一種大節段鋼箱梁端面制造傾角的計算方法
1.本發明屬于施工領域，尤其涉及一種大節段鋼箱梁端面匹配截面制造傾角的計算方法。
背景技術：
2.對于橋梁工程中的常規鋼箱梁節段而言，待拼裝梁段通常采取吊機懸拼、頂推等工法，可對其采取空間上的整體旋轉、平移進行端面匹配；若匹配口兩端的梁段分屬不同的結構體系，如雙塔斜拉橋的跨中合龍，則可采取壓重、調索等強制合龍方式。然而，大節段鋼箱梁海上吊裝焊接的工法的待匹配的大節段鋼箱梁長度通常可達到百米以上，安裝過程中轉角變形較大，但墩頂處調位千斤頂的頂落行程不足30cm，完全不具備有效的梁體空間姿態調整條件，并且待匹配大節段鋼箱梁通過牛腿裝置搭接在已安裝梁段的懸挑段，兩者同屬一個結構體系，壓重等措施對匹配口處的八字口調整效果差同時存在臨時應力超限的風險，不具備強制合龍的條件。傳統的無應力狀態法控制思路不再適用于指導整孔吊裝施工的大節段鋼箱梁制造。而需采用分階段正裝計算法，模擬實際施工過程計算結構累計變形，分別給出各大節段的制造線形(即各片大節段具有相互獨立、不連續的無應力線形)。這種制造線形設置方法本質上是逐步正裝法的應用，解決了成橋線形、內力與設計狀態(逐步正裝計算狀態)能否保證一致的問題，但大節段鋼箱梁匹配截面制造傾角的計算問題仍未解決，同樣面臨橋位現場大節段鋼箱梁匹配困難。
技術實現要素：
3.本發明要解決的技術問題是解決大節段鋼箱梁施工過程中，采用分階段正裝計算方法，但是未解決大節段鋼箱梁匹配截面制造傾角的計算問題，提供了一種大節段鋼箱梁端面匹配截面制造傾角的計算方法，提出大節段鋼箱梁端面制造傾角計算的曲率補償法，將橋梁工程中常規的預拱度設置中高程補償的概念拓展到了曲率補償層面，以解決大節段鋼箱梁端面制造傾角計算的核心問題，和實現相鄰大節段鋼箱梁安裝時的端面匹配；進而還可以通過制造傾角與中性軸的幾何關系，并且能夠對鋼箱梁頂、底板長度進行修正，并進行了相應的誤差分析。
4.為實現本發明的目的，本發明提供的一種大節段鋼箱梁端面制造傾角的計算方法，包括：
5.步驟1：設相鄰大節段鋼箱梁的匹配截面為c-、c
+
截面，相鄰大節段鋼箱梁端面c-、c
+
截面的制造傾角為γ
i-、γ
i-，利用大節段鋼箱梁截面的性質，得到
[0006][0007]
步驟2：利用大節段鋼箱梁端面曲率的性質，并結合步驟1中的公式得到相鄰大節段鋼箱梁匹配焊接截面位置的制造傾角為截面c從焊接至成橋的累計曲率變化量；
[0008]
步驟3：制造傾角γi決定了大節段制造線形在截面c處的曲率該曲率于焊接后
開始在施工臨時荷載、結構自重及二期恒載等的作用下，在各個工況不斷產生變化增量n為工況的數量，直至成橋狀態，截面c處的曲率ki達到了設計成橋曲率即基于補償原則，有：
[0009][0010]
式中：分別為大節段匹配口截面的無應力曲率、曲率補償量和設計曲率；
[0011]
在結構高程變化方面表現為：
[0012][0013]
可知，制造線形中相鄰大節段匹配口的制造傾角γi本質上是在該截面位置的一種曲率補償；
[0014]
步驟4：建立大階段鋼箱梁正裝有限元模型，由于大節段從無應力狀態至匹配焊接狀態，其端部均為簡支梁自由端，彎矩為零，故匹配口處截面c的成橋彎矩即為該截面從焊接至成橋的彎矩增量，則結合得
[0015][0016]
