2019人行桥钢箱梁吊装施工分析报告

2人行桥钢箱梁吊装施工分析5432人行桥施工概述1CONTENTS目录钢箱梁吊装施工计算要点临时支架计算建模要点m

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吊耳细部分析m

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建模要点54 临时支架计算建模要点32人行桥施工概述1CONTENTS目录钢箱梁吊装施工计算要点m

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建模要点人行桥施工的主要形式人行桥施工大致流程人行桥施工过程需要计算的内容钢桁架吊装计算模型钢箱梁吊装——索单元钢箱梁吊装——体系模型钢箱梁吊装模型建立钢箱梁吊装模型结果满堂支架建模计算要点吊耳细部分析有限元实体模型建立吊耳细部分析有限元实体模型结果01

人行桥施工概述人行桥在繁华的现代化都市里，人行桥星罗棋布在街头，提供了便捷安全的出行选择，美化市民的出行环境，提升市民生活的幸福感。人行桥桥，水梁也。从木，乔声。是智慧之美，力学之美；有时成为了一个城市的地标，有时也承载了一代人的回忆。人行桥1969年渭河大桥设计图纸钢箱梁分条吊装施工桥梁检测人行桥施工概况钢桁架桥吊装建立结构模型、施加边界条件、查看分析结果。进行强度、刚度、稳定性及应力分析吊索对称布置铰接于上部吊点，共节点刚接于桁架。调索与上弦杆按《吊装施工安全手册》大致呈45°布置。吊索用索单元或桁架单元模拟均可。吊点布置于腹杆和上弦杆交点位置。仅考虑自重荷载，并考虑0.3的冲击系数。索单元基础①②①外荷载 系杆 主拱 基础②外荷载 斜拉索

主塔 基础③

外荷载 吊杆 主缆③④

梁段自重地锚式自锚式吊耳 吊索

吊臂④索结构：承受传来的由荷载引起的巨大拉力，再逐步传递到基础和地基。m

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中的柔性索桁架单元：只传递轴向的拉力和压力；不考虑几何刚度的变化。只受拉桁架单元：只传递轴向的拉力；不考虑几何刚度的变化。索单元：只传递轴向的拉力；考虑几何刚度的变化。线性分析：等效桁架单元，弹性刚度+垂度刚度非线性分析:柔度矩阵 刚度矩阵（按平衡方程迭代得精确刚度）索单元索单元：只传递轴向的拉力；考虑几何刚度的变化。小位移：不考虑几何刚度的变化。大位移：考虑几何刚度的变化。说简单点：P=

10KNP=

10KN下挠有何区别？说复杂点：核心理论：应力刚化（任何物体受拉刚度增大、受压刚度减小）几何刚度矩阵[𝐾G]：表示结构在变形状态下的刚度变化，与施加的荷载有直接关系。应力刚化对于梁杆体系而言，实际上就是P-delta效应。[𝐾]{U}+[𝐾G]{U}={P}G[𝐾+λ𝐾

]{u}={P}[𝐾𝑒𝑞]=[𝐾+

λ𝐾G]弹性刚度矩阵[K]结构的位移{U}

作用在结构上的荷载{P}说实际点：从比较熟悉的概念开始

——

压杆稳定几何刚度① ② ③①

仅在10KN竖向荷载作用下，结构仅产生竖向位移。小位移:(不考虑剪切变形)②仅在10KN横向荷载作用下，结构仅产生横向位移。③在10KN横向荷载和10KN竖向荷载共同作用下，结构产生横向位移和竖向位移，两者互不干涉。∆ℎ𝑥

= =10

∗𝐹𝑥𝑙3 1033𝐸𝐼 3∗2.06∗108∗5.208∗

10−3=

3.107𝑚𝑚∆𝑠𝑥= =

−𝐹𝑧 10𝐸𝐴 2.06∗108∗

0.25=1.94∗10−3𝑚𝑚P-delta效应 竖向荷载P作用下，使结构发生更大侧移值且引起结构内部产生附加内力 应力刚化 几何刚度的变化受压刚度减小 位移增大[𝐾+

λ𝐾G]{u}={P}初始单元内力：考虑小位移计算几何刚度，没有内力的实际作用。考虑

P-delta效应，此时横向的位移不再是3.107mm，竖向荷载和横向荷载产生了相互影响。几何非线性小位移：不考虑几何刚度的变化。P-delta或初始单元内力考虑几何刚度的影响。大位移：考虑几何刚度的变化。非线性分析反复迭代平衡方程得到精确解。线性分析：𝑥=

