某危橋拆卸階段的鋼桁梁應(yīng)力分析

孫 博，余天慶，周 洋

（湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢430068）

1 工程概況

某鋼橋?yàn)槿邕B續(xù)索桁混合結(jié)構(gòu)［1］，跨徑為67.79m＋49.10m＋67.79m＝184.68m?？傮w布置見圖1。中跨鋼桁梁下放是該橋危橋加固維修的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。中跨鋼桁梁總重500t，總長為48.4m。下放前需沿縱向?qū)摿悍譃?.5m＋37.9 m＋6.0m三段。其結(jié)構(gòu)形式及詳細(xì)尺寸見圖2、圖3。

下放的中段鋼桁梁重約400t，整體重量由固定在兩個(gè)邊跨鋼梁上的四個(gè)吊架承擔(dān)。下放過程中如果四個(gè)吊點(diǎn)不能保持協(xié)調(diào)同步，就可能造成其中的一個(gè)或幾個(gè)吊架上的應(yīng)力過大甚至失穩(wěn)。為保證中跨下放過程的安全性，有必要對下放吊架和邊跨鋼梁的應(yīng)力和變形實(shí)施監(jiān)控，并對全過程的構(gòu)件狀態(tài)跟蹤預(yù)警［2－3］，以確保結(jié)構(gòu)在施工階段受力狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求。

圖1 主橋總體布置圖

圖2 主橋中跨鋼梁立面布置圖 mm

圖3 主橋中跨鋼梁橫斷面布置圖 mm

2 施工方案

中跨鋼桁梁整體下放施工方案［4］主要包括

1）拆除中跨與邊跨之間的懸吊體系。

2）安裝下放吊架 吊架縱梁安裝，北側(cè)單個(gè)吊架縱梁由8排×6片＝48片加強(qiáng)弦桿貝雷梁片組成。南側(cè)單個(gè)吊架縱梁由8排×5片＝40片加強(qiáng)弦桿貝雷梁片組成。

3）下放吊架靜載試驗(yàn) 下放吊架靜載試驗(yàn)階段采用千斤頂進(jìn)行加載，工況按加載的大小分為：0～0.2P（20t）～0.5P（50t）～0.8P（80t）～1.0P（100t）～1.25P（125t），共五級加載，

4）解除中跨鋼桁梁中間部分與墩頂節(jié)間鋼梁的連接。中跨鋼桁梁分割后，墩頂節(jié)段將成為懸臂構(gòu)件。為防止中跨鋼梁下放后該墩頂節(jié)段下墜，需要把墩頂節(jié)段鋼梁下弦部分與鋼塔連接，使之成為一個(gè)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

5）用下放吊架將中跨鋼桁梁下放至橋下鐵駁，運(yùn)至指定地點(diǎn)進(jìn)行加固維修。由于危橋搶修整個(gè)施工期間中跨必須保持通航（中跨下放安裝過程中封閉航道），故中跨鋼桁梁需從橋位處整體運(yùn)到工廠進(jìn)行維修加固。

3 仿真分析

3.1 模型建立

采用有限元軟件 MIDAS Civil 2006建立下放吊架模型，其中北側(cè)吊架長度6×3＝18m，南側(cè)吊架長5×3＝15m，所有桿件均采用考慮剪切變形功能的空間梁單元模擬，北側(cè)吊架離散為820個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 598個(gè)單元。同時(shí)建立了中跨鋼桁梁模型，桁架及縱梁采用梁單元，橫梁采用考慮面內(nèi)受拉壓及面外受彎的板單元模擬共488個(gè)節(jié)點(diǎn)，324個(gè)梁單元，204個(gè)板單元。施工模型見圖4、5、6。

圖4 北側(cè)下放吊架

圖5 南側(cè)下放吊架

圖6 中跨鋼桁梁

3.2 計(jì)算結(jié)果

3.2.1 靜載試驗(yàn) 靜載試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果主要包括中跨及下放吊架的應(yīng)力及變形兩項(xiàng)指標(biāo)。

