深中通道某异形钢箱梁横向分块施工受力分析

曾 成 曹水东 张玉平

（长沙理工大学土木工程学院，湖南 长沙 410114）

0 引言

钢箱梁具有抗弯和抗扭刚度大、结构强度高、自重轻、施工速度快、跨越能力强等优点，因此在桥梁建设中应用越来越广泛［1］。在钢箱梁桥建设中，钢箱梁的安装与制造一般可分为3个阶段：板单元（组成梁段的基本单元）制作、梁段（成桥安装架设的独立单元）组拼安装及成桥阶段焊接［2］。钢箱梁制造与安装分为两种类型：一是大节段预制、大节段吊装［3-4］；二是因整段钢箱梁体积庞大，施工场地空间、施工器械性能有限，采用分节段预制、分节段吊装的方法进行施工［5］。钢箱梁节段制作完成后在梁场进行整块拼装和焊接，然后经检查合格后运达施工现场，通过吊装设备吊装到临时支撑上面进行焊接组装，完成钢箱梁的安装。钢箱梁分块方案既受到具体安装施工方案的约束，也在一定程度上影响着施工方案的选择，两者都是钢箱梁桥建设过程中不可忽视的部分。在钢箱梁节段拼装过程中，其线形和应力情况同焊接施工要求、设计要求有一定的偏差。张爱平［6］以G320国道小林至东湖连接线工程第56 联65 m 单箱六室简支钢箱梁桥为工程背景，钢箱梁采用纵向分段（4.75+18+19.5+18+4.75）m、横向分块的施工措施，箱梁（18+19.5+18）m 三个纵向分段横桥向都分为2 个挑臂和6 个箱室，通过有限元分析得出钢箱梁横向分块接缝处的最大位移差为2.97 mm，且顶板和腹板未完全连接的位置会产生范围不大、应力不高的应力集中现象。彭成明等［7］以巴拿马四桥为工程背景，该公轨合建混合梁斜拉桥中跨钢箱梁采用横向分块施工方案，通过索塔侧向提梁上桥面，梁上运梁至悬臂端并完成箱梁焊接作业，有限元分析结果表明，梁上运梁、横向分块安装两个工况都有明显的横向偏载效应，但整个施工阶段结构安全可靠。汪劲丰等［8］以杭州市跨京杭运河（37+60+37）m单箱三室连续钢箱梁桥为工程背景，钢箱梁横向分块形成3 个不同开口程度的梁段，梁段腹板与顶板开口处及缺失腹板处沿纵桥向设置了X 型剪刀撑，运用Midas Civil 分析吊装及安放过程中各梁块跨中处的位移与应力，并对实桥应力进行监测，结果表明，增设X型剪刀撑后各梁块的变形和应力均较为协调，满足后续横向焊接施工要求，结构应力处于安全范围。江劲丰等［9］将考虑界面滑移的组合结构理论应用于横向分块后的钢箱梁块，通过引入部分抗剪组合结构的控制微分方程，建立变形和应力的解析解方法。随后根据横向分块后钢箱梁块的构造特点，归纳分析影响位移和应力的关键参数及影响规律，进行分块施工技术探讨，并指导和应用于工程实例。综上所述，钢箱梁横向分块施工方面的研究已经有一些成果，但对于异形宽幅钢箱梁横向分块施工中钢箱梁块接缝处的位移差问题及解决大位移差的施工措施还没有进行有针对性的研究。

本研究以深中通道浅滩区某异形宽幅钢箱连续梁桥为工程背景，通过有限元方法分析采用横向分块方案后钢箱梁在各施工阶段下梁块线形和应力情况以及为减小梁块接缝处位移差采取的施工措施，从而保证异形钢箱梁施工过程中始终处于安全合理状态。

1 工程背景

深中通道某异形扁平钢箱连续梁桥位于124～129#桥墩上，桥跨布置为5×60 m，桥面宽24～35.9 m。全桥位于整条线路的右幅，双向八车道，设计时速为110 km∕h，抗风风速为地面以上10 m 高、100 a 重现期的10 min 平均年最大风速39.1 m∕s，钢箱梁立面和平面布置如图1所示。