−686.511𝑚𝑚非线性分析：𝑥=

−655.341𝑚通过二分法，得到荷载1000KN产生的位移。《桥梁荟2021一季刊——浅谈结构非线性》吊装分析中的索几何非线性迭代：内力变形刚度内力变形

刚度收敛内力引起几何刚度的变化。不同施工阶段内力的变化对结构无应力状态的改变吊装分析模型：施工阶段较为简单或可忽略，仅考虑竖向荷载自重对结构的影响。对于计算结果（拉索内力）的精度没有要求。故可不考虑几何非线性，考虑小位移分析即可。问：吊装分析施工阶段如何考虑？是否应该考虑风荷载对悬吊状态的影响？拉索使用桁架单元或索单元均可。此处需要注意的是：当进行线性分析的时候，索单元仅具有轴向刚度，程序会因为结构为几何可变体系而报错。钢箱梁分析模型：整体模型体系模型吊索对称布置铰接于上部吊点，共节点刚接于桁架。调索与上弦杆按《吊装施工安全手册》大致呈45°布置。吊索用索单元或桁架单元模拟均可。吊点布置于腹杆和上弦杆交点位置。仅考虑自重荷载，并考虑0.3的冲击系数。02钢箱梁吊装施工模型计算要点钢箱梁钢箱梁：钢箱梁一般有顶底板、腹板、横隔板、纵横向加劲肋组成，形成一个封闭的箱型截面。顶板由盖板和加劲肋构成正交异性桥面板优点：抗弯和抗扭刚度大自重小、跨越能力强钢材的拉压性能一致梁高小，适用于高度受限的桥梁现场安装、施工迅速、外形美观缺点：薄壁结构受力复杂受压构件的屈曲问题疲劳问题腐蚀问题造价较高分析方法：整体方法：通过有限元分析，建立全桥模型。优点：计算结果详细，全面缺点：花时间分体系计算：将计算分为三个体系分别进行计算后综合考虑。优点：传力明确，较为快捷缺点：一定的简化处理，边界条件的处理。整体模型和体系模型体系模型整体模型VS顶板最大Von-mises有效应力𝜎𝑡𝑥=2.30Mpa 𝜎𝑧𝑡

=2.21Mpa最大竖向位移𝑢𝑡𝑥=-3.318mm𝑢𝑧𝑡=-2.50mm拉索内力𝐹𝑡𝑥=76.6KN 𝐹𝑡𝑥=77.0KN差异不大钢箱梁的传力途径钢箱梁的传力途径：荷载作用在桥面板上顶板 顶板的纵向加劲肋顶板纵向加劲肋 横隔板横隔板 腹板腹板 纵向传递钢箱梁体系分析第一体系：（主梁体系）顶板和顶板纵向加劲肋组成的结构系看成是主梁的一个组成部分，参与主梁共同受力，有效宽度范围内的加劲肋看作主梁截面中的一部分，按照一般梁结构内力计算。第二体系：（桥面体系）由纵向加劲肋、横向加劲肋和顶板组成的结构系，顶板看成纵横肋上翼缘的一部分。起到了桥面系结构的作用，它是连续的正交异性板，纵桥向为纵向加劲肋刚度，横桥向为盖板刚度。第三体系：（面板体系）本结构系把设置在肋上的顶板看成是各向同性的连续版，荷载作用在肋间并传递到加劲肋上，当顶板上的荷载逐渐加大时，顶板的弯曲心力逐步进入薄膜应力状态，平板的承载力变得比用梁弯曲理论计算的结果大得多，故不控制设计。强度计算：桥面板：第一体系+第二体系腹板、底板：第一体系疲劳计算：桥面板：第一体系+第二体系&第三体系腹板、底板：第一体系体系分析模型建立第一体系模型：第二体系模型：根据初等梁理论建立有限元分析模型，加劲板计入主梁刚度的一部分，考虑剪力滞效应&局部稳定计算有效宽度。等效格子梁法：板梁体系：用等效梁格体系代表正交异性桥面板，每根纵肋和横肋横隔板用梁单元模拟。梁段腹板位置采用一般支承方式，消除第一体系内力影响。与等效格子梁法思路基本一致，等效梁格代表正交异性桥面板，用板单元模拟刚桥面板。此法较等效格子梁法优势在于不需要计算剪力滞效应引起的有效宽度。简化单梁法：对单根纵向加劲肋进行建模计算，将有效宽度范围的部位作为单梁截面，采用横向分布理论进行移动荷载的加载。钢箱梁设计桥面板强度计算：桥面板应力=第一体系应力+第二体系应力钢箱梁吊装桥面板强度计算？钢箱梁吊装吊耳由对拉螺栓和垫片于顶板连接梁段为内力平衡状态：拉索索力之和