式中，為匹配口處截面c的成橋彎矩，為匹配口處截面c的成橋彎矩，為截面從焊接至成橋的彎矩增量，ei為梁的抗彎剛度；
[0017]
步驟5：基于制造傾角γi本質上是在該截面位置的一種曲率補償，并設大節段匹配后，其匹配面節點與其前節點、后節點在施工臨時荷載、結構自重及二期恒載等的作用下，在各個工況產生的累計撓度的相反值分別為δi，δ
i-1
，δ
i+1
，則有：
[0018][0019]
α、β是大節段匹配面前后的小節段鋼箱梁斜率變化的相對值，l1、l2分別為兩相鄰大節段鋼箱梁的鋼箱梁段長度；
[0020]
當大節段鋼箱梁匹配端口在設計成橋線形中是單坡形式時，大節段端面無應力制造傾角計算的簡化公式為：
[0021][0022]
當匹配端口處于設計線形中的豎曲線中，需要在公式(12)的基礎上計入設計線形豎曲線中初始曲率的影響，此時大節段端面無應力制造傾角的計算公式為：
[0023][0024]
式中：θi為設計豎曲線造成的水平夾角差；h
i-1
、hi、h
i+1
均為節點設計標高。
[0025]
進一步地，步驟1中得到的過程包括：
[0026]
設截面c-、c
+
的中性軸曲線切線與水平面的夾角分別為從制造時無應力狀態至匹配焊接前，截面c-、c
+
由于轉動變形引起的夾角的改變量分別為從匹配焊接后至最終成橋狀態由后續各類型荷載引起的夾角變化量分
別為別為則施工全過程中的累計變化量分別為：
[0027][0028]
設相鄰大節段鋼箱梁端面c-、c
+
腹板與鉛垂線的夾角為ξ
i-、ξ
i+
，在無應力狀態下制造時大節段鋼箱梁端面c-、c
+
腹板與鉛垂線的夾角分別滿足：
[0029][0030]
則在匹配焊接工況下，相鄰大節段鋼箱梁端面c-、c
+
腹板與鉛垂線的夾角分別滿足：
[0031][0032]
則要求c
+
、c-端面相互平行，即代入(3)式則有：
[0033][0034]
進一步地，要求c
+
、c-端面相互平行是為了保證相鄰大節段鋼箱梁端面在匹配焊接工況下自動匹配。
[0035]
進一步地，步驟2中，截面c從焊接至成橋的累計曲率變化量的表達式為：
[0036][0037]
將(5)式代入(4)式，即可得到
[0038][0039]
進一步地，步驟5中，橋梁工程中常以直代曲的方法進行簡化制造，鋼箱梁中性軸并不是一條光滑的曲線，因此可以建立匹配面節點和其前節點、后節點的三節點幾何模型用以簡化計算匹配面的曲率補償量。
[0040]
進一步地，還包括步驟6：以中性軸為基準，結合所述制造傾角，對鋼箱梁頂、底板長度進行修正。
[0041]
進一步地，當鋼箱梁采用兩端修正時，鋼箱梁節段頂板、底板長度修正量為：
[0042][0043][0044]
式中，為底板修正長度，為鋼箱梁頂修正長度；為鋼箱梁頂至中性軸距離，為底板至中性軸距離。
[0045]
進一步地，還包括步驟：以中性軸長度為基礎，考慮頂板、底板長度修正后，得到制造放樣需要的鋼箱梁頂、底板的實際制造長度。
[0046]
進一步地，鋼箱梁頂、底板制造放樣長度的計算公式為：
[0047][0048][0049]
式中，為鋼箱梁頂、底板制造放樣長度。
[0050]
進一步地，中性軸的獲取方式為
[0051][0052][0053]
θi＝α
i-α
i-1
[0054]
式中，θi為設計豎曲線造成的水平夾角差，為中性軸修正長度，為修正后中性軸長度。
[0055]