前三跨（A～C 段）主梁为单箱双室，后两跨（D、E 段）主梁为单箱三室截面，A～C 段钢箱梁通过增大外箱室宽度来实现桥面宽度变化，D、E 段钢箱梁通过增大中间箱室宽度实现桥面宽度变化，全桥主梁在距离线路中心10.25 m 处的梁高均为3.5 m。全桥均设有2.5%的横坡，横坡表现为线路中心线侧低，通过倾斜箱梁顶板实现，箱梁底板保持水平，横隔板间距大部分为2 m，少数横隔板间距为0.3 m、0.5 m、1.55 m、1.75 m，横隔板标准断面如图2所示。

图2 横隔板标准断面（单位:mm）

桥梁采用整孔预制、整孔吊装的施工方案。相邻两跨主梁的断开位置为桥墩中心线附近，主梁顶板在桥墩中心线往小里程侧偏移200 mm，底板在桥墩中心线往大里程侧偏移200 mm。其中D、E 段钢箱梁由于自身构造原因，无法采用“天一号”海上架梁施工专用起重船一次性吊装架设。为解决该施工难题，加快施工进度，采用横向分块的施工方案。方案将D、E 段钢箱梁沿纵桥向划分成两部分，分别制作这两块钢箱梁，单独吊装到桥墩上，再焊接成一孔钢箱梁，完成整跨钢箱梁的吊装作业。

为保证运输及架设过程中分块梁段的横向稳定性，分块后左右两块钢箱梁都要有一个封闭的箱室，即横向分块位置应处于中间箱室。此外，纵向分块位置应使左右两块钢箱梁在简支状态下纵向整体挠度基本相当，左右两个梁段刚度、自重基本相当。横向分块方案是将一跨变宽度钢箱梁分割成等宽度和变宽度两块钢箱梁，记D 段钢箱梁分块后的钢箱梁为1 号、2 号梁段，记E 段的为3 号、4 号梁段。

钢箱梁采取横向分块方案后，新增加了一道纵缝，纵缝处存在较大的位移差。该位移差在不产生较大的局部变形的情况下，应采取施工措施确保两块钢箱梁能够焊接成为一个整体。该桥通过在2 号、4 号梁段施加压重荷载来控制纵缝处的位移差，具体如图3、图4、表1 所示，1 号、3 号梁段的开口较大，其开口处设有桁架式纵隔板。

表1 横线分块距离及压重荷载

图3 D段箱梁顶板横向分块示意（单位：m）

图4 2号梁段荷载压重示意（单位:mm）

2 有限元模型

采用Midas Civil 建立D 段、E 段钢箱梁有限元模型，分别模拟箱梁吊装到位（吊装到临时支撑）、施加压重荷载两个施工工况，E 段钢箱梁有限元模型如图5 所示。模型纵隔板采用梁单元模拟，其余部分均采用薄板单元模拟，钢箱梁施工阶段仅考虑结构自重的影响。空间坐标系X、Y、Z分别代表纵桥方向、横桥方向、梁高方向，1～4 号梁段的边界条件均是四个位置有约束，分别为：约束X、Y、Z方向位移，约束X、Z方向位移，约束Y、Z方向位移，约束Z方向位移；四个位置都约束了X、Z方向的转动。钢箱梁构件均采用低合金高强度结构钢Q345qD，其技术条件符合《桥梁用结构钢》（GB∕T 714—2015）的规定，钢材弹性模量为2.06 × 105MPa，泊松比为0.3，密度为7 850 kg·m-3。