=

梁段自重，不关注整体受力状态。吊点对称布置，为避免板件的局部破坏和失稳，布置于腹板位置的顶板，纵向一般在横肋或横隔板的位置吊耳实际上仅于顶板相连选择钢箱梁第二体系建立吊装模型计算桥面板强度：03吊装分析建模要点人行桥工程概况吊装施工规范钢箱梁吊装方案STEP

1：确定钢箱梁吊装的梁段，及吊装的方案。确定梁段的划分，一般钢箱梁均为超限运输。从方便运输（特别人行桥施工拖车需要在市区频繁经过）方便吊装（先大致根据经验）的角度确定节段，不宜过长。《超限运输车辆行驶公路管理规定》本例以4@1500mm为一个吊装施工梁段钢箱梁主流施工方法桥梁的建设类型跨度和宽度施工现场的自然环境（交通、地形）桥梁设计方案施工人员技术水平施工设备施工周期、造价费

用 分条安装法整体吊装法拖拉滑移法缆索吊装法顶推法悬臂架设法转体施工法钢箱梁吊装方案STEP

2：确定需要的吊装高度、重量，确定起重机的型号和性能梁段及钢索（不包括其他索具）重量之和

≈

20t吊点对称布置，为避免板件的局部破坏和失稳，布置于腹板位置的顶板，纵向一般在横肋或横隔板的位置STEP

3：确定吊索布置的位置及与构件的水平夹角《JGJ276-2012

建筑施工起重吊装安全技术规范》拟布置上部吊点高度距顶板1500mm，勾股计算索长2454.63mm，与顶板夹角arcsin(1500/2454.63)=37.67°，不符合要求。布置上部吊点高度距顶板1800mm，勾股计算索长2648.27mm，与顶板夹角arcsin(1800/2648.27)=42.82°，不符合要求。3.

布置上部吊点高度距顶板2000mm，勾股计算索长2788.41mm，与顶板夹角arcsin(2000/2788.41)=45.83°，符合要求。20002788.4145.83°钢箱梁吊装方案STEP

4：建立有限元吊装分析模型等效格子梁法（板梁体系）1.

按照纵肋及横隔板中心线位置建立等效梁格（直接建立节点或Autocad

dxf导入）①①正交异性桥面板计算用板单元模拟桥面板，梁单元模拟纵肋、横隔板、悬臂板2.

材料、截面①①工型截面，顶底板厚度取钢箱梁顶底板厚，纵向板宽取②③②悬臂隔板使用工型变截面，注意此处需要修改单元局部坐标轴。③板肋用矩形截面即可。钢箱梁吊装方案3.

拉索布置①横向吊点布置于腹板位置添加“自重”静力荷载工况，计算后查询荷载统计表格得到模型结构自重。4.

边界条件①②③①

顶部吊点为铰接一般支承，约束自由度dx,dy,dz②向上复制节点出吊耳高度，并用刚性连接连接拉索底部节点（主节点），及吊耳于桥面板螺栓连接的区域（从节点）①②③③线性分析中索单元仅具有轴向刚度，未防止可变体系报错，设置很弱的水平向约束。5.

自重荷载①①②

横向吊点布置于腹板位置③

拉索用索单元模拟（初拉力为0）②②187.83/81.08=2.316实际梁段自重/模型自重，修改自重计算系数。6.

静力风荷载《JGJ276-2012

建筑施工起重吊装安全技术规范》考虑用六级风计算极限风荷载影响④拟布置上部吊点高度距顶板2000mm，索长2788.41mm，与顶板夹角45.83°④STEP

4：建立有限元吊装分析模型钢箱梁吊装方案6.

静力风荷载U𝑑=𝑘𝑓（𝑍/10）𝛼0𝑈𝑠10=1.02

∗6100.3∗26.3=

23.01𝐵𝐻𝐶𝐻=2.1

−

0.1 =2.1−

0.13.981=

1.702𝐷=

1𝑚12𝑔 𝑔 𝐻2 21𝐹

= ∗𝜌∗𝑈∗𝐶∗

𝐷

= ∗1.25∗23.012∗1.702

∗=

563.213N/m①①实际作用于边腹板，第二体系模型没有建立出腹板，水平向加载在梁单元上即可。STEP

4：建立有限元吊装分析模型钢箱梁吊装方案6.

