大型钢套箱施工过程受力分析

第１０卷第３０期２０１０年１０月　１６７ｌ一１８１５（２０１０）３０－７５８６－０３　科学技术与工程　Ｖ０１．１Ｏ　Ｎｏ．３０　０ｃｔ．２０１０　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｎ￣ｎｅｅｆｉｎｇ　⑥２０１０　Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｎｇ．　交通运输　大型钢套箱施工过程受力分析　刘明慧　罗　霞颜全胜　（华南理工大学土木与交通学院，广州５１０６４０）　摘要　为验算某大型桥梁深水承台施工过程中，其大型钢套箱受力是否符合安全要求。利用有限元程序ＡＮＳＹＳ对其各工　况进行分析计算，其中为准确模拟套箱侧板验算时的边界条件。采用受压杆单元模拟套箱内侧板与封底混凝土间的止水橡　胶层。结果表明钢套箱在各工况中受力符合安全要求，为工程施工提供参考依据。　关键词钢套箱　受力分析　有限元　中图法分类号　Ｕ４４３．２；　文献标志码Ｂ　随着社会发展、交通运输需求量增大以及　侧模板。　桥梁建设水平的提高，越来越多跨江河、海峡的深　水大跨度桥梁出现，而保护深水承台的钢套箱　也越发显示其重要的作用。在过去有不少人对钢　套箱的施工过程作仿真和验算分析＿】　Ｊ，但对套　箱的边界条件都考虑得不够全面。本文对某桥承　台围堰整个施工流程作受力验算分析，在数值模　拟过程中，为更接近实际的边界条件，本文以受压　杆单元模拟内侧板与封底混凝土之间的止水　橡胶。　１工程概况　图１　主墩承台套箱防撞布置平面图（单位：ｃｍ）　某大型桥梁主墩基础位于水中，考虑到该结　构所在水道过往船只较多且吨位较大，在主墩承　２施工工况　台外侧设计套箱作为主要防撞设施。防撞套箱设　计考虑套箱侧板与承台施工模板相结合，采用双　钢套箱施工顺序分为四步：１）顶层底板下放，　壁钢套箱，由内、外围壁、上甲板、平台甲板、护弦　调平；２）套箱与底层顶板下放并与顶层底板连接，　等板架构件组成。防撞套箱总长４３．８　ｍ、总宽　整体下放；３）套箱安装好后浇注１．２　ｍ的第一层　３１．２　ｍ、高９ｍ，套箱宽度２．４＿２．８　ｍ。分块间采　水下封底混凝土；４）第一层混凝土达到强度后，抽　用螺栓连接方式连接。套箱与底板构成承台施工　水，浇注第二层混凝土。套箱及底板采用千斤顶　的挡水结构物。同时底板也是封底混凝土的控制　＋精轧螺纹钢的承重体系进行下放，吊点根据施　面（底模），侧板内壁则作为封底及承台混凝土的　工工况的转变分三批进行布设：底板下放布置ｌ２　个吊点，布置在顶层底板上；套箱及底板整体下放　２０１０年８月６日收到，８月１８日修改　通过在接高护筒上布置的吊挂装置及８个２５０　ｔ　３０期　刘明慧，等：大型钢套箱施工过程受力分析　７５８７　连续千斤顶实现；浇注第一次封底混凝土布置８４　个吊点。　根据施工工况，确定要验算的最不利工况如　表１。　表１　围堰计算工况　表１中抽水后套箱侧板验算的工况分别由静水　压力，流水压力和波浪力组成，套箱外侧水面和内　则封底混凝土表明高度差为４．８　１ＴＩ的水头差，水流　速度取桥位２０年一遇平均最大流速１．２３　ｍ／ｓ，波浪　力取２０年一遇最大波高Ｈ＝１．０　ｍ，平均周期为　＝４．９　Ｓ。其中为简化计算，流水压力和波浪力按均　布荷载布置。　３材料受荷性能　根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》Ｊｒｒ．１　０２５—８６的规定　，临时性结构容许应力乘以提高　系数１．３的情况下取Ａ３钢的轴向压力［　］＝１８２　ＭＰａ，弯曲应力［ｏｒｗ］＝１８８　ＭＰａ，剪应力［　］＝　１１０　ＭＰａ。　４计算模型　为模拟施工过程中钢套箱的受力情况，现采用　大型通用有限元程序ＡＮＳＹＳ进行模拟分析。套箱　模型全部采用ｓｈｅｌｌ６３壳体单元，单元尺寸为３００　ｍｍ　Ｘ　３００　ｍｍ。底板模型采用可自定义截面的　ｂｅａｍ１８８梁单元，吊索采用ｌｉｎｋｌ０索单元。套箱吊　耳细部分析采用ｓｏｌｉｄ４５实体单元。　套箱与底板整体下放过程中，底板通过布置在　套箱顶的反吊梁利用精轧螺纹钢吊带进行悬挂承　重，整个装置（底板与套箱）靠８根悬挂在套箱吊耳　上的吊索承重。此过程中，底板与套箱分开验算，　算得底板吊索索力后再以均布线荷载形式加于套　箱上，算得套箱吊索索力后，再以面载形式加于套　箱吊耳上，验算吊耳应力。　浇注第一层封底混凝土后，转换承重体系，放　松套箱吊索，整个围堰靠８４根连在底板上的吊索承　重，此时套箱作用在底板上。套箱与封底混凝土重　量以均布线荷载形式加在底板上。　套箱侧板验算模型中，为准确模拟套箱边界　条件，采用ｌｉｎｋ１０单元模拟套箱与混凝土之间的　止水橡胶，套箱底层底板约束竖向自由度。套箱　外则有沿竖向梯度变化的静水压力、流水力和波　浪力作用。　５结果与分析　通过对钢套箱进行三维有限元仿真分析，得到　各工况结果如下：　１）围堰整体下放过程中，底板龙骨最大竖向位　移为６．