1）中跨鋼桁梁的應(yīng)力及變形分析 利用中跨有限元模型施加邊界條件及荷載進(jìn)行分析，得到六種工況下的應(yīng)力及變形值如表1所示。從表中直觀得到，千斤頂?shù)膹埨χ锌玟撹炝寒a(chǎn)生了有利影響，起到了卸荷的作用。整個(gè)加載試驗(yàn)階段，中跨鋼桁梁最大拉應(yīng)力僅為47.447MPa，最大壓應(yīng)力僅為66.652MPa，最不利狀態(tài)為鋼梁加載試驗(yàn)前的自重狀態(tài)，故本次加載試驗(yàn)對鋼桁梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力不作監(jiān)控。

125t時(shí)，中跨向上變形量僅2.9mm。分級加載時(shí)每級荷載的位移增量僅0.6mm，值太小不便控，故試驗(yàn)僅對加載結(jié)束后的變形進(jìn)行校核。

表1 中跨鋼桁梁理論計(jì)算表

2）下放吊架的應(yīng)力及變形分析 由于南北兩側(cè)的錨固形式相同即邊界條件相同，而北側(cè)的懸挑長度為3×3＝9m大于南側(cè)6m，因此取北側(cè)的吊架為最不利情況。

以表2的結(jié)果可見：由于下放吊架的前端錨固在第三、四片貝雷梁片的支撐柱上，因此第三、四片的剛度增大，其分配到的力也較大。其中最大拉應(yīng)力179.954MPa，最大壓應(yīng)力217.334MPa，小于16Mn構(gòu)件的容許應(yīng)力，因此，施工過程中結(jié)構(gòu)是安全的。但是靜載試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，當(dāng)千斤頂施加125t張拉力時(shí)，每個(gè)吊架承受的荷載超過100t，考慮到溫度影響以及四個(gè)吊架的不同步等因素的影響，個(gè)別桿件上將產(chǎn)生較大的應(yīng)力及變形。因此吊架的應(yīng)力監(jiān)控是必要的。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，綜合各工況確定受力最不利桿件，這些是需現(xiàn)場監(jiān)測的控制截面，測點(diǎn)布置如圖7所示。

表2 125t張拉力下邊孔各片貝雷梁片應(yīng)力MPa

圖7 吊架測點(diǎn)位置布置

3.2.2 下放過程 中跨鋼桁梁下放前將其切割分為三段。中段鋼桁梁重約400t，采用四點(diǎn)起吊，每吊點(diǎn)承擔(dān)100t豎向荷載。因此吊架受力同靜載試驗(yàn)受到千斤頂100t張拉力基本相同。

4 應(yīng)力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析

4.1 監(jiān)控方案

根據(jù)現(xiàn)場施工情況，該橋中跨的主要監(jiān)控方案見表3。

表3 監(jiān)控方案

圖8 提升吊架控制點(diǎn)的應(yīng)力變化趨勢

表4 切割過程應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果

4.2 監(jiān)測結(jié)果與分析

中跨鋼桁梁的拆卸從早上1∶30時(shí)開始，至中午11∶45結(jié)束。拆卸過程中，應(yīng)力監(jiān)控儀器進(jìn)行了全程監(jiān)測，得出了各測點(diǎn)的應(yīng)力變化情況。