與現有技術相比，本發明至少能夠實現以下有益效果：
[0056]
本方法從鋼箱梁的無應力制造幾何形態根源出發，提出了大節段鋼箱梁端面制造傾角計算的曲率補償法，將橋梁工程中常規的預拱度設置中高程補償的概念拓展到了曲率補償層面，以解決大節段鋼箱梁端面制造傾角計算的核心問題，實現了相鄰大節段鋼箱梁安裝時的端面匹配；進而能夠通過制造傾角與中性軸的幾何關系，對鋼箱梁頂、底板長度進行修正。
附圖說明
[0057]
圖1是本發明實施例中一種大節段鋼箱梁端面制造傾角的計算方法相鄰大節段鋼箱梁無應力制造幾何形態圖；
[0058]
圖2是本發明實施例中一種大節段鋼箱梁端面制造傾角的計算方法相鄰大節段鋼箱梁匹配焊接示意圖；
[0059]
圖3是本發明實施例中一種大節段鋼箱梁端面制造傾角的計算方法大節段鋼箱梁曲率變化量示意圖；
[0060]
圖4是本發明實施例中一種大節段鋼箱梁端面制造傾角的計算方法大節段鋼箱梁曲率補償示意圖；
[0061]
圖5是本發明實施例中一種大節段鋼箱梁端面制造傾角的計算方法以直代曲簡化計算示意圖；
[0062]
圖6是本發明實施例中一種大節段鋼箱梁端面制造傾角的計算方法設計豎曲線對制造傾角計算的影響圖；
[0063]
圖7是本發明實施例中一種大節段鋼箱梁端面制造傾角的計算方法局部鋼箱梁水平投影示意圖；
[0064]
圖8是本發明實施例中一種大節段鋼箱梁端面制造傾角的計算方法局部鋼箱梁頂、底板長度修正示意圖；
[0065]
圖9是本發明實施例中一種大節段鋼箱梁端面制造傾角的計算方法步驟圖。
具體實施方式
[0066]
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都是本發明保護的范圍。
[0067]
請參閱圖9，本發明提供的一種大節段鋼箱梁端面制造傾角的計算方法，包括以下
步驟：
[0068]
步驟一、設相鄰大節段鋼箱梁的匹配截面為c-、c
+
截面，并且設截面c-、c
+
的中性軸曲線切線與水平面的夾角分別為從制造時無應力狀態至匹配焊接前，截面c-、c
+
由于轉動變形引起的夾角的改變量分別為從匹配焊接后至最終成橋狀態由后續各類型荷載引起的夾角變化量分別為則施工全過程中的累計變化量分別為：
[0069][0070]
步驟二、設相鄰大節段鋼箱梁端面c-、c
+
腹板與鉛垂線的夾角為ξ
i-、ξ
i+
，并設相鄰大節段鋼箱梁端面c-、c
+
截面的制造傾角為γ
i-、γ
i-，如圖2所示，在無應力狀態下制造時大節段鋼箱梁端面c-、c
+
腹板與鉛垂線的夾角分別滿足：
[0071][0072]
則在匹配焊接工況下，相鄰大節段鋼箱梁端面c-、c
+
腹板與鉛垂線的夾角分別滿足：
[0073][0074]
步驟三、若要保證相鄰大節段鋼箱梁端面在匹配焊接工況下自動匹配，則要求c
+
、c-端面相互平行，即代入(3)式有：
[0075][0076]
步驟四、大節段鋼箱梁焊接后，c
+
與c-形成整體截面c，如圖3所示，截面c從焊接至成橋的累計曲率變化量可由其前后中性軸曲線的切線與水平面夾角差值來表示：
[0077][0078]
將(5)式代入(4)式，則相鄰大節段鋼箱梁匹配焊接截面位置的制造傾角γi為：
[0079][0080]
式(6)表明：只要保證大節段端面的制造傾角γi與該端面處從焊接至成橋的曲率變化量相反，則可保證相鄰大節段鋼箱梁端面在匹配焊接工況下自動匹配。
