基于逐段安裝線形的鋼箱梁制造尺寸計算研究

陳思銘，陳常松，顏東煌

(長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410114)

大跨度鋼箱梁斜拉橋一般采用分段懸臂拼裝施工，待拼裝梁段在懸吊狀態(tài)下與前一梁段精確匹配焊接，循環(huán)往復(fù)至全橋合龍。在懸臂拼裝施工過程中鋼箱梁的受力狀態(tài)不斷發(fā)生變化，鋼箱梁在制造階段、懸拼階段和成橋階段的線形并不一致，而焊縫寬度留給施工過程中的調(diào)整余量非常有限，在制造過程中若不考慮鋼箱梁不同階段下的尺寸差異，待拼裝梁段與前一梁段拼裝時需調(diào)整焊縫寬度，這種調(diào)整不可避免地會影響焊接質(zhì)量，從而影響主梁成橋線形。因此如何準(zhǔn)確控制鋼箱梁的制造線形，滿足梁段匹配拼接要求，使主梁成橋線形滿足設(shè)計線形要求，是當(dāng)今鋼箱梁制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。

隨著近年大量斜拉橋的修建，針對鋼箱梁懸臂拼裝施工提出了多種施工控制方法。無應(yīng)力狀態(tài)法的提出方便了鋼箱梁斜拉橋的施工控制工作。該文基于無應(yīng)力狀態(tài)理論提出由逐段安裝線形計算無應(yīng)力線形夾角和長度的方法，以嘉魚長江公路大橋為研究對象驗證該方法的實(shí)用性，并給出相應(yīng)的計算結(jié)果。

1 主梁的安裝線形

鋼箱梁的理想制造線形是一條連續(xù)光滑的曲線，而實(shí)際梁段制造采用以直代曲，分段制造。用分段直線近似曲線存在夾角α，夾角α為主梁制造無應(yīng)力夾角。制造線形的本質(zhì)是各梁段在無應(yīng)力狀態(tài)下的相互關(guān)系，懸臂拼裝的鋼箱梁在荷載作用下變形較大，制造線形與安裝線形不一致。安裝線形有兩種定義方式，第一種為節(jié)段懸拼中各節(jié)段吊裝時前段(自由端)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)連成的線形，由于各節(jié)段在不同工況下安裝，因此由前段節(jié)點(diǎn)連成的線形顯然是一條虛擬的線形；第二種為各種工況下，主梁各節(jié)點(diǎn)連成的線形，這條線形是實(shí)際存在的且不同工況下線形是不同的。第一種定義的安裝線形只有一條，第二種定義的安裝線形每個工況下有一條。

如圖1所示，梁段i安裝時，相鄰梁段i-1在荷載作用下發(fā)生了變形，此時梁段i-1的i端斷面產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角變形為θi，αi-1和αi分別為i-1梁段和i梁段與水平線的夾角。顯然，βi為制造線形中i-1梁段和i梁段間的夾角。若主梁制造時前后梁段間夾角為βi，i-1梁段和i梁段安裝時保證其與水平線夾角為αi-1和αi，則前后梁段可實(shí)現(xiàn)無縫拼接，后一梁段的定位標(biāo)高自然滿足施工控制要求。

圖1 梁段安裝線形示意圖

2 主梁制造線形計算

由上文可知，在主梁懸拼時考慮已拼裝梁段在荷載下的轉(zhuǎn)角位移θi的過程等同于將已拼裝梁段恢復(fù)成無應(yīng)力狀態(tài)，βi即可表示前后梁段間的無應(yīng)力狀態(tài)關(guān)系。梁段預(yù)拼無應(yīng)力夾角可通過施工全過程的分析結(jié)果求解，具體計算方法如下：

(1) 建立考慮施工全過程的全橋有限元分析模型，按照如圖2所示的操作流程迭代求解安裝線形。

圖2 安裝線形計算流程

(2) 獲得梁段安裝線形以及各階段節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的計算結(jié)果后，可通過式(1)～(4)計算無應(yīng)力夾角。

(1)

(2)

(3)

βi=θi+αi-1-αi

(4)

隨著斜拉索不斷張拉，鋼箱梁段所承受的軸向力由無到有、逐漸增大，梁段的軸向長度不斷減小，若不提前考慮對梁段長度的補(bǔ)償，則會對梁段里程定位造成影響。第n號梁段壓縮修正量可通過式(5)修正。

ΔLn=Δun-1-Δun

(5)

式中：Δun-1為n-1號梁段前端從n-1號梁段拼裝完成到成橋時的累計軸向位移值；Δun為n號梁段前端從n號梁段拼裝完成到成橋時的累計軸向位移值。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

嘉魚長江公路大橋為主跨920 m的空間雙索面非對稱混合梁斜拉橋，跨度組合為(70+85+72+73) m+920 m+(330+100) m，主橋北邊跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，中跨和南邊跨采用鋼箱梁。全橋鋼箱梁共劃分為15類，共97個梁段，標(biāo)準(zhǔn)梁段長15 m。主橋布置圖如圖3所示。

圖3 嘉魚長江公路大橋主橋布置圖(單位：m)

