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装配式组合钢箱梁对提高桥梁施工效率的影响研究

2024-06-25 11 上传者：管理员

摘要：随着经济的发展和交通需求的增加，桥梁建设变得越来越重要。传统的桥梁施工方法往往需要较长的施工周期和大量的人力物力投入。然而，装配式组合钢箱梁的引入为桥梁施工带来了革命性的变化。文章首先介绍了装配式组合钢箱梁桥的施工工艺，接着分析施工阶段单梁静载的影响，最后运用引入松弛系数的满应力齿行法优化求取最大约束值和整体偏移。

关键词：
单梁静载
松弛系数
桥梁施工
满应力齿行法
装配式组合钢箱梁
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装配式组合钢箱梁技术的应用是桥梁工程领域的一项重大突破，为提高施工效率和工程质量带来了全新的可能性。这项技术的关键在于将工厂化生产与现场装配相结合，从而在保证质量的前提下大幅缩短了施工周期，降低了施工成本，并且更加环保高效。具体来说，装配式组合钢箱梁的应用涉及以下几个方面的优势：工厂预制化生产：预制化生产的优势在于能够在受控的工厂环境下进行，避免了受天气等因素影响的施工延误，同时提高了生产效率和产品质量。现场快速装配：与传统的现场浇筑相比，预制的组合钢箱梁能够在现场快速装配完成，大大缩短了施工周期，降低了施工现场的风险和安全隐患。质量保证：在工厂进行的预制生产，能够通过严格的质量控制程序保证产品质量，避免了由于现场施工环境复杂而导致的施工质量波动。环境友好：装配式组合钢箱梁技术能够减少现场施工对周边环境的影响，减少了噪音、尘埃等污染物的排放，符合现代社会对环保的要求。经济性：尽管预制化生产可能会增加初期投资成本，但通过节约施工时间、降低现场施工成本以及减少维护费用等方式，装配式组合钢箱梁的整体经济效益更为显著。考虑到这些优势，装配式组合钢箱梁技术在现代桥梁工程中的应用前景广阔。

1、装配式波形钢腹板组合钢箱梁的主要施工工艺

耐候钢在桥梁工程中扮演着至关重要的角色，但要确保其质量，就必须进行全面的材料检验和预处理工作。这项工作包括对耐候钢进行化学成分分析、拉伸试验、弯曲试验、冲击试验等多个方面的检验，以保证其符合要求的质量标准。在进行施焊之前，必须对焊接工艺进行评定，确保采用科学合理的焊接工艺。同时，需要对原材料进行抛丸除锈和喷砂除锈等预处理工作，以确保焊接工艺的有效实施。

在制造组合式钢箱梁时，料号的选择是至关重要的一步。选材过程中必须综合考虑材料损耗、压缩和焊接带来的形变，目的是减少材料使用量和确保加工的精确度，进而保障部件的品质。因此，使用专门的连续压模设备来对波纹钢板进行校正，达到波纹板在整个梁长方向上不出现焊接缝隙，从而确保了部件的整体稳定性。

在组装成型阶段，应借助全自动焊接机器人进行操作，以确保焊接过程的高效和质量。焊接完成后，需要进行无损检测，以确保焊缝的质量和构件的完整性。而预应力施工则旨在增强组合钢箱梁整体的刚度和承载能力。在进行混凝土施工时，需使用特定的材料和工艺，以确保其质量符合要求。

在进行组合钢箱梁的运输和现场安装时，必须加强安全管理，并注重测量和监测工作。这包括确保运输过程中的稳定性和牢固性，以及在现场安装过程中的精确性和安全性。只有如此，才能确保组合钢箱梁的安全、稳定和高效安装。

2、施工阶段单梁静载试验控制荷载分析

在施工阶段的单梁工程中，为验证预制构件在实际工作状态下的可靠性，通常采用静载试验这一手段。这一举措旨在保证预制构件在实际使用中的稳定性和承载能力。具体而言，单梁在施工过程中将依次承受二期恒载和使用阶段的活载，这样的负荷组合可模拟出实际使用情况下的受力状态，从而对其性能进行验证。

然而，这种设计特点使得后续受力阶段的荷载分配和模拟变得复杂而困难，需要进行更为细致和深入的受力分析。因此，在施工阶段对单梁的静载试验效率计算时，采取了两种简化处理方式。一种是仅考虑主要受力构件的荷载，而忽略附加截面的影响；另一种则是将附加截面的荷载均匀分布到主要受力构件上进行计算。这样的处理方式在一定程度上简化了计算流程，减少了试验所需的时间和成本，同时仍能有效验证单梁的性能。

在第一种情况下，预制完成后无附加截面参与受力，预制构件将全面承受二期恒载和设计汽车活载的横向分布。对于成桥静载试验，试验效率的计算可依据以下所示的公式进行[1]

式中：ηq为静载试验效率；SS为静载试验荷载作用下，某一加载试验项目对应的加载控制截面内力或位移的最大计算效应值；S为控制荷载产生的同一加载控制截面内力或位移的最不利效应计算值；μ为按规范取用的冲击系数[2,3]。

关于静载试验，其核心目标是确保所获得的数据既反映真实情况又具备高度可靠性[4]。此试验考虑了结构在受荷载时的位移反应，通过计算这些位移的最大效应值和不利效应值，以及选择适当的冲击系数来模拟实际操作中的不确定性和动态变化。冲击系数的选用特别重要，因为它直接影响到对第三个受力阶段的评估，而在持续荷载的增加阶段，它的影响被视为不显著。此外，考虑到结构特性在不同施工阶段的变化，对每个阶段的荷载和受力情况进行详尽的分析成为确保试验准确性的关键步骤。因此，精确地计算静载试验的效率，并据此调整试验方案，对于顺利完成试验并获取可靠结果至关重要。