[0081]
步驟五、制造傾角γi已經決定了大節段制造線形在截面c處的曲率該曲率于焊接后開始在施工臨時荷載、結構自重及二期恒載等的作用下，在各個工況不斷產生變化增量n為工況的數量，直至成橋狀態，截面c處的曲率ki達到了設計成橋曲率即基于補償原則：
[0082][0083]
式中：分別為大節段匹配口截面的無應力曲率、曲率補償量和設計曲率。
[0084]
類似的過程在結構高程變化方面表現為：
[0085][0086]
式中：分別為橋梁工程計算中常見的無應力標高、預拱度(高程補償量)和設計標高。
[0087]
如圖4所示，制造線形中相鄰大節段匹配口的制造傾角γi本質上是在該截面位置的一種曲率補償。
[0088]
步驟六、建立大階段鋼箱梁正裝有限元模型，由于大節段從無應力狀態至匹配焊接狀態，其端部均為簡支梁自由端，彎矩為零，故匹配口處截面c的成橋彎矩即為該截面從焊接至成橋的彎矩增量。
[0089][0090]
將(9)式代入(6)式有：
[0091][0092]
匹配口處截面c的成橋彎矩
[0093]
截面從焊接至成橋的彎矩增量
[0094]
ei：梁的抗彎剛度
[0095]
曲率，值的大小等于制造傾角的值
[0096]
則可根據相鄰大節段鋼箱梁匹配截面位置處的成橋彎矩按照公式(10)計算相鄰兩大節段的端面制造傾角。事實上，如圖5所示，橋梁工程中常以直代曲的方法進行簡化制造，鋼箱梁中性軸并不是一條光滑的曲線。因此可以建立匹配面節點和其前節點、后節點的三節點幾何模型用以簡化計算匹配面的曲率補償量。
[0097]
步驟七、設大節段匹配后，其匹配面節點與其前節點、后節點在施工臨時荷載、結構自重及二期恒載等的作用下，在各個工況產生的累計撓度的相反值分別為δi，δ
i-1
，δ
i+1
，有：
[0098][0099]
l1、l2分別為兩相鄰大節段鋼箱梁的鋼箱梁段長度；
[0100]
實際上，α、β是大節段匹配面前后的小節段鋼箱梁斜率變化的相對值，可近似表示匹配面處的曲率變化，因此可取大節段端面無應力制造傾角計算的簡化公式為：
[0101][0102]
以上簡化公式默認大節段鋼箱梁匹配端口在設計成橋線形中是單坡形式，但如圖6所示，實際上匹配端口可能處于設計線形中的豎曲線中，如此則需要在公式(12)的基礎上計入設計線形豎曲線中初始曲率的影響，此時大節段端面無應力制造傾角的計算公式為：
[0103][0104]
式中：θi為設計豎曲線造成的水平夾角差；h
i-1
、hi、h
i+1
均為節點設計標高。
[0105]
步驟八、在一般情況下，設計圖紙給出的鋼箱梁長度均為設計線形在基準溫度下
的水平投影長度，實際制造時需要進行斜長修正。如圖7所示，為便于支座定位、安裝，假設橋梁大節段鋼箱梁節段的水平投影長度以底板為基準，即可以通過設計圖紙中里程樁號和設計高程計算設計成橋狀態下的鋼箱梁底板長度。
[0106][0107][0108]
式中：為設計圖紙中的水平投影長度，為鋼箱梁底板斜長，αi為豎曲線造成的水平夾角，為工況i時的設計高程，為工況i-1時的設計高程。
[0109]
由平截面假定可知，鋼箱梁彎曲變形并不會改變其中性軸長度，則在設計線形中存在豎曲線時，大節段鋼箱梁制造時中性軸長度還需考慮豎曲線造成水平夾角差的影響，疊加設計成橋狀態下鋼箱梁底板長度計算得到。