3.2 有限元模型的建立

嘉魚長江公路大橋施工全過程分析采用長沙理工大學(xué)開發(fā)的橋梁非線性分析軟件CSBC建立有限元分析模型，CSBC能夠按照無應(yīng)力索長施加索力，自動迭代主梁的安裝線形，迭代計算收斂后自動輸出結(jié)構(gòu)無應(yīng)力參數(shù)。全橋共劃分為706個單元，其中混凝土梁單元78個，鋼箱梁單元189個，兩端帶剛臂的懸鏈線斜拉索單元120個。

在施工全過程分析中主梁新單元的安裝主要有兩種方式：① 折線拼裝法，待安裝單元的前端節(jié)點(diǎn)隨著已安裝單元的前端節(jié)點(diǎn)平動，但不隨其轉(zhuǎn)動；② 切線拼裝法，待安裝單元的前端節(jié)點(diǎn)隨著已安裝單元的前端節(jié)點(diǎn)平動和轉(zhuǎn)動。

該文所述制造線形計算方法適用于主梁折線拼裝，為進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，采用切線拼裝法算得主梁制造尺寸數(shù)據(jù)。非線性分析軟件CSBC具有主梁單元折線拼裝的功能，迭代計算時主梁單元和自重按照施工過程逐階段安裝和施加；主梁單元切線拼裝是通過調(diào)整梁單元激活次序?qū)崿F(xiàn)，迭代計算時主梁單元(合龍段除外)一次安裝完成，主梁單元自重按照施工過程逐階段施加，相鄰單元之間自然滿足切線關(guān)系。

首輪迭代時以設(shè)計坐標(biāo)為初始迭代坐標(biāo)，根據(jù)設(shè)計成橋狀態(tài)計算所得的無應(yīng)力索長控制拉索張拉力，兩種拼裝迭代方式分別經(jīng)過8輪和10輪迭代計算后收斂，成橋線形與目標(biāo)線形誤差在允許范圍內(nèi)。

3.3 制造線形計算結(jié)果

圖4為兩種拼裝方式求解鋼箱梁制造線形的計算結(jié)果。

圖4 嘉魚長江公路大橋鋼箱梁制造線形

由圖4可知：① 制造線形與成橋線形相比存在差別，由于南北兩岸主梁懸臂長度不一致，主梁在正裝計算時成橋累計位移存在差異，因此制造線形在合龍口處出現(xiàn)一定程度的標(biāo)高突變；② 折線拼裝的處理方法與實(shí)際懸拼過程一致，能真實(shí)反映梁段的安裝狀態(tài)，因此制造線形較為平緩，大體接近設(shè)計成橋線形；③ 切線拼裝制造線形相對設(shè)計成橋線形存在較大差異，這是由于切線拼裝對誤差非常敏感，較小的誤差，尤其是轉(zhuǎn)角誤差，在懸拼過程中將急劇放大，從而導(dǎo)致制造線形與設(shè)計線形差別較大，中跨主梁制造線形出現(xiàn)跳躍。

3.4 制造尺寸計算結(jié)果

計算時程序提取相應(yīng)階段的主梁節(jié)點(diǎn)軸向位移，進(jìn)而計算梁段軸向壓縮補(bǔ)償量。兩種拼裝方式求解的補(bǔ)償量如圖5所示。

圖5 梁段軸向壓縮補(bǔ)償量

由梁段理論水平投影長度和軸向壓縮補(bǔ)償量可得梁段制造長度，該長度為節(jié)段梁頂面長度且已考慮鋼箱梁縱坡影響，制造長度見表1(限于篇幅，只列出主梁跨中部分結(jié)果。下同)。

提取相應(yīng)階段的節(jié)點(diǎn)位移，由式(1)～(4)計算求得主梁節(jié)段間的無應(yīng)力預(yù)拼夾角，根據(jù)夾角與設(shè)計中心梁高(3 800 mm)計算得到頂?shù)装蹇p寬差值。預(yù)拼無應(yīng)力夾角及縫寬差值見表2，夾角為正代表接縫朝下張口，縫寬差值為正表示拼接縫下緣間隙大。

表1 主梁制造長度

表2 預(yù)拼夾角及縫寬差值

由表1、2可知：兩種拼裝迭代方式求解的主梁制造長度差異非常小，預(yù)拼夾角及縫寬差值僅在合龍段出現(xiàn)較大差異，切線拼裝的縫寬差值達(dá)182.122 mm，在實(shí)際拼裝焊接中縫寬差值過大會加大焊接難度，影響焊接質(zhì)量，甚至出現(xiàn)無法焊接的情況。

4 結(jié)語

根據(jù)斜拉橋主梁安裝線形推導(dǎo)無應(yīng)力線形的計算公式，確定了嘉魚長江公路大橋鋼箱梁制造尺寸的計算方法?；趦煞N主梁拼裝方式進(jìn)行施工階段分析，結(jié)果證明采用該文方法進(jìn)行折線拼裝計算可精確高效求解鋼箱梁制造尺寸。該文方法在嘉魚長江公路大橋上的順利應(yīng)用，驗證了該方法的實(shí)用性。