CN115323918B - 一种大节段钢箱梁支座安装预偏量调整和计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种大节段钢箱梁支座安装预偏量调整和计算方法，包括：步骤S1：对大节段钢箱梁的支座及梁段进行编号；步骤S2：在有限元软件中建立大节段钢箱梁连续梁桥的三维空间梁正装模型，模拟纵向边界条件在不同工况的变化，并在有限元软件中对支座上下摆在各施工阶段的累计纵桥向位移进行求解；步骤S3：得到荷载效应影响支座预偏量步骤S4：只需考虑待计算工况后续的各阶段该支座的累计温度效应纵向位移，得到预偏量理论值步骤S5：预偏支座的偏移量大小Δij由荷载效应和温度效应分别对大节段钢箱梁支座预偏量的影响，得到最终的预偏支座的偏移量大小Δij。本发明方法能够通过预偏量来有效地使支座的安装满足精度要求。
Description
技术领域
本发明属于施工领域，尤其涉及一种大节段钢箱梁吊装施工的钢箱连续梁塔支座预偏量调整和计算方法。
背景技术
大节段多跨连续钢箱梁的固定支座一般设置于整联的中间跨位置，在固定支座安装前，各跨的纵向边界条件不停变换，钢箱梁在支座位置处由于荷载引起的位移量计算十分复杂。同时大节段梁体纵向跨度大，受温度影响的伸缩变化量明显，而大节段安装调位时的大气温度往往不同于设计温度，且在同一联不同跨安装时，气温还有可能因为天气原因发生剧烈变化。因此大节段钢箱梁施工过程中的支座预偏量控制是施工控制中的重难点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是解决大节段钢箱梁支座由于制造误差、结构体系转换以及温度效应等因素对大节段钢箱梁梁长的影响，而导致偏差的问题，提出了一套合理设置支座预偏量的方法，有效地使支座安装满足精度要求。
为实现本发明的目的，本发明提供的一种大节段钢箱梁吊装施工的钢箱连续桥桥塔支座预偏量调整和计算方法，其实现步骤如下：
步骤S1：对大节段钢箱梁一联中的支座及梁段进行编号；
步骤S2：在有限元软件中建立大节段钢箱梁连续梁桥的三维空间梁正装模型，模拟纵向边界条件在不同工况的变化，并在有限元软件中对支座上下摆在各施工阶段的累计纵桥向位移进行求解；
步骤S3：梁体顶、底板长度已经在钢箱梁制造过程中考虑了补偿与修正，因此大节段活动支座i在工况j所设置的上下摆预偏量为该支座从j+1工况起至成桥所累积错动量的相反数，即可得到荷载效应影响支座预偏量
步骤S4：同一支座在其安装后的各个工况也有其理论预偏量值，此时只需考虑待计算工况后续的各阶段该支座的累计温度效应纵向位移，即针对任意已安装的i#支座，其在任意j工况所对应的预偏量理论值统一表示为：
式中，为j工况下i支座考虑温度影响设置的支座预偏量；α为钢材线膨胀系数；i为支座编号；k为固定支座所属大节段编号；Lij为i支座中心与j-1工况的纵向位移约束点间的纵距；T0为设计基准温度；Tj为j工况时对应的梁体温度；Tk为固定支座所属大节段安装时的环境温度；
步骤S5：预偏支座的偏移量大小Δij由荷载效应和温度效应分别对大节段钢箱梁支座预偏量的影响，通过所述荷载效应影响支座预偏量和考虑温度影响设置的支座预偏量的预偏量理论值/>即可得到最终的预偏支座的偏移量大小Δij。
进一步改进在于，步骤S2中所述有限元软件为桥梁博士或Midas civil。
进一步改进在于，步骤S2中，一般在钢箱梁中性轴位置建立计算节点，并在计算节点上设置自由度约束以模拟实际的桥梁边界条件。这种边界处理方法将使固定支座处截面转角引起的活动支座的上下摆错动量为零，与实际位移不相一致。本发明选择对大节段钢箱梁的支座边界采用“刚臂+附属节点”的模拟方式，即在支座对应的梁单元节点处沿梁高方向建立长度为的刚臂，并对刚臂的端节点(附属节点)设置该支座相应的自由度约束。
