步履頂推施工過(guò)程中鋼槽梁局部受力分析

譚 鈞

(廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 柳州 545006)

橋梁架設(shè)過(guò)程中，采用步履式裝置進(jìn)行多點(diǎn)連續(xù)頂推，是近幾年來(lái)發(fā)展的新型施工技術(shù)。其工作原理是利用豎向千斤頂將梁段多點(diǎn)同步整體頂起，之后水平千斤頂向前頂推實(shí)現(xiàn)梁段移動(dòng)，然后豎向千斤頂帶載下放梁段于臨時(shí)支承，水平千斤頂回縮原位，完成梁段的一步移動(dòng)，以“頂”、“推”、“降”、“縮”幾個(gè)步驟循環(huán)［1］，逐步完成梁段的頂推。該施工方法吸收了傳統(tǒng)多點(diǎn)連續(xù)頂推施工的優(yōu)點(diǎn)，使頂推裝置將頂升、頂推、糾偏調(diào)整等功能集于一體，并采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中控制，實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化、自平衡頂推［2－3］。頂推施工過(guò)程中，分布于不同墩臺(tái)位置的多套步履式裝置與頂推的梁段之間的相對(duì)位置不斷變化，因此步履式頂推裝置和梁段之間的接觸受力也經(jīng)常變化。對(duì)步履式頂推裝置接觸位置的梁段進(jìn)行最不利荷載情況下的局部結(jié)構(gòu)分析非常必要。

1 工程概況

南昆鐵路跨線橋位于昆明南連接線高速公路工程五標(biāo)段K22+578(K22+551)，主橋?yàn)殡p向6車道，左右幅分離、錯(cuò)孔布置，每幅橋面寬度16.5 m，位于3.5%的上坡和0.3%的下坡上，上部為(65+100+65)m三跨鋼混結(jié)合連續(xù)梁，主跨全部位于直線及半徑 R=16000 m、T=304.246 m、E=2.892 m的豎曲線上。

大橋鋼槽梁左右幅采用獨(dú)立頂推方案，臨時(shí)墩和主墩布置及頂推施工示意圖見圖1。在頂推施工過(guò)程中，最多時(shí)需6套頂推設(shè)備(每套2臺(tái)步履式頂推裝置，共12臺(tái)，每臺(tái)頂推裝置滑槽長(zhǎng)2.07 m，寬1.26 m)，分4個(gè)階段將128 m長(zhǎng)的鋼梁頂推至設(shè)計(jì)位置。在拼裝平臺(tái)上，128 m長(zhǎng)鋼槽梁橋，分10小節(jié)段進(jìn)行拼裝(圖2)，各節(jié)段主要特性參數(shù)見表1。

圖1 頂推施工結(jié)構(gòu)示意圖(單位:cm)

圖2 鋼槽梁梁段劃分立面圖(單位:mm)

表1 鋼槽梁各梁段參數(shù)

2 頂推過(guò)程力學(xué)分析

2.1 頂推過(guò)程工況

頂推過(guò)程的力學(xué)模型中，用支座來(lái)模擬臨時(shí)墩和主墩上的頂推裝置，主梁在體系轉(zhuǎn)換之前，可看成簡(jiǎn)支的連續(xù)梁結(jié)構(gòu)［4－6］，主梁往前頂推，在幾個(gè)不同的支座上活動(dòng)時(shí)，可看成支座固定。頂推過(guò)程共4種典型工況:(1)工況1為在平臺(tái)上將128 m鋼槽梁拼裝完成，將鋼槽梁向前頂推7 m，其前端達(dá)到臨時(shí)墩4上的頂推裝置。(2)工況2為將鋼槽梁向前頂推43 m，其前端達(dá)到臨時(shí)墩5上的頂推裝置。(3)工況3為將鋼槽梁向前頂推36 m(8號(hào)墩上不放置頂推設(shè)備)，其前端達(dá)到臨時(shí)墩6上的頂推設(shè)備。(4)工況4為繼續(xù)將鋼槽梁向前頂推42 m，其前端達(dá)到9號(hào)墩上的頂推設(shè)備，此時(shí)128 m鋼槽梁剛好頂推完畢。

2.2 荷載的確定

本鋼混結(jié)合連續(xù)梁橋，主要包括鋼槽梁和梁頂橋面板2部分。單幅橋頂推總重1593.5 t，鋼槽梁部分為10段(D8－D17)，重868.5 t，鋼槽梁頂部混凝土橋面板、防撞墻、防落網(wǎng)部分重725 t，均布于鋼槽梁后端48.35 m(左幅 K22+564.45—K22+612.8，右幅 K22+536.45 —K22+584.8)上。

由表1可知 D8－D12鋼槽梁段每米自重近似相等，在與實(shí)際工況盡量吻合的情況下，為簡(jiǎn)化計(jì)算，把D8－D12鋼槽梁段按每米自重相等來(lái)簡(jiǎn)化模型，得出梁體自重分布見表2。