图5 E段钢箱梁有限元模型

3 横向分块施工分析

3.1 位移分析

采用有限元方法模拟分析钢箱梁横向分块施工，既需要对每一梁段变形进行计算，又需对相邻梁段变形值进行比较，求理论变形差值。各施工阶段下1 号、2 号梁段纵缝处的位移如图6 所示，各施工阶段下位移差如图7 所示。图7 中的位移差为2号梁段的位移减去1 号梁段的位移。位移以竖直向上为正，即位移差为正数时表示该纵缝处2 号梁段比1号梁段高。图7中的纵桥向距离表示位移测点距离该段钢箱梁小里程侧桥墩中心的里程距离。3、4号梁段各施工阶段的位移如图8、图9所示。

图6 各施工阶段1、2号梁段纵缝处的位移

图7 各施工阶段1、2号梁段纵缝处位移差

图9 各施工阶段3、4号梁段纵缝处的位移差

由图6、图7 可知，1 号、2 号梁段完成箱梁吊装到位施工后，箱梁纵缝处位移最大位置均在跨中处，距离D 段钢箱梁小里程侧桥墩墩中心30 m，施工累计位移分别为-43.4 mm、-37.5 mm，纵缝处的最大位移差值为+5.9 mm；施加压重荷载后，2 号梁段的施工累加位移为-44.2 mm，纵缝处的最大位移差为-0.9 mm。位移差最大值降低了115%，且纵缝处的位移差变化稳定，仅有一个点1 号梁段比2 号梁段位移大。

由图8 至图9 可知，3 号、4 号梁段完成箱梁吊装到位施工阶段后，箱梁位移最大位置均在跨中，分别为-43.7 mm、-34.8 mm，纵缝处的最大位移差值为+8.9 mm；施加压重荷载后，4 号梁段施工阶段累计-41.9 mm，纵缝处的最大位移差为+1.9 mm。位移差最大值降低了79%，且纵缝处的位移差变化较为稳定。

3.2 应力分析

D、E 段箱梁施加压重荷载施工阶段下箱梁顶板、底板、腹板的应力最大值及位置见表2、表3，在图2（b）标准横隔板示意图中，单箱三室钢箱梁共有4 块腹板，从线路中心线开始，依次记为腹板1～腹板4。

表3 E段钢箱梁有效应力

从表2 可以看出，顶板有效应力最大值位于顶板跨中与腹板3 交界处，周围应力大约是25 MPa，整体类似于同心圆，距离越远应力越小。底板有效应力最大值位于固定支座位置处，并且焊缝处的应力相对其他位置小。腹板处有效应力最大值位于腹板4 跨中靠近底板处，其余三块腹板的有效应力最大值也是跨中靠近底板处大，其中腹板2、腹板3的最大值在30 MPa 以内，腹板1 与腹板4 都是箱梁的外腹板，腹板1的最大值为39.2 MPa。

4 结论

本研究以深中通道某异形扁平连续钢箱梁横向分块为研究背景，采用Midas Civil 建立D、E 段钢箱梁（钢箱梁处于简支状态）板单元模型，分析箱梁吊装到临时支撑、箱梁施加压重荷载两个施工阶段下钢箱梁的结构位移及施加压重荷载阶段的应力等情况，得出以下结论。

①D、E 段钢箱梁吊装到桥墩上临时支撑后，D 段钢箱梁横向分块后两个梁段最大位移均在跨中位置，分别为-43.4 mm、-37.5 mm；E 段钢箱梁横向分块后两个梁段最大位移均在跨中位置，分别为-43.7 mm、-34.8 mm；即钢箱梁横向分块后形成的纵缝处存在位移差，最大值分别为5.9 mm、8.9 mm，因此需要采取措施减小纵缝处的位移差。

②分别对D、E梁段施加不同的压重荷载，可使纵缝处的位移差绝对最大值减小85%、79%，且理论位移差绝对值不超过2 mm，显然合理施加压重荷载能解决纵缝处位移差较大的问题。

③从应力图来看，D、E 段钢箱梁的顶板、底板、腹板的应力分布规律基本一致，且任意点最大应力值均不超过80 MPa，小于材料的屈服强度，证明横向分块施工方案可行。