复杂荷载耦合下超大跨径重型钢箱梁同步提升稳定性与控制技术

摘　要：

   为分析超大跨径重型钢箱梁在复杂荷载耦合作用下稳定性变化规律并提出相应控制技术，依托小屯特大桥第六联钢箱梁同步提升工程，采用midas NFX建立有限元模型，研究了复杂荷载耦合作用下超大跨径重型钢箱梁吊装施工的稳定性问题。通过以稳定性系数为评价指标，分析了梁段长度、吊装机械振动、风荷载等因素的耦合效应对钢箱梁吊装稳定性的影响，并评估了各因素的敏感性。研究结果表明，抗倾覆稳定性系数和一阶稳定性系数随梁段长度的增加而显著下降，而一阶稳定性系数随提升高度的增加有所提升，吊装初期稳定性较差。在机械振动荷载作用下，吊点应力值较自重工况显著增加，其中纵向振动对抗倾覆稳定性的影响大于横向振动。考虑风荷载与机械振动的流固耦合效应后，两种稳定性系数进一步降低。通过灰色关联法分析，４种因素对稳定性的影响程度排序为：梁段长度＞纵向振动＞风速＞横向振动。此外，研究还提出了提升过程中的稳定性控制措施，包括智能液压同步提升系统的动态调节、预提升阶段的全面检查以及实时监测预警机制，为类似工程施工安全提供了参考

关键词：

超大跨径重型钢箱梁；同步提升；稳定性；流固耦合效应；敏感性

   近年来，伴随桥梁建造技术的持续革新，大跨径钢箱梁整体提升施工工艺作为创新型技术体系已日趋成熟。该技术遵循“工厂预制—模块化运输—现场拼装—同步提升”的标准化流程[1-3]，其核心优势体现在：通过工厂化预制和数字化预拼装技术，可实现对构件加工精度及焊接质量的精细化控制，显著提升工程实体质量；同时采用液压同步提升系统替代传统高空总拼作业模式，有效压缩施工周期约30%~40%[4-6]，同时大幅降低高空作业安全风险。

  多项工程实践验证，超大跨径钢箱梁整体吊装技术在跨江跨海大桥、城市快速路高架等复杂场景中展现出良好的技术经济性和施工适应性，已成为大跨径钢结构桥梁建造领域的重要发展方向。李红等[7]依托实际工程，建立曲线钢箱梁数值模型，分析了多种因素对稳定性系数的影响。文[8-9]针对港珠澳大桥成桥线形问题，对钢箱梁的制造线形、安装线形和支座预偏量的协调响应进行了研究。孙军等[10]建立了单箱梁与加固双箱梁有限元模型，分析了支座脱空工况下对吊装稳定性的影响。LI等[11]采用有限元法对钢箱梁提升全过程中不同加速度作用下，对跨中段顶板和底板的应力大小与加速度的关系进行了分析。车铁成等[12]以某实际工程为例，建立数值模型对轴线偏移、支点脱空、支点纵横向间距、风荷载对钢箱梁桥稳定性影响进行系统的分析。WANG等[13]为充分研究流体与结构相互作用对吊装稳定性的影响规律，实现结构气动响应的精细化数值模拟，对结构-空气耦合系统动力方程进行求解。刘宗杰等[14]依据实际项目跨长江特大桥，研究了钢索风致振动的种类与风特性的关系，对不同特性风场下拉索震动特征进行了研究分析。季俊[15]运用流固耦合技术，对结构开展风洞模拟实验，得到了不同刚度下结构体型系数差异。徐梓栋等[16]以苏通大桥实际工程为研究对象，建立ANSYS有限元模型，将风致效应的抖振解与理论解析解进行对比。