４（３ｍ，位于底板跨中；最大应力为５５　ＭＰａ。　符合安全要求。　２）通过上述计算可知套箱吊索最大索力为　１００　ｔ。以此索力加到套箱吊耳上，可得吊耳最大应　力为６２．８　ＭＰａ，符合要求，最大值位于吊环两侧，如　图２所示。　０　２５　　２０　．＿８’１４　３～７６　０。２一　５＿４．．．３９１　－４．３６９　ｌ２．４１９　２９．２０８　４５．９９７　６２．７８５　图２吊耳应力图（ＭＰａ）　７５８８　科学技术与工程　１０卷　３）浇注封底混凝土后，底板龙骨最大位移为　３．３　ｃｎｌ，位于顶层底板边缘，如图３所示；最大应力　为１００．６　ＭＰａ，符合安全要求。　４）如图４、图５所示，套箱侧板在最不利荷载作　用下最大应力为８５．４　ＭＰａ，最大位移１．２５　ｃｍ，符合　安全要求。　———■瞳臻爨舞禽麟黼孵辫黼糯躺酾鹈鞣■■■——Ｅ§　…　０　■■■■　３３．６３７　－２７．６ｌ５　—２１．５９３　１５．５７１　—９．５５　－３０．６２６　－２４．６０４　—１８．５８２　—１２．５６１　—６．５３９　６结语　图３浇注封底混凝土后底板位移图（ｍｍ）　本文通过对钢套箱和底板的三维有限元仿真　分析，其中套箱侧板验算采用受压杆单元代替位移　约束模拟内侧板与混凝土之间的止水橡胶，所得结　果更符合实际情况。结果得出钢套箱在施工过程　中最不利荷载作用下应力与位移都能保持在安全　状态下，验证了钢套箱设计与施工的合理性和安全　，■■■■释赣壤糯黼麟鞲　旗髓饕镱鞲龋确■■■■　…ｔ　蔫囊ｔ■Ｉ　ｌ２５　８８２　１９．０６４　３８．００３　５６．９４２　７５．８８　性，对施工具有指导意义。另外，为得到钢套箱在　９．５９５　２８．５３４　４７　４７２　６６．４ｌ　１　８５．３５　侧压下对封底混凝土的作用，今后可尝试模拟套箱　图４套箱等效应力图（ＭＰａ）　与混凝土的接触问题。　参考文献　１　贺新文，彭力军．深水承台钢套箱结构设计与施工计算．中外公　路，２００４；（５）：４６—５０　２吴锋，方炫强．闵浦二桥大型承台钢套箱施工过程受力分析．　公路，２０１０；（５）：２７—３０　——■■脚黼翩糖霸蹦黪艨鼎嬲嬲　鼎■■■■　＿　．　囊蔫■■薯　３刘树爱．基于ＡＮＹＳＹＳ的钢筋混凝土套箱围堰仿真分析及建模　０　２．７８２　５．５６４　８．３４６　１１．１２８　ｌ＿３９１　４．１７３　６．９５５　９．７３７　１２．５１９　方法．铁道工程学报，２００８；（１１）：３５—３８　４《公路桥涵钢结构及木结构设计规范）｝ＪＴＪ　Ｏ２５—８６　图５套箱位移图（ｆｉｌｍ）　Ｓｔｒｅｓｓ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　ｆｏｒ　Ｓｔｅｅｌ　Ｂｏｘ　Ｃｏｆｆｅｒｄａｍ　ＬＩＵ　Ｍｉｎｇ—ｈｕｉ，ＬＵＯ　Ｘｉａ，ＹＡＮ　Ｑｕａｎ—ｓｈｅｎｇ　（Ｓｐｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１０６４０，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅ　ｃｏｆｆｅｒｄａｍ　ｗａｓ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ＡＮＳＹＳ，ｔｈｅ　ｇｅｎｅｒａｌ　ＦＥ　ｐｒｏｇｒａｍ，ｔｏ　ｖｅｒｉｆｙ　ｗｈｅｔｈｅｒ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｆｕｌｆｉｌｌｓ　ｔｈｅ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｆｏｒ　ｍｏｒｅ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ　ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ，ｔｈｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ　ｌｉｎｋ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｒｕｂｂｅｒ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｉｎｎｅｒ　ｐｌａｔｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ｓａｆｅ　ａｎｄ　ｉｔ　ｃａｎ　ｂｅ　ａｖａｉｌａｂｌｅ　ｆｏｒ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．　［Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］　ｓｔｅｅｌ　ｂｏｘ　ｃｏｆｆｅｒｄａｍ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ＦＥＭ