提升吊架各斜腹桿控制點(diǎn)的應(yīng)力變化見圖8，由圖8a可知，斜腹桿5、7的應(yīng)力變化趨勢大體一致，均為拉彎構(gòu)件；斜腹桿4、6的應(yīng)力變化趨勢大體一致，且受壓。在靜載試驗(yàn)階段1、2、3、4，各測點(diǎn)的應(yīng)力逐漸增加，且變化平穩(wěn)。施工階段5、7有動(dòng)力荷載及施工擾動(dòng)的因素，應(yīng)力值有所提高。圖8b看出弦桿和豎桿的受力也較平穩(wěn)，圖8中大部分測點(diǎn)的實(shí)測值小于理論值，兩者的應(yīng)力趨勢線吻合較好。下面分析各桿件應(yīng)力取極值的施工階段5，即切割中跨鋼桁梁上弦桿階段，各桿件的應(yīng)力值列于表4。其中截面編號(hào)為補(bǔ)1和補(bǔ)2是考慮貝雷梁本身由于日照溫差等影響有初始變形，為了盡可能減少其影響［5］，用施工過程中不受力的補(bǔ)償片做對照，應(yīng)力減去補(bǔ)償片應(yīng)力得到實(shí)測值。

表4中實(shí)測值和理論計(jì)算值的校驗(yàn)系數(shù)［6－7］約在0.7～1.3之間，兩者吻合良好，說明采用MIDAS Civil進(jìn)行仿真計(jì)算取得的結(jié)果具有合理性和準(zhǔn)確性。同時(shí)各桿件最大應(yīng)力在120MPa左右，遠(yuǎn)小于16Mn構(gòu)件的容許應(yīng)力，說明該橋施工過程安全。

隨后從切割完成到下放過程中應(yīng)力變化不大，而下放到位后所有桿件應(yīng)力出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，說明桁架已順利放至橋下鐵駁上，應(yīng)力監(jiān)控結(jié)束。

5 結(jié)束語

1）結(jié)合中跨鋼桁梁的靜載試驗(yàn)過程，對其進(jìn)行仿真計(jì)算，得出各工況下中跨及邊跨鋼桁梁的應(yīng)力和位移極值，結(jié)果表明千斤頂?shù)膹埨χ锌玟撹炝河行逗傻淖饔?，同時(shí)邊跨應(yīng)力及變形較小，故本次加載試驗(yàn)對中跨及邊跨鋼桁梁的應(yīng)力及變形不作監(jiān)控。

2）仿真分析了靜載試驗(yàn)中提升吊架的受力情況，綜合各工況得到了應(yīng)力最不利位置的7個(gè)桿件作為應(yīng)力監(jiān)控的實(shí)測點(diǎn)。加載試驗(yàn)各工況的應(yīng)力值發(fā)展平緩穩(wěn)定，說明靜載試驗(yàn)方案是安全、合理的。該結(jié)果對現(xiàn)場監(jiān)控有指導(dǎo)意義，實(shí)測值若出現(xiàn)突變，應(yīng)立即終止加載，分析并查明原因后繼續(xù)加載。

3）通過現(xiàn)場應(yīng)力監(jiān)測，得出施工過程中下放吊架各個(gè)重要構(gòu)件的應(yīng)力，應(yīng)力的大小和發(fā)展規(guī)律符合設(shè)計(jì)要求，且有一定安全儲(chǔ)備。因此該橋在施工過程中應(yīng)力狀態(tài)是安全合理的，符合規(guī)范要求。同時(shí)，將應(yīng)力的現(xiàn)場實(shí)測值和理論計(jì)算值進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)二者吻合良好，說明采用MIDAS Civil計(jì)算所得的理論值具有一定的準(zhǔn)確性和合理性

［1］ 邱式中.橋梁鋼結(jié)構(gòu)體系及施工技術(shù)（一）［J］.OVM通訊，2002（03）：27－31.

［2］ 向中富.橋梁施工控制技術(shù)［M］，北京：人民交通出版社，2001.

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［4］ 中鐵大橋勘察設(shè)計(jì)院有限公司.危橋搶修工程中跨鋼桁梁下放、浮運(yùn)、提升專項(xiàng)施工方案［Z］.中鐵大橋勘察設(shè)計(jì)院有限公司，2011.

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［6］ 顧安邦.橋梁施工監(jiān)測與控制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

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