   综上所述，目前针对钢箱梁吊装过程稳定性研究主要集中在单一荷载或静力学部分，考虑静力荷载、风荷载的场效应、振动三者耦合效应对稳定性的影响目前研究较少。本文以福宜高速小屯特大桥项目为工程背景，通过midas NFX建立有限元模型，研究了多种因素耦合作用下整体吊装钢箱梁提升过程的稳定性变化规律，分析在风荷载和吊装机械振动耦合作用下，并结合现场监测试验讨论钢箱梁在提升过程中的稳定性控制措施，为类似钢箱梁提升工程提供参考。

１ 工程概况

   小屯特大桥作为昆明福宜高速公路关键节点工程，第六联钢箱梁同步提升施工是整个项目中的重点。该大桥位于云南省昆明市，横跨重要交通要道，其建设关乎高速公路的顺利通车，对区域交通网络的完善和经济走廊带的打通具有重要意义。小屯特大桥左幅全长1235ｍ，右幅全长1268.5ｍ，设计复杂，施工难度大。其中，第六联钢箱梁跨度达82ｍ，总重约920t，提升高度达到60.15ｍ，采用“超大型构件智能液压同步提升法”进行施工。本跨钢箱梁作为大桥的重要组成部分，其跨度、重量及提升高度均创云南省同类钢箱梁吊装工程之最。

小屯特大桥第六联钢箱梁整体吊装工程重难点如下：

1）本联钢箱梁自重大，提升过程所需时间长，且地处多风山区，历史气象记录显示存在十级风力出现的可能性。因此，在钢箱梁的整体吊装过程中，需重视并有效应对突发风荷载带来的不利影响，确保吊装作业的安全性与稳定性。２）在吊装作业的核心环节，需保证吊装平台、锚索、钢箱梁整体系统稳定性时刻满足要求。同时，吊装平台起重机工作不可避免发生机械振动，进而传递至整个吊装结构，影响钢箱梁在吊装过程中的稳定性。

２ 超大跨径钢箱梁稳定性分析方法

2.1横向抗倾覆稳定性计算方法

   钢箱梁在吊装过程中保持平衡，则在全过程中倾覆弯矩与稳定弯矩相等，由此可得钢箱梁荷载的偏心距计算公式，如式（1）所示。

式中：ｅ为荷载的偏心距；为内侧吊点的提升力；为外侧吊点的提升力；为内侧吊点距钢箱梁中心线的水平距离；为外侧吊点距钢箱梁中心线的水平距离。钢箱梁横向抗倾覆稳定性表示为 K=，其中 K 的临界值为2.5，则当 K＝＞2.5时，表明横向抗倾覆稳定性满足要求。

２.２　吊装过程钢箱梁振动特性

   复杂山区环境下超大跨径重型钢箱梁同步提升过程中，首先，由于山间横风普遍存在，涡激效应显著。其次，同步提升平台在运行过程中通过油缸液压变化对钢箱梁产生提升作用，期间不可避免地产生机械振动。同步提升平台支架、提升钢索、钢箱梁整个系统的动力学模型如下：

对式（2）进行恒等变换，求得动力学模型的系统传递函数为

式中: G(S)为系统传递函数；分别为提升平台支架和钢箱梁的质量;分别为支架和钢箱梁的位移；为钢索及夹持装置的刚度阻尼；为钢箱梁吊点处的刚度阻尼。

３ 有限元模型

3.1 有限元模型建立

   本文采用midas NFX 建立福宜高速小屯特大桥第六联钢箱梁有限元模型，如图２所示，上下部吊点均采用柔性连接，水平方向钢索采用点弹簧进行模拟。流体域采用 CFD 体积抽取，模型采用ｋ-ε湍流模型，同时考虑边界效应与运算效率[17]。流体域大小设置长×宽×高为140ｍ×60ｍ×50ｍ，吊索采用1D cable 单元模拟。考虑当地气候真实情况盛行西南风，则在模型中设立如图所示的流体出入口，入口设置风速出口速度为０，上下流体域边界均为无因次距离壁面，流体不可压缩。为研究多种影响因素对稳定性的影响，通过改变梁段长度、提升高度，施加振动荷载、风荷载，进行工况组合，研究多种因素影响吊装稳定性的变化规律。模型参数如表１所示。

