向加劲板、底板和横隔板等多个构件，受力复杂。首先分析横隔板与底板对接部位的应力，选取左、右箱室1、2、3号点位的应力进行分析，如图5所示。

由图5可知，左、右箱室2号点位的应力变化较明显，梁体支座相对偏移80 mm时较未偏移增加5.39 MPa，表明中间横隔板在承受支座反力时，应力随支座偏移增加而增大。相较于中间横隔板，靠近两侧箱室的横隔板1、3号点位的应力随支座偏移增大而降低，降幅较平缓，支座偏移80 mm较未偏移时的应力仅减少了1.41 MPa。以上结果表明，支座偏移对横隔板与底板对接部位的应力影响较小，可忽略不计。

3.2加劲构件

3.2.1竖向加劲板

由图6可知，由于支座偏差为纵向偏差，且钢箱梁结构左右对称，故在分析其他构件应力时仅提取一侧箱室即可。在支座未偏移的工况下，提取竖向加劲板与底板对接部位处3条路径上的应力进行分析，如图6（a）所示。由图6（a）可知，竖向加劲板各纵向路径上的应力均呈垫块前后缘大，中间及两端小的不均匀分布趋势；竖向加劲板在垫块两侧应力均达到峰值，其中3条路径上该构件的应力水平最高为③号，两端峰值应力分别为173 MPa和120 MPa；竖向加劲板在垫块位置前后缘会出现应力集中；Q345qD钢材容许应力值为210 MPa，考虑到施工过程的结构验算可进行1.3倍的提高，则施工容许应力值取为273 MPa[21]，因此未超过Q345的允许应力；③号路径整体应力水平最高，故仅以该路径为研究对象，分析支座偏差对该路径局部应力的影响。

由图6（b）可知，随着支座偏差增大，路径③上各网格点应力均呈单调变化，但增减不一，如距离河侧571 mm和1 000 mm处点位应力随偏差增大呈相反的变化趋势。为反映支座偏差对局部应力的不利影响，仅关注支座偏差下应力增长的点位。经计算，路径③上靠近河侧1 000 mm处应力增长最为显著，其应力变化曲线如图6（c）所示，图6（c）中横坐标为支座偏差，随着偏差逐渐增大，竖向加劲板③号路径上局部应力缓慢线性增加；而当偏差超过50 mm后，钢垫块逐渐向岸侧移动，应力开始陡增；在工况设置的最大支座偏移下，在距离河侧1 000 mm处的局部应力增长约48 MPa。

3.2.2加劲T肋

跨中局部区域由竖向加劲板来加强，其他加劲肋采用T肋。由于钢箱梁底板上部采用6根T肋加劲，故先分析未偏移下T肋与底板相交处6条路径上的应力以确定T肋峰值应力部位，如图7（a）所示。

③、④号路径由河侧向岸侧1 000 mm～4 000 mm处为竖向加劲板的位置，故曲线中应力在该区间内空缺。由图7（a）可知，T肋最大应力在②号路径上。提取不同偏差下②号路径上T肋的局部应力进行分析，如图7（b）所示。由图7（b）可知，支座偏移-10～20 mm时，T肋应力变幅较小；在20～60 mm区间内，T肋应力随偏差增大而线形上升；超出60 mm后，T肋应力逐渐减小；考虑到不同偏移下，T肋峰值应力最大仅增长5 MPa，故支座偏移对T肋的影响可基本忽略。

3.3底板

与支座垫板接触的等截面底板中心区域，直接承受支座传递的反力，故该部位底板采用了T肋、豎板加劲板等构件加强。由于复杂构造部位的局部受力通常较为复杂，有必要对支座偏差下的底板局部应力开展分析。考虑到该桥梁支座上方底板正中心1 000×1 000 mm范围内还采用了60 mm钢板加厚，非加厚区与加厚区之间刚度差异较大，易导致局部应力变化显著。在模型中，沿纵桥向提取支座未偏差下底板与各构件对接处9条路径的应力，如图8（a）和（b）所示。④⑤⑥号路径经过加厚区，其余路径均位于未加厚区。

由图8（a）和（b）可知，支座未偏差时，底板峰值应力位于⑤号路径上；④⑤⑥号路径上，加厚区与非加厚区过渡部位应力变化显著，表明加厚钢板边缘应力梯度较大，存在明显的应力集中现象；以⑤号路径为例，由加厚区过渡至非加厚区时，应力增大了42.29 MPa，增幅达239%。为对比纵、横桥向加厚区边缘应力变化规律，提取钢箱梁左右箱室底板横桥向路径的应力进行分析，如图8（c）所示。由图8（c）可知，横桥向底板加厚区边缘同样存在应力变化显著；未加厚区局部增幅仅13%。考虑到纵桥向底板加厚区边缘应力变化程度远高于横桥向，实桥顶推施工中建议重点关注底板纵桥向厚度变化区域，必要时对局部应采取厚度渐变处理或构造增强。