进一步改进在于，所述的S2中，在固定支座对应的大节段安装前，为了防止已吊装调位的大节段在昼夜温差的作用下出现“爬梁”现象，通常会在已安装梁段架设方向远端的活动支座处设置临时纵向限位(临时千斤顶跟钢箱梁底板间放置粗糙阻尼橡胶垫)。由于临时纵向限位装置随着梁段架设，不断地向架设方向迁移，因此各工况计算时的边界条件也相应改变。
进一步改进在于，步骤S3中，所述荷载效应影响支座预偏量的公式为：
式中，为j工况下i支座考虑后续施工荷载所引起支座位移设置的支座预偏量，为i#支座上摆在j工况时的累计纵桥向位移；/>为i#支座上摆在成桥时的累计纵桥向位移，Xij为大节段活动支座i在工况j所设置的上下摆预偏量。
进一步改进在于，所述的步骤S4中，均匀温差效应对大节段支座预偏量的影响，既要考虑支座安装时的梁体温度与设计基准温度的差值，又要考虑支座安装工况对应的纵向约束位置。
进一步改进在于，步骤S2中所建立的模型是六跨一联大节段钢箱梁连续梁桥三维空间梁正装模型。
进一步改进在于，所述的S4中，其中最为复杂和特别注意的是，第一、二跨大节段钢箱梁对应的1#、2#、3#墩支座的安装需要在4#墩支座(固定支座)安装前完成，其支座预偏量的计算，需提前预测在固定支座安装前各支座工况(临时约束固定位置不断发生改变)对应时刻钢箱梁温度，计算在不同固定边界下均匀温差引起的钢箱梁底板长度变化。
进一步改进在于，所述的S4中，以1#墩处支座为例，从其处于桥位设计基准温度的假想状态开始，到其安装至成桥(设计基准温度)，该支座上摆由温度效应引起的纵向位移可分为四个阶段。由于1#大节段夜间(T1)安装调位时已发生，从1#大节段安装调位至成桥(设计基准温度)，温度效应累计纵向位移量为：/>若要保证1#支座成桥时(设计基准温度)支座上下摆完全对中(偏移量为零)，则1#墩对应的支座在其安装时(工况1)的理论支座预偏量应为后续三个阶段温度效应纵向位移和的相反数，即
其中，
式中，T0表示基准温度，T1表示吊装1#梁即工况1的温度，T2表示吊装2#梁即工况2的温度，T3表示吊装3梁即工况3的温度，表示1#梁在吊装1#的施工过程中温度效应影响的纵向位移量；/>表示1#梁在吊装2#的施工过程中温度效应影响的纵向位移量；/>表示1#梁在吊装3#的施工过程中温度效应影响的纵向位移量；/>表示1#梁在吊装4#的施工过程中温度效应影响的纵向位移量。
进一步改进在于，步骤S5中的预偏支座的偏移量大小Δij的计算公式为：
与现有技术相比，本发明至少能够实现以下有益效果：
本发明提出了多效应叠加法的支座预偏量计算理论，有效地使支座的安装满足精度要求，并应用在了工程大节段支座预偏量设置的实践中。此方法预偏量的目的是保证桥梁竣工成桥后在设计温度下，活动支座上下摆中心线能够对齐重合，一方面避免了连续梁桥活动支座在运营期间长期偏心受力使支座寿命下降，另一方面可使活动支座的纵向活动量具有较大安全系数的保证，使摩擦型抗震支座的摩擦耗能行程达到设计要求。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种大节段钢箱梁支座安装预偏量调整和计算方法工况中的支座预偏量示意图，图中，1.支座上摆；2.支座下摆；3.支座垫石；4.预偏支座；5.钢箱梁；
图2是本发明实施例提供的一种大节段钢箱梁支座安装预偏量调整和计算方法临时纵向限位示意图；
图3是本发明实施例提供的一种大节段钢箱梁支座安装预偏量调整和计算方法均匀温差效应对1#墩支座上、下摆错动量的影响图；
图4是本发明实施例提供的一种大节段钢箱梁支座安装预偏量调整和计算方法支座及梁段编号示意图；
图5是本发明实施例提供的一种大节段钢箱梁支座安装预偏量调整和计算方法有限元模型边界处理图；