3.2 有限元模型可靠性验证

   取施工现场遭遇四级风荷载跨中应力监测数据，与相同工况下有限元模拟数据进行对比。结果如图３所示。

   在提升过程中模拟值与实测值较为接近，曲线拟合状态良好，跨中应力最大值对比的最大误差为 4.68%，表明模拟结果与工程实际情况较为贴合，有限元模型可靠程度较高。

4 吊装参数稳定性影响分析

4.1 梁段长度与提升高度对吊装稳定性的影响

   在研究梁段长度对吊装过程稳定性的影响时，钢箱梁跨度取35、56、77、98 ｍ这４种跨度进行分析。静力风荷载按六级风考虑。根据表２可知，随着梁段长度的增加，在提升的全过程中，钢箱梁的横向抗倾覆稳定性系数Ｋ急剧减小。最小值出现在梁段长度98ｍ时为2.3.7。

   对于梁段长度的影响屈曲分析，优先考虑钢箱梁自重带来的影响，其次考虑提升高度带来的吊索等效刚度变化，同时考虑材料、几何非线性因素的影响。静力风荷载按六级风考虑。表３为提升全过程中不同梁段长度一阶稳定性系数。

　由表３中可知：随着梁段长度的增加，一阶稳定性系数逐渐减小；而随着提升高度的增大，吊索的长度逐渐变短，吊装钢箱梁的一阶稳定性系数逐渐增大。在实际工程中，在条件允许的情况下，应优先选择梁段长度较短的钢箱梁进行吊装，如无法避免大跨度钢箱梁的出现，也应通过优化吊装方式和吊点位置来改变 e 和  数值，从而使抗倾覆稳定性系数 K 达到规范要求。在提升过程初始阶段，一阶稳定性系数较小，吊装系统稳定性较差。

4.2 机械振动与风荷载对稳定性的影响

   在研究机械振动对于吊装稳定性的影响时，振动主要来源于吊装平台油缸液面调节动作。图４为一个周期内吊装平台运行时振动曲线，将该振动荷载施加在吊点顶部。设立工况如表４所示。梁段长度依托小屯特大桥第六联钢箱梁提升跨，跨度设置为77ｍ，一阶稳定性系数随着提升高度呈现正相关，因此在设立振动荷载工况时均以提升高度0.3ｍ为例。图５为自重状态下钢箱梁应力图，可知吊点处出现了较大的应力集中，最大值为103.67Ｍpa。

对以上 4 种工况做瞬态分析，提取振动周期内稳定性最差时刻进行分析研究，图6为工况1、工况2吊装应力图。从图6（a）中可知，钢箱梁应力传递发生显著变化。在自重工况下钢箱梁的拉应力主要出现在底部跨中位置，顶板位置应力较小。而在水平振动影响下其顶板开始传递拉应力，且吊点应力最大值也随着振动荷载的产生而增加，最大值为123.83Ｍpa，增幅为19.45%。从图６（b）中可知，工况２钢箱梁相较于自重工况应力分布特征没有明显变化，顶板受力情况良好。但在吊点处应力最大值为133.85Ｍpa，相较于自重工况增幅为29.11%。由此可知，横向振动会改变钢箱梁的应力传递方式，而纵向振动对吊点应力影响效果大于横向振动。

为探究风的流动与机械振动二者之间的激励效果，将风荷载与吊装振动荷载进行组合，六级风荷载风速取13.8 m/s。图7为钢箱梁结构附近流体矢量图。由图7可知，在考虑风荷载场效应的情况下，最大流速达到72.23 m/s，其出现在钢箱梁横断面右下角的外部流域，并出现向上的涡流，从而引发向上的气动力。背风面出现风场涡旋脱落效应，风的流速保持在23.20～26.26 m/s，进而流

