獨(dú)塔雙索面扁平鋼箱梁斜拉橋仿真計算分析

柯亮亮，戴　杰

(1.西安公路研究院，陜西 西安　710065；2.長安大學(xué)雜志社,陜西 西安　710064)

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獨(dú)塔雙索面扁平鋼箱梁斜拉橋仿真計算分析

柯亮亮1，戴杰2

(1.西安公路研究院，陜西 西安710065；2.長安大學(xué)雜志社,陜西 西安710064)

摘要：在已有鋼箱梁頂推施工的基礎(chǔ)上，對鋼箱梁頂推施工進(jìn)行仿真模擬分析，分析了施工整個過程其內(nèi)力、應(yīng)力、位移等的變化規(guī)律，豐富了我國頂推施工的成果，完善了我國對大跨度鋼箱梁頂推的研究，為其他橋梁的設(shè)計與施工提供了一定的參考。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；鋼箱梁斜拉橋；頂推法施工；仿真分析

1鋼箱梁頂推法施工工序及特點(diǎn)

1.1施工工序

某大橋的設(shè)計跨徑組合為(60+60+160+386) m半漂浮體系獨(dú)塔雙索面扁平鋼箱梁斜拉橋。鋼箱梁中心梁高3.5 m，頂面設(shè)2%雙向橫坡，底面水平，頂寬40.80 m，底部板寬31.2 m，鋼箱梁的其他尺寸見表1。

表1　箱梁厚度參數(shù)表(mm)

該橋由于地形限制，無法采用水面浮吊施工，據(jù)其設(shè)計豎曲線的曲率不變、標(biāo)準(zhǔn)截面梁高相等的具體特征，擬定采用多點(diǎn)柔性頂推施工，具體為：先頂推鋼箱梁至預(yù)定梁位，再張拉斜拉索，最終拆除臨時輔助橋墩。

鋼箱梁頂推總長度為547.5 m，共設(shè)頂推用臨時墩7處，頂推最大跨度為60 m。該橋頂推施工的前導(dǎo)梁為變截面工字鋼，最大截面尺寸與主梁高度保持一致，最小尺寸為1.30 m，總長38.50 m(具體尺寸見圖2)。

施工工序?yàn)椋褐髁?前三段)吊裝就位到頂推平臺；調(diào)整主梁位置并固定，安裝標(biāo)高滿足設(shè)計要求；各段主梁間焊接，主梁與導(dǎo)梁焊接；頂推鋼箱梁(每個階段鋼箱梁的頂推長度為15 m)；各施工階段主梁頂推施工實(shí)施完畢后，采用吊裝設(shè)備將主梁運(yùn)輸至頂推平臺，將前端主梁與后續(xù)主梁進(jìn)行焊接，經(jīng)若干施工循環(huán)，最終完成全部主梁頂推施工。

1.2施工特點(diǎn)

與其他施工方法相比，頂推施工有如下優(yōu)點(diǎn)：首先施工過程簡單，計算模式簡單明了，便于分析計算；其次省去了合攏環(huán)節(jié)，去除了施工難點(diǎn)和隱患；第三施工工序?yàn)橄软斖坪髲埨^固，拉鎖的錨固相對可靠，質(zhì)量容易保證；最后可采用固定場所、專業(yè)隊(duì)伍焊接，焊接質(zhì)量穩(wěn)定、可靠、便于檢測。

雖然頂推法有上述許多優(yōu)點(diǎn)，但橋梁上部結(jié)構(gòu)隨著頂推施工的不斷推進(jìn)，主梁的平面位置不斷向前推移，導(dǎo)致主梁的結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換頻繁，超靜定次數(shù)不斷加大，鋼箱梁的約束條件、內(nèi)力及變形相對比較復(fù)雜。本文旨在通過建立全橋有限元模型，對其整個施工過程進(jìn)行仿真計算分析，以準(zhǔn)確了解鋼箱梁在整個頂推施工過程的受力及變形情況。