图6是本发明实施例提供的一种大节段钢箱梁支座安装预偏量调整和计算方法计算步骤图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都是本发明保护的范围。
请参阅图1-6，本发明提供的一种大节段钢箱梁支座安装预偏量调整和计算方法，包括以下步骤：
步骤一、对大节段钢箱梁一联中的支座及梁段进行编号；
步骤二、在有限元软件中建立大节段钢箱梁连续梁桥的三维空间梁正装模型，模拟纵向边界条件在不同工况的复杂变化，并在有限元软件中对支座上下摆在各施工阶段的累计纵桥向位移进行求解；
在本发明的其中一些实施例中，采用通用桥梁计算有限元软件Midas civil来建立所述三维空间梁正装模型，可以理解的是，在其他实施例中，也可以采用其他软件如桥梁博士。
在本发明的其中一些实施例中，建立的三维空间梁正装模型是六跨一联大节段钢箱梁连续梁桥的三维空间梁正装模型，可以理解的是，在其他实施例中，建立的模型可以是其他跨联的连续梁桥。
步骤二中，现有技术一般在钢箱梁中性轴位置建立计算节点，并在计算节点上设置自由度约束以模拟实际的桥梁边界条件。这种边界处理方法将使固定支座处截面转角引起的活动支座的上下摆错动量为零，与实际位移不相一致。本发明中，请参阅图5，选择对大节段钢箱梁的支座边界采用“刚臂+附属节点”的模拟方式，即在支座对应的梁单元节点处沿梁高方向建立长度为h的刚臂，并对刚臂的端节点(附属节点)设置该支座相应的自由度约束如此设置，能够更加接近于实际情况，使得最终的计算结果更加精确。
所述步骤二中，在固定支座对应的大节段安装前，为了防止已吊装调位的大节段在昼夜温差的作用下出现“爬梁”现象，通常会在已安装梁段架设方向远端的活动支座处设置临时纵向限位(临时千斤顶跟钢箱梁底板间放置粗糙阻尼橡胶垫)。由于临时纵向限位装置随着梁段架设，不断地向架设方向迁移，因此各工况计算时的边界条件也相应改变。
步骤三、梁体顶、底板长度已经在钢箱梁制造过程中考虑了补偿与修正，因此大节段活动支座i在工况j所设置的上下摆预偏量为该支座从(j+1)工况起至成桥所累积错动量的相反数，所以荷载效应影响支座预偏量的公式为：
式中，为j工况下，i支座考虑后续施工荷载所引起支座位移设置的支座预偏量，/>为i#支座上摆在j工况时的累计纵桥向位移；/>为i#支座上摆在成桥时的累计纵桥向位移，Xij为大节段活动支座i在工况j所设置的上下摆预偏量。
步骤四、同一支座在其安装后的各个工况也有其理论预偏量值，此时只需考虑待计算工况后续的各阶段该支座的累计温度效应纵向位移。即针对任意已安装的i#支座，其在任意j工况所对应的预偏量理论值可统一表示为：
式中，j工况下，i支座考虑温度影响设置的支座预偏量；α：钢材线膨胀系数，1.2×10-5/℃；i：支座编号；j：j#大节段安装时的工况；k：固定支座所属大节段编号；Lij：i支座中心与(j-1)工况的纵向位移约束点间的纵距；T0：设计基准温度；Tj：j工况时对应的梁体温度；Tk：固定支座所属大节段安装时的环境温度，Lik为i支座中心与固定支座所属大节段的纵向位移约束点间的纵距。
所述步骤四中，均匀温差效应对大节段支座预偏量的影响，既要考虑支座安装时的梁体温度与设计基准温度的差值，又要考虑支座安装工况对应的纵向约束位置。
所述步骤四中，其中最为复杂和特别注意的是，在本发明的其中一些实施例中，第一、二跨大节段钢箱梁对应的1#、2#、3#墩支座的安装需要在4#墩支座(固定支座)安装前完成，其支座预偏量的计算，需提前预测在固定支座安装前各支座工况(临时约束固定位置不断发生改变)对应时刻钢箱梁温度，计算在不同固定边界下均匀温差引起的钢箱梁底板长度变化，如图3所示，通过图3中的相应公式可以计算出预偏量结果(即钢箱梁底板的长度变化)，可以在不同的施工阶段进行支座预偏量调整。