施工阶段分析①①施工阶段模拟受力过程，施工阶段一为静力悬吊状态（自重），施工阶段二为静力风荷载作用状态。②②选择施工阶段“非线性分析”，即考虑迭代计算结构几何刚度变化的大位移分析。7.

查看分析计算结果①最不利状态1：起吊状态，考虑0.3的冲击系数。②最不利状态2：风荷载作用状态。①①钢丝绳强度计算：考虑最不利状态1（起吊状态）《JGJ276-2012

建筑施工起重吊装安全技术规范》[𝐹𝑧]

=

85𝐾𝑁 𝐹𝑧=85∗8=

680𝐾𝑁②②取新旧绳平均值K=88.

查看分析计算结果

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钢丝绳强度STEP

4：建立有限元吊装分析模型钢箱梁吊装方案查钢丝绳技术表选用标准钢丝绳，本例考虑选择6*37，抗拉强度1550Mpa,直径34.5mm的钢丝绳。8.

查看分析计算结果

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钢丝绳强度9.

查看分析计算结果

–

桥面板强度桥面板强度计算考虑最不利状态1起吊状态，考虑0.3冲击系数。①①𝜎𝑚𝑎𝑥=4.38𝑀𝑝𝑎≪

345𝑀𝑝𝑎②②Von-mises应力，考虑第四强度理论（偏经济考虑），用形状改变能定义材料屈服。或考虑第一强度理论，取最大拉应力对比容许拉应力295mpa。③③《TB

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铁路桥梁钢结构设计规范》STEP

4：建立有限元吊装分析模型钢箱梁吊装方案10.

查看分析计算结果

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静力风荷载①六级风荷载作用下横风影响最大位移为77.104mm，纵风影响最大位移为25.339mm，从施工安全角度分析①①①满堂支架稳定性分析STEP

4：建立有限元吊装分析模型STEP

5：临时支架方案设计钢箱梁吊装方案动力风荷载04临时支架模型计算要点满堂支架稳定性STEP

5：临时支架方案设计竹胶板方木槽钢脚手架详细该部分内容建模详见

dp平台或b站要点1：模拟横杆和竖杆间的连接。--释放梁端约束工程经验值，保留30%的梁端弯矩选中横梁，对横梁两端进行释放《JGJ300-2013》要点2：剪刀撑与横杆无传力作用--交叉分割STEP

5：临时支架方案设计扣件式剪刀撑仅与竖杆交叉分割，仅在剪刀撑和竖杆间有传力作用，符合实际。要点3：搭接的模拟方式竹胶板方木槽钢横杆竖杆①②此处需注意坐标系为弹性连接局部坐标系，搭接需给予竖向（局部x方向）刚度1E6

KN/m，平动向1E5

KN/m①②为避免结构为可变体系，给与局部方向限制单元自扭的一个较弱的刚度1E2

KN/m满堂支架稳定性STEP

6：吊耳计算在起吊过程中，由于圣维南效应，大部分应力仅会集中于吊绳于钢桥面板的连接位置——即吊耳。因此吊耳承压面上的应力分布相对复杂，吊耳的强度直接关系到运输和起吊的安全，目前还没有规范的强度计算方法，因此采用理论算法和强度理论计算。老方法：新方法：FEA

NX隆重有请满堂支架稳定性05吊耳细部分析吊耳细部分析STEP

6：吊耳有限元实体模型2.坐标系与工作平面注意！：在以2-D线框导入DXF文件时，是以工作平面坐标系为标准的。1.Autocad

处理图纸STEP

6：吊耳有限元实体模型3.导入dxf

2D线条文件①选择X-Z工作平面导入，考虑习惯上竖向为Z方向①4.生成平面①选择封闭线条生成曲面①5.分割平面①②①吊耳孔洞加厚，中间的隔板和吊耳孔洞厚度不一致，故需要分离截面。选择外径线为目标曲线②选择内径线为辅助线吊耳细部分析STEP

6：吊耳有限元实体模型6.扩展平面至实体①选择扩展方向，此处需要做两次，往两侧各扩展45mm。①②②勾选生成实体。7.扩展平面至实体①依次对每个部件用相同的操作进行生成面-扩展-生成实体①②②按前面步骤的方式导入加劲板dxf

2D线性，注意此处需重新选择工作平面，之后生成面-扩展-生成实体。吊耳细部分析STEP

6：吊耳有限元实体模型8.印刻连接相当于实体间的加减1、选择印刻的主体2、选择辅助形状3、选择印刻方向，或按照最短距离在划分网