2鋼箱梁頂推施工仿真分析

2.1仿真分析模型

基于有限元專用橋梁分析軟件MIDAS Civil，進(jìn)行鋼箱梁頂推施工有限元模型的建立與仿真計算。將頂推施工中的鋼箱梁及鋼導(dǎo)梁按照截面面積、抗彎慣性矩、抗扭剛度和剪切面積相等的原則簡化為空間梁單元。鋼箱梁和鋼導(dǎo)梁均采用Q345鋼，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3。自重荷載根據(jù)容重按單元安裝時間分階段施加，其中計入橫隔板、壓重槽和工地連接件的重量；梁端鋼錨箱按等效集中力計入，作用在各斜拉索梁端錨點(diǎn)上；導(dǎo)梁包括工字型主梁、橫聯(lián)、縱聯(lián)及附板等，橫縱聯(lián)均按集中力等效，附板按均布荷載等效，頂推平臺和臨時墩采用只受壓彈性支承來模擬。

頂推施工過程共有三十二個施工階段，具體劃分如下：

施工階段一：焊接前三段主梁，連接導(dǎo)梁，頂推前進(jìn)15.00 m；施工階段二～二十四：第四至第二十六段主梁分別與前端主梁焊接，每個施工階段分別頂推前進(jìn)15.00 m；施工階段二十五：第二十七段主梁與前端主梁焊接，頂推前進(jìn)8.75 m；施工階段二十六、二十七：第二十八段、二十九段主梁分別與前端主梁焊接，每個梁段分別頂推前進(jìn)15.00 m，第二十七段主梁頂推到位后拆除變截面段前導(dǎo)梁；施工階段二十八：第三十段主梁與前端主梁焊接，頂推前進(jìn)15.00 m，頂推到位后拆除等截面段前導(dǎo)梁；施工階段二十九～三十一：第三十一至第三十三段主梁與前端主梁焊接，每個施工階段分別頂推前進(jìn)15.00 m；施工階段三十二：第三十四段主梁與前端主梁焊接。

注：以上整個施工過程中，各段主梁的焊接均在頂推平臺上進(jìn)行。

2.2計算結(jié)果分析

(1)位移

頂推過程中結(jié)構(gòu)位移包絡(luò)見圖1。由計算結(jié)果表明：在頂推施工過程中，當(dāng)導(dǎo)梁前端懸出主塔21.25 m時，導(dǎo)梁前端上撓達(dá)到最大值，為0.046 m，位于導(dǎo)梁前端；當(dāng)導(dǎo)梁懸出主塔達(dá)到最大懸臂時，導(dǎo)梁下?lián)线_(dá)到最大值，為-0.156 m。由于導(dǎo)梁前端最大下?lián)现敌∮谄涞撞繄A弧過渡段的高差(為0.3 m)，則頂推施工過程中，可保證導(dǎo)梁前端順利通過前方的臨時墩。頂推過程中鋼箱梁豎向位移變化幅度為0.202 m。

圖1　頂推過程中主梁彎矩包絡(luò)

(2)內(nèi)力

頂推施工過程中鋼箱梁彎矩包絡(luò)如圖2所示。由計算結(jié)果表明：在頂推施工過程中，當(dāng)拆除前導(dǎo)梁變截面段主梁懸出7#臨時墩1.25 m，距鋼箱梁前端22.5 m處出現(xiàn)最大正彎矩，其值為52 004 kN·m；當(dāng)前導(dǎo)梁前端懸出2#臨時墩16.25 m時，1#臨時墩墩頂處鋼箱梁截面出現(xiàn)最大負(fù)彎矩，其值為-87 689 kN·m。頂推過程中主梁彎矩變化幅度為139 693 kN·m。

(3)應(yīng)力

頂推施工過程中鋼箱梁上下緣應(yīng)力包絡(luò)如圖2和圖3所示。由計算結(jié)果表明：頂推過程中當(dāng)前導(dǎo)梁懸出主塔37.5 m時，與前導(dǎo)梁連接部位主梁上緣最大壓應(yīng)力為122.58 MPa，主梁下緣最大拉應(yīng)力為122.58 MPa，上緣最大壓應(yīng)力與下緣最大拉應(yīng)力相等；當(dāng)導(dǎo)梁到達(dá)56#共用墩前的所有最大懸臂階段，與前導(dǎo)梁連接部位主梁上緣最大拉應(yīng)力為50.93 MPa，主梁下緣最大壓應(yīng)力為50.93 MPa，上緣最大拉應(yīng)力與下緣最大壓應(yīng)力相等。頂推過程中鋼箱梁上下緣應(yīng)力變化幅度為173.51 MPa。

