基于復(fù)雜預(yù)制線形鋼箱梁頂推計算探討

郭玉平（廣州市市政工程設(shè)計研究總院，廣東　廣州　510060）

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基于復(fù)雜預(yù)制線形鋼箱梁頂推計算探討

郭玉平（廣州市市政工程設(shè)計研究總院，廣東廣州510060）

在建造大型橋梁的時候經(jīng)常會用到頂推法，該種方法具備不影響橋位處交通狀況、有利于生產(chǎn)組織、減少施工設(shè)備、縮短施工工期、安全可靠等優(yōu)點．我國在頂推施工方面的研究和實踐都較為成熟。某橋梁在實施過程中采用頂推法施工，根據(jù)該橋的施工方案，通過有限元分析軟件建模分析計算，對橋梁結(jié)構(gòu)頂推施工及成橋運營階段等進(jìn)行了模擬分析。檢驗了施工各環(huán)節(jié)及成橋階段的受力性能，計算結(jié)果表明施工階段和成橋階段受力情況均能滿足規(guī)范要求。

鋼箱梁；頂推法；有限元；線形

1　引言

自從改革開放之后，我國經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展迅猛，尤其在建筑工程上更加突飛猛進(jìn)，而大型橋梁建設(shè)也是一項重要工作之一，其中頂推法多使用在大型橋梁的建設(shè)，這種頂推法具有很多特點：工期短、安全系數(shù)高、對被交道路交通影響小。人們對建筑工程需求越來越更加重視，頂推法不斷提高，目的是以滿足現(xiàn)代社會建筑需求。近兩年，雖然我國在大型橋梁建設(shè)中頂推法計算上取得了不小的成績，但大型橋梁建設(shè)中頂推法計算仍有待于完善和發(fā)展。因此必須結(jié)合現(xiàn)代化信息技術(shù)不斷地提高創(chuàng)新技術(shù)水平，并完善大型橋梁建設(shè)中頂推法計算，才能增強建筑市場競爭力，并為大型橋梁建設(shè)中頂推法施工提供良好的應(yīng)用前景，為社會經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

2　概述

兩面寺立交連接寺瓦路工程位于昆明市盤龍區(qū)?，F(xiàn)狀兩面寺立交為機場高速、虹橋路與繞城高速的相交節(jié)點，立交采用半苜蓿葉半定向的形式。現(xiàn)狀兩面寺立交缺少右轉(zhuǎn)進(jìn)入寺瓦路的匝道，為完善立交功能，解決兩面寺立交橋底交通擁堵的問題，本工程新建三條定向匝道實現(xiàn)虹橋路、繞城高速與寺瓦路的快速連接。其中B匝道為寺瓦路上虹橋路的高架匝道，位于第三層，于車行天下處起坡，在跨越虹橋路高架橋后，于右側(cè)接入現(xiàn)狀集散車道，然后接入虹橋路。B匝道橋橋?qū)捴饕獮?0m和8m兩種（其中有一聯(lián)變寬），橋梁結(jié)構(gòu)除上跨虹橋路采用一聯(lián)37+60+37+30m的鋼混疊合梁外，其它為現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。

B匝道37+60+37+30m鋼混疊合梁平面位于R=270m左偏圓曲線、Ls-115m緩和曲線及R=120m左偏圓曲線上，縱斷面位于R=1200m凸形豎曲線、+4.65%和-1.8%雙向縱坡上；37+60+37+30m鋼混疊合梁所處的平縱面線形較為復(fù)雜，曲線半徑小，線形組成復(fù)雜多樣。如圖1所示為橋梁立面布置圖，如圖2所示為橋梁典型橫斷面圖。

圖1　橋梁立面布置圖（單位：m）

3　施工方案

圖2　典型橫斷面（m m）

B匝道鋼箱梁施工難點是跨虹橋路高架橋，且跨度為60m，不便于在高架橋中間搭設(shè)支承系統(tǒng)，導(dǎo)致該區(qū)域吊裝施工受到限制；并且虹橋路高架橋車流量大，交通復(fù)雜，吊裝難度很大，因此跨虹橋路高架橋梁段采用頂推施工，剩余梁段采用吊裝完成。全部頂推梁段在臨時支架上拼裝好后，采用液壓千斤頂由北向南頂推，待梁段頂推到位后，原位拼裝剩余梁段。為方便運輸和制造，便于原材料定尺采購，將37+60+37+ 30m鋼箱梁按全橋縱向分為17個大節(jié)段；將其橫向分為4片（包含左右兩片挑檐）在現(xiàn)場組焊，所有分段線均避開應(yīng)力集中處。梁的材料選擇為：主橋鋼橫梁、鋼箱梁頂、底板及腹板鋼材材質(zhì)為Q345qD，橫隔板、I型及U型加勁肋材質(zhì)為Q235qD，后澆結(jié)合層為C50混凝土。

4　鋼箱梁頂推計算分析

4.1施工控制原則

在施工過程中，要以安全作為前提，需要對施工整體進(jìn)行全方面考慮。鋼箱梁由于強度較大，但鋼箱梁剛度不是可以控制因素，還需要進(jìn)行加強整個鋼箱梁的全部應(yīng)力和個別的局部應(yīng)力的分析，對于整體穩(wěn)定不是控制整個鋼箱梁的因素，但是影響整個鋼箱梁的因素就是局部應(yīng)力，特別是臨時支點位置、橫板、縱板的穩(wěn)定，所以在對應(yīng)力分析時要進(jìn)行全面考慮。