图8（a）中底板各纵向路径上的应力均呈垫块前后缘大、中间及两端小的不均匀分布趋势。其中底板在垫块两侧应力均达到峰值，其中3条路径上该构件的应力水平最高为③号，两端峰值应力分别为105 MPa和53 MPa。可见底板在垫块位置前后缘也会出现应力集中，但均未超过Q345的允许应力。结合图8（a）和（b）知，⑤号路径整体应力水平最高，故仅以该路径为研究对象，分析路径上的局部应力变化。由图9（a）可知，随着支座偏差增大，路径⑤上各网格点应力也均呈单调变化，且增减不一，如距离河侧1 428 mm和1 714 mm处点位应力随偏差增大呈相反的变化趋势。为反映支座偏差对局部应力的不利影响，仅关注支座偏差下应力增长的点位。经计算，路径⑤上靠近河侧1 714 mm处应力增长最为显著，其应力变化曲线如图9（b）所示。由图9（b）可知，随着支座偏差逐渐增大，竖向加劲板⑤号路径上该点位的应力线性增加；当偏差为40～60 mm时应力开始缓慢线形增大。而当偏差超过60 mm后，结合竖向加劲板受力，底板应力继续线形增大；在工况设置的最大支座偏移下，该点的局部应力增长约51.8 MPa。

4偏差影响分析

构件峰值应力过大或局部部位应力显著变化均会威胁顶推施工安全。有必要综合各构件分析支座偏差对钢箱梁各主要构件的影响，以明确合理的偏差范围，为实桥顶推施工提供参考。各主要构件的峰值应力随支座偏差的变化如图10（a）所示。考虑到横隔板峰值应力较小，在图10（a）中未绘出。

由图10（a）可知，钢箱梁构件的最大应力位于竖向加劲板上，表明竖向加劲板是支座偏差下的最不利构件。在最不利偏移工况下，竖向加劲板最大等效应力值约为190 MPa，则各构件的应力计算结果根据规范均满足要求[21-22]。随支座偏移增大，竖向加劲板与底板峰值应力均呈现先降后增的变化趋势，且分别在偏移50 mm和60 mm后应力增幅显著。其他构件应力基本无变化。

由图10（b）可知，竖向加劲板、底板局部应力分别在支座偏移超50 mm和60 mm后增幅较显著，其中竖向加劲板、底板在50 mm＜T＜80 mm和60 mm＜T＜80 mm内的应力增量分别占0＜T＜80 mm内应力增量的69%和47%。钢箱梁其余构件局部应力较低且基本不受支座偏差影响。考虑到竖向加劲板为支座偏差下的钢箱梁最不利构件，综合各构件局部应力变化特征，建议取50 mm为支座偏移限值，以确保顶推施工中钢箱梁结构的安全。

由于梁体在顶推支架上进行拼焊，虽然制造每段梁体的精度相当高，但当运输至现场分块数量较多时，非常小的误差累积可能会最终导致成桥下的大误差[8-9]。当已拼接好梁段长度低于理论值，即使后续梁体精度再高，进行拼焊也没办法降低误差。同时主梁纵坡导致主梁在水平方向投影也会导致梁体支座偏移。故在施工中需严格监控每一节段拼焊过程的主梁长度。在设计箱梁顶推施工需综合考虑线形、变形和焊缝宽度等，可在钢箱梁制造过程中可进行梁的纵向加长处理，严格把控实际施工中长度与理论值之间的误差，尽量将梁体误差控制在50 mm内。顶推施工中对梁体的内力一般是不做监测[8]，对梁体内力变化情况很难直接得到，钢梁在运营阶段可能会存在潜在的危险。顶推施工中应重点监测主要构件的应力，并随时与设计值进行对比。

5结论

以某三跨连续钢箱梁桥为背景，建立钢箱梁全桥模型，探究支座相对梁体偏差对顶板挠度、顶板横截面竖向变形和主墩上方附近构件应力的影响，所得结论如下。

1）跨中、支座上方顶板最大挠度、顶板横截面竖向变形及横隔板局部应力均随梁体支座相对偏移而增大，但增量较小，故梁体支座相对偏移对钢箱梁顶板与横隔板受力及变形的影响可忽略。

2）支座上方等截面底板加厚区向非加厚区过渡的边缘存在应力突变，其中纵桥向过渡区边缘应力增幅达239%，横桥向仅13%。实桥顶推应重点监测底板纵桥向加厚部位，必要时应在底板加厚边缘进行构造加强以缓解应力集中现象。

3）竖向加劲板与底板均在支座偏移50 mm后，构件峰值应力及局部应力增幅显著，顶推施工中应重点监测。考虑到竖向加劲板为支座偏差下的钢箱梁最不利构件，建议取50 mm为支座偏移限值，以确保顶推施工安全，但具体偏移限值需参考实际施工。

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