[0110][0111]
式中：θi為設計豎曲線造成的水平夾角差，為中性軸修正長度，為修正后中性軸長度。
[0112]
步驟九、如圖8所示，為實現相鄰節段匹配順接，需要以中性軸為基準，結合前面計算得到的大節段鋼箱梁端面制造傾角，對鋼箱梁頂、底板長度進行修正，當鋼箱梁采用兩端修正時，鋼箱梁節段頂、底板長度修正量為：
[0113][0114][0115]
式中：為底板修正長度，為鋼箱梁頂修正長度；為鋼箱梁頂至中性軸距離，為底板至中性軸距離。
[0116]
事實上，對同一大節段鋼箱梁內部的小節段鋼箱梁而言，鋼箱梁頂、底板長度修正量的計算也是相同的，與大節段鋼箱梁匹配端面制造傾角不同的是，小節段鋼箱梁端面的制造傾角γi可直接由制造線形相鄰小節段鋼箱梁制造線形水平夾角差計算得到。
[0117]
如此，以中性軸長度為基礎，考慮頂、底板長度修正后，得到制造放樣需要的鋼箱梁頂、底板的實際制造長度。再嚴格按照公式(16)進行鋼箱梁頂、底板長度放樣后，廠內制造時可將小節段鋼箱梁進行剛體平移和旋轉處理，以降低鋼箱梁制造放樣難度。
[0118][0119][0120]
式中：為鋼箱梁頂、底板制造放樣長度。
[0121]
如圖1，2，3所示的一種大節段鋼箱梁端面制造傾角的計算方法相鄰大節段鋼箱梁無應力制造幾何形態圖、相鄰大節段鋼箱梁匹配焊接示意圖和大節段鋼箱梁曲率變化量示意圖，根據大節段鋼箱梁匹配的截面的特點和相應公式可以得到公式；
即只要保證大節段端面的制造傾角與該截面處從焊接至成橋的曲率變化量相反，則可保證相鄰大節段鋼箱梁端面在匹配焊接工況下自動匹配。如圖4所示的一種大節段鋼箱梁端面制造傾角的計算方法大節段鋼箱梁曲率補償示意圖，根據大節段鋼箱梁匹配的截面的特點和相應公式，得出制造線形中相鄰大節段匹配口的切割角本質上是在該截面位置的一種曲率補償。如圖5和6所示的種大節段鋼箱梁端面制造傾角計算方法設計豎曲線對制造傾角計算的影響圖和局部鋼箱梁水平投影示意圖，可以由有限元正裝模型計算得出的累計撓度值計算出大節段匹配面前后的小節段鋼箱梁斜率變化的相對值、大節段端面無應力切割角和設計豎曲線引起的制造傾角。如圖7所示的一種大節段鋼箱梁端面制造傾角的計算方法局部鋼箱梁水平投影示意圖，根據設計圖紙和平截面假定可以結算得出大節段鋼箱梁端面的豎曲線造成的水平夾角差和以豎曲線造成的水平夾角差修正后的中性軸長度。如圖8所示的一種大節段鋼箱梁端面制造傾角的計算方法局部鋼箱梁頂、底板長度修正示意圖，根據前面步驟得到的大節段鋼箱梁端面制造傾角和豎曲線造成的水平夾角差，即可以計算出大節段鋼箱梁頂，底板制造放樣長度。
[0122]
本方法從鋼箱梁的無應力制造幾何形態根源出發，提出了大節段鋼箱梁端面制造傾角計算的曲率補償法，將橋梁工程中常規的預拱度設置中高程補償的概念拓展到了曲率補償層面，能夠方便的解決大節段鋼箱梁端面制造傾角計算的問題，并且能夠實現相鄰大節段鋼箱梁安裝時的端面匹配；進而通過制造傾角與中性軸的幾何關系，還可以進一步對鋼箱梁頂、底板長度進行修正。
[0123]
如上所述，便可實現本發明。
[0124]
但是本發明并非限定于上述特定的實施例，在不超過權利要求書中請求的本發明的技術思想的范圍內，本發明所屬的技術領域的技術人員能夠實施多種變形，上述變形實施應當不能脫離本發明的技術思想或前景進行解釋。