表2 鋼槽梁梁段自重分布

全過(guò)程模擬鋼槽梁的頂推過(guò)程，利用有限元分析軟件ANSYS建立“梁不動(dòng)，支撐體系移動(dòng)”的等效梁體模型，求出各個(gè)頂推過(guò)程中每個(gè)結(jié)點(diǎn)(墩上頂推裝置)處鋼槽梁所承受的豎向反力，再確定各結(jié)點(diǎn)處梁段的類型(由表1可以看出127.7 m長(zhǎng)鋼槽梁共有4種梁段類型，分別命名為 L－1、L－2、L－3、L－4，見表3)，最后得出4種不同型號(hào)梁段的最不利受力狀態(tài)。

表3 各型號(hào)梁段參數(shù)及其對(duì)應(yīng)結(jié)點(diǎn)處最大支反力

3 結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算與結(jié)果分析

3.1 有限元計(jì)算模型

頂推過(guò)程中為了更好地均勻傳遞荷載，在頂推裝置滑槽頂面放置特制的橡膠墊塊，墊塊長(zhǎng)度與滑槽等長(zhǎng)，寬度取230 mm。為了直接傳遞腹板的荷載，橡膠墊塊外邊緣與鋼槽梁底板外邊緣重合，橡膠墊塊中心線和滑槽中心線重合放置(見圖3)。橡膠墊塊的彈性模量為1380 MPa，泊松比取0.47。

圖3 頂推整體示意圖

采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)頂推過(guò)程中鋼槽梁的局部應(yīng)力進(jìn)行分析，為精確模擬荷載傳遞，橡膠墊塊和鋼槽梁底板、橡膠墊塊和頂推裝置滑槽上表面屬接觸非線性問(wèn)題，采用帶摩擦的接觸方式反復(fù)迭代計(jì)算。取梁段與頂推裝置接觸作為局部分析模型，考慮結(jié)構(gòu)和約束對(duì)稱性，采用12有限元模型［7］(見圖4)，另外鋼槽梁在施工階段為整體向上頂升，邊界約束條件為頂板做豎向約束，對(duì)稱面施加對(duì)稱約束。

圖4 鋼槽梁段有限元模型及位移邊界條件

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

利用ANSYS對(duì)鋼槽梁各梁段在橡膠板接觸寬度為230 mm情況下的有限元模型進(jìn)行靜力分析，得到頂推施工過(guò)程中鋼槽梁各型號(hào)梁段的最大等效應(yīng)力，見表4。由表4可知L－2梁段等效應(yīng)力最大為188 MPa，下面提取L－2梁段各主要構(gòu)件的綜合應(yīng)力分布，如圖5～圖9。

圖5 鋼槽梁整體應(yīng)力云圖

圖6 鋼槽梁頂板綜合應(yīng)力

圖7 鋼槽梁腹板綜合應(yīng)力

圖8 鋼槽梁底板綜合應(yīng)力

圖9 鋼槽梁底板橫隔板應(yīng)力分布

從圖5、圖7中可以看出，在頂推裝置荷載作用下，與受荷處鋼槽梁底板接觸處的腹板綜合應(yīng)力最大，為188 MPa，其原因在于除了腹板是主要受力構(gòu)件外，還因?yàn)楦拱迮c底板以及底板與橡膠墊塊末端接觸位置有突變，會(huì)形成一定的應(yīng)力集中。從圖8中可以看出，底板也是主要受力構(gòu)件之一，最大等效應(yīng)力達(dá)158 MPa，出現(xiàn)在底板和腹板交界處。從圖9中可以看出，底板橫隔板最大等效應(yīng)力為162 MPa，但發(fā)生區(qū)域極小，位于底板、底板橫隔板和腹板交界處，其原因在于此處有很大突變，產(chǎn)生應(yīng)力集中所致，其主要作用是增強(qiáng)鋼槽梁的剛度和防止鋼槽梁出現(xiàn)局部失穩(wěn)［8］;底板橫隔板上最大剪應(yīng)力為39.6 MPa;從圖5，圖6中可以看出，頂板遠(yuǎn)離受力區(qū)，應(yīng)力值很小，為 39.8 MPa。

4 結(jié)論和建議

通過(guò)對(duì)南昆鐵路跨線橋鋼槽梁承受頂推荷載的有限元分析，得到在步履式頂推裝置荷載作用下鋼槽梁的應(yīng)力分布情況，對(duì)頂推荷載作用下的鋼槽梁梁段施工有一定的參考，同時(shí)通過(guò)分析結(jié)果可以有效避免結(jié)構(gòu)因局部應(yīng)力過(guò)大，產(chǎn)生塑性變形而危及結(jié)構(gòu)安全，確保施工順利進(jìn)行。

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