斜拉桥钢箱梁施工过程有限元分析

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1、万方数据斜拉桥钢箱梁施工过程有限元分析熊彪，董科53熊彪1。董科2(1．中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北武汉430040；2．中交二航局第二工程有限公司，重庆400042)摘要：以厦漳跨海大桥主桥钢箱梁的架设过程为背景，通过对钢箱梁节段的有限元计算，优化了安装吊点，将原来的少点数、应力集中情况优化为多吊点、应力分散的良好架设安装状态；对钢箱梁吊装梁段的自振特性进行研究，以指导施工过程中使用具有振动现象的机械设备；分析计算桥面吊机附近瞬态工作最大应力，以掌握施工中最不利工作应力，确保安全施工。关t词：斜拉桥；钢箱粱；桥梁施工；有限元

2、法中图分类号：U448．27；U445．467文献标志码：A文章编号：1671—7767(2013)05—0053—051工程概况厦漳跨海大桥起于厦门海沧区青礁，横跨九龙江人海口，止于浮宫后宅处。全长9．7km，大桥主桥为主跨780m的5跨连续半飘浮体系双塔双索面斜拉桥(见图1)，其跨径布置为(95+230+780+230+95)m。厦门海沧430780漳州开』反【x．甲1、7：n1图l厦漳跨海大桥主桥立面布置示意钢箱梁含风嘴全宽38．0m，不含风嘴宽34．108m，中心线处高3．5m。主梁横断面构造如图2所示。斜拉桥主梁受力复杂，安装难

3、度大，考虑运输设备、起重能力、桥位自然条件及架设工期等因素，全桥钢箱梁划分为A～I共9种节段类型、99个梁段。其中A、B、C为桥塔区梁段，F为辅助墩墩顶梁段，H为过渡墩墩顶梁段，D、E为标准梁段，I为跨中合龙段，G为边跨压重段。其中标准梁段长15m，采用桥面吊机施工，最大起吊重量约300t；其余梁段采用浮吊安装施工，最大起吊重量约350t。本文通过有限元法对钢箱梁吊装过程中以及吊装完成后桥面吊机安装下一节段时对箱梁的冲击作用进行计算分析，为安全施工提供理论依据[1~6]。2静力分析边跨辅助墩墩顶的F类梁段为最重梁段，采用浮吊进行安装。一般

4、浮吊吊装钢箱梁采用桥面吊机安装时的支点，这样有利于结构加固的统一和标准化。但该桥钢箱梁节段桥面吊机支点横向间距达16．8m，安装时若采用该吊点，专用吊具的横向间距较大，不利于其自身重量的优化和成本控制，同时会导致钢箱梁弯矩增大，内、外两吊点受力不均程图2主梁横断面构造收稿日期：2013—06—18作者简介：熊彪(1964一)，男．高级工程师，1985年毕业于武汉理工大学工程机械设计与制造专业，工学学士(E-mail：xiongbia01964@163com)。万方数据54世界桥梁2013，41(5)度加剧，致使局部应力过大。并且间距过大会

5、使吊高过高，无法满足漳州港900t全回旋浮吊65m吊高要求。因此为了使吊点能满足施工设备的吊高要求，故需要对吊点布置进行优化。优化后吊点布置如图3中实心点所示(空心点为原吊点)，吊点横桥向间距8．5m。优化后浮吊安装F类梁段的实景如图4所示。／-B15号斜拉索p箱粱中心线＼T鋈

6、量l上◆季图4浮吊安装F类梁段建立的钢箱梁有限元计算模型如图5所示Ⅲ，有限元计算结果显示，吊点优化前钢箱梁吊装过程结构最大应力为125．2MPa，出现在箱梁隔板位置；优化后结构最大应力为101．5MPa。通过优化钢箱梁的结构，最大应力减小了18．9％，吊装安全性明

7、显提高，优化效果明显[8]。吊点优化前、后钢箱梁应力云图如图6所示。3模态分析3．1模态分析基本理论模态分析是用来确定结构振动特性的一种技术，通过分析可以得到结构的自振频率、振型和振型参与系数。模态分析的通用运动方程为：[M]{甜}+Ec3{u)+[K]{U)={F(￡))(1)式中，[M]为结构总质量矩阵；Ec3为结构总阻尼矩图5钢箱梁有限元计算模型————ti蒜i冀谶。萱嚣鞲蕊氍0．01446327．83355．65283．471111．28913．92441．74369．56l97．38125．199(a)优化前_。意麓糍。。J■—

8、_l麓0．02038722．57745．13367．68990．24511．29833．85556．41178．967101．523(b)优化后单位：MPa图6吊点优化前、后钢箱梁应力云图阵；[K]为结构总刚度矩阵；{“)、(u}、{五)分别为位移列阵、速度列阵、加速度列阵；{F(￡))为干扰力列阵。系统自由无阻尼自由振动微分方程为：[M]{若)+[K]{“}={0}。(2)求得其解的形式为：{“)一{A}e劬一‘，其中(A}一(3)万方数据斜拉桥钢箱粱施工过程有限元分析熊彪，董科55假定为谐运动：([K]一训：[M]){A}一{0}(4

9、)式(4)有非零解的条件是其系数行列式等于零。即：I[K]一训：[M]l一0(5)系统自由振动固有频率和主振型的求解问题就是求矩阵特征值山和特征向量{A}的问题∽]。3．2模态分析结果及分析利