这种方法不仅提升了静载试验的精确度和适用性，而且强调了在实际工程实践中应对不确定性和动态条件的重要性。通过对各施工阶段进行细致的分析，可以确保静载试验方案能够有效地模拟实际情况，从而为结构的设计和施工提供坚实的数据支持。

3、参数优化设计方法

3.1数学建模及优化

3.1.1建立待优化的目标函数

为了对钢箱梁的截面参数进行优化，建立了以下数学模型来进行研究：

设钢箱梁上翼缘宽度为bs，钢箱梁上翼缘厚度为ts，钢箱梁底板宽度为bx，钢箱梁底板厚度为tx，钢箱梁腹板高度为hf，腹板最小厚度为tf。目标是通过建立该目标函数，满足钢箱梁各部分的受力和设计规范要求，同时最大程度地减少材料用量。

3.1.2针对设计变量的几何约束条件

为了方便进行工厂内的预制，装配式组合钢箱梁常采用等高梁的立面形式。在进行钢箱梁几何尺寸的估算时，根据设计变量制定初始约束条件，具体见表1。

表1钢箱梁截面参数变量的初始约束条件

3.2引入松弛系数的满应力齿行法优化影响

现有的优化方法可以分为准则法和数学规划法等几种。其中，满应力齿行法是一种常用的准则设计方法，在结构优化设计中得到了广泛的应用。

满应力齿行法以其明晰的力学理论基础和与多种其他优化方法的关联而著称，因此在工程设计领域被广泛接受将这些应力值σi(0）与允许的最大应力σia进行比较，从而计算出应力比[5]。

然后对截面进行调整

经过对材料Ai(1）的详细分析后，我们将其视为下一个计算周期的初始状态，连续进行计算[7]。

此为最严约束由此得到新设计点

此时，与相对应的杆件应力达到允许应力，新设计点中各杆的应力比为

调整步就是按照射线步后结构的应力比对结构进行调整，即

在每一轮迭代计算中，根据当前的设计状态和应力分析结果，确定新的截面。随后，以这一更新的设计状态作为下一轮迭代计算的初始点，持续进行下一轮分析。这个循环将持续进行，直到满足停止计算的条件为止。

由下式完成射线步

满应力步：若设计点在应力约束面则用满应力准则修改设计点[6]。

松弛系数η的具体取值对优化结果具有重要影响，需要在后续分析中进行详细探讨。

通过拉格朗日乘子法，可以得到下列满位移步迭代公式，解决带约束条件的极值问题[8]

式中：W(k+1）代表结构的重量；Fiq表示在第q个工况下第i根杆的内力；Fij表示在第j个点施加单位力（沿μia方向）时第i根杆的内力。松弛系数η≤1，很多文献一致认为取η=0.2是比较合适的选择。

通过引入松弛系数η的满应力齿行法，针对钢箱梁桥梁的静定箱梁结构进行分析，优化计算程序的结果见表2，其中列出了不同松弛系数取值下的优化结果。

表2优化后的计算结果

4、结束语

装配式组合钢箱梁技术，作为桥梁建设的一种先进方法，对于提升施工效率和确保工程质量起到了关键作用。这项技术通过预先在工厂内完成大部分梁体的制造工作，实现了高度的预制化和标准化，极大地缩短了现场施工时间，并降低了施工成本。研究过程中，首先详细介绍了装配式钢箱梁桥的主要施工流程，明确了从制造到现场安装的每一个步骤。接着，通过分析施工阶段单梁所承受的静荷载，采用了引入松弛系数的满应力齿行法进行迭代计算。这种方法能够有效地计算在不同松弛系数条件下，梁体的最大约束值和整体偏移情况，进而优化施工方案，确保施工过程的高效率和梁体的结构安全。总之，装配式组合钢箱梁技术的应用，通过精确的计算和科学的施工方法，不仅提高了桥梁施工的效率，还保障了工程质量，展现了现代桥梁建设技术的发展方向。

参考文献:

[1]黄小国.桥梁施工阶段单梁静载试验效率计算方法分析探讨[J].天津建设科技,2018,28(4):50-52.

[2]左小芳.基于荷载试验的某斜拉桥承载能力评定分析[J].工程技术研究,2023,8(15):1-4.

[3]姚伟,张荣,范磊.桥梁成桥荷载试验与单梁荷载试验比较研究[J].黑龙江交通科技,2021,44(9):88-89.

[4]苏立超.装配式组合钢箱梁在桥梁工程中的应用[J].施工技术,2015,44(17):40-41+78.

[5]冼标,李文雄,陈存恩.满应力齿行法中松弛系数对桁架结构优化的影响[J].空间结构,2006(1):59-61.

[6]崔磊,邓洪洲.针对角钢桁架的满利用率齿行法截面优化[J].武汉大学学报(工学版),2008(3):97-100.

[7]陈明明.基于APDL的网壳结构优化设计及瞬时动力响应分析[D].邯郸:河北工程大学,2013.

[8]李文雄.桁架结构优化设计的满应力法仿真研究[J].计算机仿真,2012,29(1):395-398.

基金资助:“双碳”目标下拉萨装配式钢结构桥梁的发展及基于BIM技术的应对策略的研究,项目编号:202310694008;

文章来源:张佳明,斯朗拥宗,栾宏阳,等.装配式组合钢箱梁对提高桥梁施工效率的影响研究[J].科学技术创新,2024(13):101-104.