4.2有限元模型

采用橋梁分析軟件MIDAS CIVIL按空間梁單元對鋼箱梁頂推整個施工過程及成橋運營階段進(jìn)行整體受力分析，截面按鋼混組合截面。U形肋按照豎向抗彎慣性矩相同的原則等效為等高度的I形肋（12mm厚）進(jìn)行模擬。

空間計算模型見圖3所示。

圖3　空間結(jié)構(gòu)單梁模型示意圖

單梁模型每個支點設(shè)置2個支座約束。

4.3頂推階段計算

由于頂推懸臂長度度不大，頂推階段的鋼梁截面應(yīng)力較小，在頂推過程中主要關(guān)注臨時支承點鋼梁底板強橫隔處支承加勁肋的應(yīng)力，以及最大懸臂狀態(tài)頂推梁段的傾覆穩(wěn)定性。

經(jīng)計算，最大懸臂狀態(tài)下鋼導(dǎo)梁及主梁最大拉壓應(yīng)力不超過30MPa，滿足規(guī)范要求。頂推施工過程中最大支反力824kN，受壓加勁肋只計入50cm寬度強橫隔和豎向加勁肋FV1的面積進(jìn)行驗算，強橫隔板厚16mm，F(xiàn)V1板厚20mm，則承壓面積 A=0.5×0.016+0.02×0.25×2=0.018m2，則 σ=0.824/ 0.018=45MPa，滿足規(guī)范要求。

最大懸臂狀態(tài)下頂推梁段失穩(wěn)時以懸臂根部為旋轉(zhuǎn)軸，計算時將懸臂根部設(shè)固結(jié)約束，則支架端與懸臂端對該處的彎矩比值即為傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)。

傾覆狀態(tài)下對約束節(jié)點處的彎矩如圖4所示（單位：kN·m）：

圖4　

傾覆安全系數(shù)K=21596/7558=2.86〉2.5，考慮到頂推梁段平面為彎梁，有扭矩存在，計算安全系數(shù)取一定的富裕量，滿足規(guī)范要求。

4.4成橋運營階段計算

計算時考慮如下工況：①結(jié)構(gòu)自重；②二期荷載；③基礎(chǔ)變位；④溫度荷載；⑤梯度溫度；⑥汽車荷載（考慮沖擊力）。

（1）主梁應(yīng)力驗算

主橋應(yīng)力驗算時按1.0×①+1.0×②+1.0×③+1.0×④+1.0× ⑤+1.0×⑥進(jìn)行計算。該條件下，橋梁跨中最大正彎矩40658kN·m；支點最小負(fù)彎矩為49723kN·m。箱梁截面上緣最大拉應(yīng)力為114.7（考慮剪力滯為144.5）MPa〈［σW］=210MPa，最大壓應(yīng)力為114.3（考慮剪力滯為126.9）MPa〈［σW］=210MPa；箱梁截面下緣最大拉應(yīng)力為137.7（考慮剪力滯為147.3）MPa〈［σW］=210MPa，最大壓應(yīng)力為149.5（考慮剪力滯為174.9）MPa〈［σW］=210MPa。箱梁截面最大剪應(yīng)力為62.3MPa〈［τ］=120MPa，均滿足規(guī)范要求。

圖5　彎矩包絡(luò)圖

（2）撓度驗算

撓度驗算時按1.0×⑥/1.05進(jìn)行計算。在結(jié)構(gòu)重力和靜活載作用下結(jié)構(gòu)的豎向位移等值圖如圖6所示。首跨跨中最大豎向位移值最大為3.4cm〉L/1600=3650/1600=2.28cm，需設(shè)置預(yù)拱度。主跨跨中豎向位移值最大為17.4cm〉L/1600=6000/ 1600=3.75cm，需設(shè)置預(yù)拱度。第三跨跨中最大豎向位移值最大為1.47cm〈L/1600=3700/1600=2.3cm，無需設(shè)置預(yù)拱度。第四跨跨中豎向位移值最大為 2.88cm〉L/1600=2950/1600= 1.84cm，需設(shè)置預(yù)拱度。

圖6　結(jié)構(gòu)重力和靜活載作用下結(jié)構(gòu)最大位移（m m）

汽車荷載（不計沖擊力）所引起的跨中豎向撓度為：首跨2.41cm〈L/600=3700/600=6.2cm；第二跨6.27cm〈L/600=6000/ 600=10.0cm；第三跨1.87cm〈L/600=6000/600=6.2cm；第四跨1.34cm〈L/600=3000/600=5.0cm；均滿足規(guī)范要求。

圖7　汽車活載作用下結(jié)構(gòu)最大位移（m m）（不計沖擊）

5　結(jié)束語

兩面寺立交連接寺瓦路工程B匝道連續(xù)鋼箱梁 （上跨虹橋路高架橋）局部受場地限制，無法全聯(lián)設(shè)臨時墩進(jìn)行原位吊裝焊接，最終確定跨虹橋路高架橋梁段采用頂推施工，剩余梁段采用吊裝架設(shè)。

利用有限元軟件建立模型，對本橋37+60+37+30m連續(xù)鋼箱梁頂推施工過程和成橋運營階段進(jìn)行受力分析，計算表明施工階段和成橋階段受力情況均能滿足規(guī)范要求。

目前該鋼箱梁已成功頂推就位，剩余梁段也順利吊裝架設(shè)完成，驗證了頂推施工結(jié)合吊裝架設(shè)施工可靠性、安全性與先進(jìn)性，該施工技術(shù)的使用確保了施工期間虹橋路 （機場高速）的正常運營，又保證了施工進(jìn)度，為位于小半徑平面圓曲線和凸形豎曲線上的鋼箱梁安裝提供了新方法，對類似條件的橋梁施工具有借鑒作用。

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2016-6-16

U445.462

A

2095-2066（2016）19-0151-02