体域对钢箱梁产生向下的力。

   图8 为工况3、工况4吊装应力图，当风荷载与振动耦合情况下，钢箱梁的应力传递方式没有发生明显变化。将工况1、工况3进行对比，由于流体域风荷载的施加、振动与风致效应的激励，顶板处应力增大，拉应力逐渐向跨中扩展。工况3相比于工况1吊点处应力集中现象更加明显，最大值达到164.23Ｍpa，较工况1增加32.63%；工况4相较于工况2，吊点应力变化情况与上一组类似，钢箱梁吊点处应力集中的区域发生扩展，吊点应力最大值达到185.77Ｍpa，较工况2增加了38.79%。

　4 种工况下钢箱梁的横向抗倾覆稳定性系数如表5 所示。由表5 可知，纵向振动对吊装过程钢箱梁横向抗倾覆稳定性影响大于横向振动，工况2相较于工况1稳定性系数下降了12.90%；且在考虑流固耦合工况下，风荷载致使钢箱梁产生自振，进一步降低横向抗倾覆稳定性，工况3、工况4相较于工况1、工况2抗倾覆稳定性系数分别下降了38.1%、39.3%。同时对4 种工况进行线性屈曲分析，得到吊装结构的一阶稳定性系数，如表6所示。与抗倾覆稳定性系数的变化规律不同，横向振动对一阶稳定性的影响大于纵向振动。工况1相较于工况2吊装结构的一阶稳定性系数降低了12.31%；风荷载产生的自振效应也进一步降低了

吊装结构的一阶稳定性，工况3、工况4相较于工况1、工况2一阶稳定性系数分别下降了47.41%、49.75%。

   为进一步探究实际工程中机械振动与风荷载自振相互激励效果的临界值，设立最不利工况，将考虑刚度阻尼后的横、纵向振动荷载同时施加在吊点位置。通过不断增加流体域入口风速[18]，对照两种稳定性系数的规范值，做出风速与稳定性系数曲线图用以计算临界风速。图9为不同风速下稳定性系数变化曲线。

   由图9可知，两种稳定性系数在最不利工况下变化趋势相似，均随着风速的增大而减小。根据相关规范［19-20］，两种稳定性系数临界均取2.5。当风速为9.38 m/s 时，抗倾覆稳定性系数达到临界值；对于一阶稳定性系数，风速为10.33 m/s时达到临界值。

4.3 敏感性分析

   为探究梁段长度、横向振动、纵向振动、风荷载因素对吊装稳定性影响程度的大小，采用灰色关联分析法对吊装过程影响因素进行敏感性分析。结合所依托实际工程情况，将梁段长度设置为35～77m，横、纵向机械振动折减系数设置为0.3～1.0，风速3～10 m/s，以抗倾覆稳定性系数作为敏感性分析评价指标，对上述4 个影响因素进行正交模拟研究。表7 为不同影响因素下抗倾覆稳定性系数平均值。

　对表7 中模拟结果进行关联度计算，可以得出在正交模拟下抗倾覆稳定性系数在4 个控制因素的敏感性指标，对梁段长度ｍ、横向振动系数α、纵向振动系数β、风速Ｖ进行抗倾覆稳定性的关联度排序。将结果带入灰度分析中的参考矩阵与比较矩阵，可得：

式中：Ｘ为比较矩阵，Ｙ为参考矩阵；对矩阵Ｘ、Ｙ进行极差标准化，可以得到矩阵ｘ′和ｙ′，经过计算得到差异序列矩阵Δ。

依据式（9）、（10）对数据进行关联度计算；以差异矩阵Δ为数据源计算关联系数矩阵Ｌ；为评价各影响因子之间的影响比重，分别计算矩阵Ｘ、Ｙ关联系数的均值，得到关联度矩阵。

   式（9）中：η为关联度权重系数，在（0，1）取值，取值越大其相关参数之间差别越大，本文取η＝0.5。关联度数值表示控制因素相互影响大小，数值范围在［0，1］之间。如果得出数值更加接近0，表明该项因素对结果的影响越不敏感；反之，如得出数值更加接近于1，则该项因素对结果的影响越敏感。对差异矩阵Δ进行上述计算，得到关联系数矩阵Ｌ，随后进行关联度敏感分析，得到敏感度指标，计算结果为