(4)支反力

頂推施工過程中各墩最大支點(diǎn)反力見表2。由計算結(jié)果可知，在頂推施工過程中，最大支點(diǎn)反力為13 441 kN，對應(yīng)工況為導(dǎo)梁懸出2#臨時墩30 m時，出現(xiàn)在55#主塔橫梁處。

圖2　頂推過程中主梁上緣應(yīng)力包絡(luò)

圖3　頂推過程中主梁下緣應(yīng)力包絡(luò)

1#臨時墩55#主塔橫梁2#臨時墩3#臨時墩4#臨時墩12212134411301413123130945#臨時墩6#臨時墩7#臨時墩56#共用墩1310113099117461441/

2.3頂推施工完成后計算結(jié)果分析

(1)主梁位移

頂推施工完成后，主梁位移見圖4所示。計算結(jié)果表明：主梁頂推完成后，主梁最大下?lián)?2 mm，出現(xiàn)在距鋼箱梁前端58.75 m處。

圖4　頂推成后主梁豎向位移

(2)主梁內(nèi)力

頂推施工完成后，主梁彎矩見圖5所示。計算結(jié)果表明：頂推完成后，鋼箱梁最大正彎矩為30 825 kN·m，出現(xiàn)在1#臨時墩與55#主塔間的跨中處，為頂推過程中最大正彎矩的60%；最大負(fù)彎矩為-68 540 kN·m，出現(xiàn)6#臨時墩墩頂處鋼箱梁截面，為頂推過程中最大負(fù)彎矩的78%。

圖5　頂推后主梁彎矩

(3)主梁應(yīng)力

頂推施工完成后，主梁上下緣應(yīng)力見圖6所示。計算結(jié)果表明：頂推完成后，鋼箱梁上緣最大拉應(yīng)力為和下緣最大壓應(yīng)力分別為26.2 MPa、32.9 MPa，應(yīng)力最值得位置均位于6#臨時墩墩頂主梁截面。

(4)主梁支反力

頂推施工完成后的各臨時墩支點(diǎn)反力見圖7，由計算結(jié)果可知，頂推完成后，最大支點(diǎn)反力為12 537 kN，出現(xiàn)在55#主塔橫梁處，為頂推過程中最大支反力的93%。

圖6　頂推后主梁上、下緣應(yīng)力

圖7　頂推后臨時墩支反力

3結(jié)論

本文采用專用橋梁分析軟件MIDAS Civil對某獨(dú)塔雙索面扁平鋼箱梁斜拉橋的頂推施工過程進(jìn)行仿真模擬，計算結(jié)果表明：①頂推過程中導(dǎo)梁前端最大向下?lián)隙葹?.156 m；頂推完成后鋼箱梁最大向下?lián)隙葹?.012 m；②頂推完成后鋼箱梁最大正彎矩為頂推過程中最大正彎矩的60%；最大負(fù)彎矩為頂推過程中最大負(fù)彎矩的78%；③頂推施工過程中鋼箱梁上下緣應(yīng)力水平處于～，頂推完成后鋼箱梁上下緣應(yīng)力水平位于-32.9～26.2 MPa，均低于Q345鋼材的強(qiáng)度容許值；④頂推完成后最大支點(diǎn)反力為頂推過程中最大支點(diǎn)反力的93%，且均出現(xiàn)在55#主塔橫梁處。

參考文獻(xiàn)：

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收稿日期：2016-04-21

作者簡介：柯亮亮(1983-)，男，陜西商州人，工程師，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)分析、橋梁荷載試驗(yàn)、橋梁加固設(shè)計及橋梁檢測等工作。

中圖分類號：U442

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：C

文章編號：1008-3383(2016)06-0097-03