所述步骤四中，在本发明的其中一些实施例中，请参阅图3，以1#墩处支座为例，从其处于桥位设计基准温度的假想状态开始，到其安装至成桥(设计基准温度)，其支座上摆由温度效应引起的纵向位移可分为四个阶段。由于1#大节段夜间(T1)安装调位时已发生，从1#大节段安装调位至成桥(设计基准温度)，温度效应累计纵向位移量为：若要保证1#支座成桥时(设计基准温度)支座上下摆完全对中(偏移量为零)，则1#墩对应的支座在其安装时(工况1)的理论支座预偏量应为后续三个阶段温度效应纵向位移和的相反数，即
其中，
式中，T0表示基准温度，T1表示吊装1#梁(工况1)的温度，T2表示吊装2#梁(工况2)的温度，T3表示吊装3梁(工况3)的温度，表示1#梁在吊装1#的施工过程中温度效应影响的纵向位移量；/>表示1#梁在吊装2#的施工过程中温度效应影响的纵向位移量；/>表示1#梁在吊装3#的施工过程中温度效应影响的纵向位移量；/>表示1#梁在吊装4#的施工过程中温度效应影响的纵向位移量。
步骤五、预偏支座的偏移量大小由荷载效应和温度效应分别对大节段钢箱梁支座预偏量的影响，其表达式为：
式中，Δij：j工况下，i支座应当设置的预偏量；j工况下，i支座考虑温度影响设置的支座预偏量；/>j工况下，i支座考虑后续施工荷载所引起支座位移设置的支座预偏量。/>的上标T、P表明预偏量是分别是荷载和温度引起的。
预偏支座4的预偏量为荷载效应和均匀温差效应对支座预偏量之和，如图2所示，根据大节段钢箱梁吊装的施工方案，大节段活动支座i在工况j所设置的上下摆预偏量为该支座从(j+1)工况起至成桥所累积错动量的相反数，如图3所示，1#墩对应的支座在其安装时(工况1)的理论支座预偏量应为后续三个阶段温度效应纵向位移和的相反数，由此例子类似的，可将其余各支座上摆由均匀温差引起的纵向位移量进行分阶段分析并得到其预偏量设置值。
本发明实施例提供的方法能够对处理大节段钢箱梁支座由于制造误差、结构体系转换以及温度效应等因素对大节段钢箱梁梁长的影响导致的偏差，使支座安装满足精度要求，使大节段钢箱梁桥梁的结构更加稳定。
如上所述，便可实现本发明。
但是本发明并非限定于上述特定的实施例，在不超过权利要求书中请求的本发明的技术思想的范围内，本发明所属的技术领域的技术人员能够实施多种变形，上述变形实施应当不能脱离本发明的技术思想或前景进行解释。
Claims (10)
1.一种大节段钢箱梁支座安装预偏量调整和计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：对大节段钢箱梁中的支座及梁段进行编号；
步骤S2：在有限元软件中建立大节段钢箱梁连续梁桥的三维空间梁正装模型，模拟纵向边界条件在不同工况的变化，并在有限元软件中对支座上下摆在各施工阶段的累计纵桥向位移进行求解；
步骤S3：大节段活动支座i在工况j所设置的上下摆预偏量为该支座从j+1工况起至成桥所累积错动量的相反数，即可得到荷载效应影响支座预偏量
步骤S4：同一支座在其安装后的各个工况也有其理论预偏量值，此时只需考虑待计算工况后续的各阶段该支座的累计温度效应纵向位移，即针对任意已安装的i#支座，其在任意j工况所对应的预偏量理论值统一表示为：
式中，为j工况下i支座考虑温度影响设置的支座预偏量；α为钢材线膨胀系数；i为支座编号；k为固定支座所属大节段编号；Lij为i支座中心与j-1工况的纵向位移约束点间的纵距；T0为设计基准温度；Tj为j工况时对应的梁体温度；Tk为固定支座所属大节段安装时的环境温度；
步骤S5：预偏支座的偏移量大小Δij由荷载效应和温度效应分别对大节段钢箱梁支座预偏量的影响，通过所述荷载效应影响支座预偏量和考虑温度影响设置的支座预偏量的预偏量理论值/>即可得到最终的预偏支座的偏移量大小Δij。