   根据灰色关联度敏感性分析可得，各项敏感度指标值分别为：梁段长度m为0.591，横向振动系数 α 为 0.550，纵向振动系数β为 0.567，风速Ｖ为 0.556。因此，可得 4 个影响因素对抗倾覆稳定性的敏感度排序为梁段长度＞纵向振动＞风速＞横向振动。

5 稳定性控制措施

   小屯特大桥第六联钢箱梁部分采用“超大构件智能提升法”进行整体同步提升。图10 为智能提升系统运行流程。智能提升平台可以精准控制吊点位移，进而间接控制空中姿态，应对风荷载与吊装振动荷载致使吊点应力突然增大和钢箱梁位移摆动现象。智能提升系统可及时缓解吊点应力集中，使稳定弯矩与倾覆弯矩平衡，实现抗倾覆稳定性系数的动态调节，从而控制吊装过程的稳定性。

   通过该系统，可以实现自动控制、手动控制以及单台提升器的点动操作，从而达到钢箱梁整体提升安装工艺中所需要的同步提升、空中姿态调整、单点毫米级微调等特殊要求。鉴于空中姿态的精确校正及后装杆件装配等实际需求，往往需实施高度上的精细调节。在进行此类微调作业之前，需将计算机同步控制系统的运行模式由自动化状态切换至手动操控状态。依据具体作业需求，可对整个液压提升系统内各个吊点配置的液压提升装置实施同步微量移动控制，或针对单一液压提升装置进行独立的微调作业，以确保操作过程的精准性与灵活性，这在一定程度上满足了提升过程钢箱梁稳定性需求。

   正式提升开始前，设立预提升阶段，当钢箱梁拼装完成离开拼装支架150mm时，暂停提升作业，停留12h，进行正式提升前的全面检查，待监测无误后开始正式提升。图11为预提升阶段现场图。在提升全过程中对吊点应力、倾斜角度等数据进行实时监测，如超过预警值，液压提升将会自动“锁定”；在任意位置可以长期安全可靠地停止，并自动调节吊点同步状态；待提升预警相关问题解决后，再次启动吊装。在正式提升前设立预提升阶段，还应配套安全可靠的停止措施，以便出现预警时在任何位置均能安全可靠地停止施工。

6 结论

   本文以小屯特大桥第六联钢箱梁同步提升工程为背景，采用midas NFX软件建立有限元模型，研究了多种因素下吊装结构稳定性的变化规律，得出以下结论：

1）随着梁段长度的增加，抗倾覆稳定性系数与一阶稳定性系数会有所减小；一阶稳定性系数因提升高度的增加而增大，提升过程初始阶段一阶稳定性系数较小，吊装系统稳定性较差。实际类似工程施工时，应进行吊点优化设计使两种稳定性系数达到规范要求。

2）在横纵向机械振动工况下，吊点应力最大值相较于自重工况分别增大了19.45%、29.11%，纵向振动相较于横向振动其抗倾覆稳定性系数下降了12.90%；设立了流固耦合工况，得到了六级风荷载与振动耦合作用下两种稳定性系数值，相比于横纵向振动单一作用下，抗倾覆稳定性系数下降了38.1%、39.3%，一阶稳定性系数下降了47.41%、49.75%。

3）采用灰色关联度方法对梁段长度、横向振动、纵向振动、风荷载这４种影响因素进行敏感性分析，其最终影响因素指标分别为0.591、0.550、0.567、0.556；４ 种影响因素对抗倾覆稳定性的影响程度排序为梁段长度＞纵向振动＞风速＞横向振动。研究为类似工程提供了相关建议。

４）结合有限元分析数据，提出提升过程稳定性控制措施，以应对突发横风与机械振动的影响；提升全过程中对吊点应力与空中姿态进行实时监测，出现预警立即停止吊装，必要时通过操作平台手动调节。

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