2.根据权利要求1所述的一种大节段钢箱梁支座安装预偏量调整和计算方法，其特征在于，步骤S2中所述有限元软件为桥梁博士或Midas civil。
3.根据权利要求1所述的一种大节段钢箱梁支座安装预偏量调整和计算方法，其特征在于，步骤S2中在进行模拟时，对大节段钢箱梁的支座边界采用“刚臂+附属节点”的模拟方式，即在支座对应的梁单元节点处沿梁高方向建立长度为h的刚臂，并对刚臂的端节点设置该支座相应的自由度约束。
4.根据权利要求1所述的一种大节段钢箱梁支座安装预偏量调整和计算方法，其特征在于，步骤S2中，在固定支座对应的大节段安装前，会在已安装梁段架设方向远端的活动支座处设置临时纵向限位由于临时纵向限位装置随着梁段架设，不断地向架设方向迁移，因此各工况计算时的边界条件也相应改变，在有限元软件中模拟该边界条件在不同工况的变化。
5.根据权利要求1所述的一种大节段钢箱梁支座安装预偏量调整和计算方法，其特征在于，步骤S3中，所述荷载效应影响支座预偏量的公式为：
式中，为j工况下i支座考虑后续施工荷载所引起支座位移设置的支座预偏量，/>为i#支座上摆在j工况时的累计纵桥向位移；/>为i#支座上摆在成桥时的累计纵桥向位移，Xij为大节段活动支座i在工况j所设置的上下摆预偏量。
6.根据权利要求1所述的一种大节段钢箱梁支座安装预偏量调整和计算方法，其特征在于，步骤S4中，计算预偏量时，既要考虑支座安装时的梁体温度与设计基准温度的差值，又要考虑支座安装工况对应的纵向约束位置。
7.根据权利要求1所述的一种大节段钢箱梁支座安装预偏量调整和计算方法，其特征在于，步骤S2中所建立的模型是六跨一联大节段钢箱梁连续梁桥三维空间梁正装模型。
8.根据权利要求7所述的一种大节段钢箱梁支座安装预偏量调整和计算方法，其特征在于，第一、二跨大节段钢箱梁对应的1#、2#、3#墩支座的安装需要在4#墩支座即固定支座安装前完成，步骤S4中，1#、2#、3#墩支座预偏量的计算，需提前预测在固定支座安装前各支座工况对应时刻钢箱梁温度，计算在不同固定边界下均匀温差引起的钢箱梁底板长度变化。
9.根据权利要求7所述的一种大节段钢箱梁支座安装预偏量调整和计算方法，其特征在于，步骤S4中，以1#墩处支座为例，从其处于桥位设计基准温度的假想状态开始，到其安装至成桥，该支座上摆由温度效应引起的纵向位移分为四个阶段，由于1#大节段夜间安装调位时已发生，从1#大节段安装调位至成桥，温度效应累计纵向位移量为：若要保证1#支座成桥时支座上下摆完全对中，则1#墩对应的支座在其安装时的理论支座预偏量应为后续三个阶段温度效应纵向位移和/>的相反数，即
其中，
式中，T0表示基准温度，T1表示吊装1#梁即工况1的温度，T2表示吊装2#梁即工况2的温度，T3表示吊装3#梁即工况3的温度，表示1#梁在吊装1#的施工过程中温度效应影响的纵向位移量；/>表示1#梁在吊装2#梁的施工过程中温度效应影响的纵向位移量；/>表示1#梁在吊装3#梁的施工过程中温度效应影响的纵向位移量；/>表示1#梁在吊装4#梁的施工过程中温度效应影响的纵向位移量。
10.根据权利要求1-9任一所述的一种大节段钢箱梁支座安装预偏量调整和计算方法，其特征在于，步骤S5中的预偏支座的偏移量大小Δij的计算公式为：
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2022
- 2022-07-08 CN CN202210800918.9A patent/CN115323918B/zh active Active
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