考慮支架剛度的鋼桁梁橋施工過程計算方法研究

盧偉柏

(邵陽市寶慶公路橋梁工程有限公司， 湖南 邵陽 422000)

考慮支架剛度的鋼桁梁橋施工過程計算方法研究

盧偉柏

(邵陽市寶慶公路橋梁工程有限公司， 湖南 邵陽 422000)

頂推拖拉法在簡支鋼桁梁的施工中應(yīng)用十分廣泛，施工過程中的傳力路徑明確，支架系統(tǒng)直接承受著多個支承節(jié)點傳遞下來的荷載，然而支承體系隨著施工步驟進行不斷發(fā)生著變化，支架系統(tǒng)承受的荷載也相應(yīng)發(fā)生變化，同時支承于支架系統(tǒng)上的橋梁因支架支承剛度的差異，反力分配也將發(fā)生變化。為確保頂推過程的安全性，不能簡單將支架與桁梁單獨進行分析。以某鋼桁梁橋為例，分別建立了桁梁-支架分離模型和耦合模型，對大跨度簡支鋼桁梁橋的頂推過程進行了分析，2種模型下的計算結(jié)果存在較大差異，施工過程分析需要考慮支架剛度的影響，為此提出了一種考慮支架剛度的模擬方法。

鋼桁梁橋； 頂推施工；支架 — 桁梁耦合； 施工分析

0 引言

鋼桁架橋作為一種常見的橋型，具有跨越能力大，施工周期短的諸多特點，加之其多樣化的造型現(xiàn)今依然被廣泛采用[1,2]。鋼桁架橋的施工方法多種多樣，其中以頂推法最為常見[3,4]，作為一種技術(shù)性較強的施工方法，頂推法對施工過程的控制需要更加精準，傳統(tǒng)的橋結(jié)構(gòu)與支架分開設(shè)計的方法，忽略了支架剛度對受力狀態(tài)的影響，已經(jīng)不能滿足精細化施工過程的要求[5-7]。借助空間通用有限元軟件，建立桁梁-支架耦合模型進行施工全過程的受力分析已經(jīng)完全能夠?qū)崿F(xiàn)，進而探尋一種能考慮支架剛度的模型進行支架體系以及施工方案的設(shè)計將變得更加安全而經(jīng)濟。

1 工程背景

本文依托項目為跨徑104 m的簡支鋼桁梁，主桁采用帶豎桿的三角形腹桿體系，節(jié)間長度8 m，主桁上弦采用折線形，主桁高10～15 m,兩片主桁間距15.7 m。橋面系采用疊合梁，由下部鋼梁(為縱橫梁體系)和上部混凝土橋面板組成。

根據(jù)橋梁的地理位置和現(xiàn)場具體情況，鋼桁梁的架設(shè)采用頂推拖拉法施工，即在一側(cè)河岸安裝臨時滑道梁支架體系，并在其上拼裝桁梁及橋面縱橫梁，通過在河中浮船上設(shè)置臨時支架墩，并在河岸軌道梁上勻速頂推主桁，直至另一河岸側(cè)落梁成橋，并完成橋面板安裝及附屬工程施工，施工方法示意圖見圖1所示。

圖1 施工方法及支架布置圖

2 結(jié)構(gòu)有限元分析模型

2.1 傳統(tǒng)計算方法

對于桁梁橋頂推過程的施工計算[8,9]，傳統(tǒng)方法是將桁梁與支架系統(tǒng)單獨進行分析，首先通過對桁梁施工全過程的模擬，得到桁梁頂推過程中每一階段的受力狀態(tài)，進而評判施工方案的安全與可行性；在滿足桁梁橋施工全過程安全性的前提下，提取出桁梁橋各施工階段反力，將其作為支架系統(tǒng)的荷載進行后續(xù)支架結(jié)構(gòu)的計算分析。

傳統(tǒng)計算方法將桁梁和支架分離為兩個獨立的系統(tǒng)進行分析，支架系統(tǒng)承受著上部桁梁傳來的荷載，通過反力將二者聯(lián)系起來，具有受力明確，概念清晰的特點，但支架與上部桁梁之間除了力的傳遞之外，還需要滿足變形協(xié)調(diào)條件[10]。由于支架變形是客觀存在的，支架不同部位對桁梁支撐剛度存在差異，這種差異將導致計算存在誤差，傳統(tǒng)計算往往忽略了這一點。

2.2 桁梁 — 支架耦合計算方法

為了探究支架剛度對桁梁頂推計算的影響程度，進而保證施工的安全性，本文提出了一種桁梁-支架耦合模型，該方法即將支架與桁梁結(jié)構(gòu)同時進行分析，自動考慮支架剛度對計算的影響，這種方法與實際情況更為接近。為了對比分析，本文同時建立了桁梁-支架分離模型，2種模型見圖2。

圖2 桁梁 — 支架分離模型及耦合模型

3 計算結(jié)果及分析

分別對桁梁 — 支架分離模型及耦合模型計算分析，得到2種模型下桁梁和支架的施工全過程受力狀態(tài)，對比2種設(shè)計方法的計算結(jié)果，得到支架體系在施工過程中對受力狀態(tài)的耦合影響程度，本文取支架全支撐和最大懸臂2個狀態(tài)進行對比分析。

3.1 全支撐狀態(tài)

在桁梁獨立模型中，通過桁梁支撐條件的激活與鈍化實現(xiàn)頂推過程的模擬，支架全支撐狀態(tài)即將下弦桿全部節(jié)點進行約束，并進行一次落架分析；桁梁-支架耦合模型中，隨著頂推桁梁不斷滑移，其支撐位置隨即發(fā)生改變，支撐點剛度也相應(yīng)變化，故即使處于全支撐狀態(tài)，桁梁在頂推滑移過程中受力也均不相同，本文僅列出某一位置作為對比進行論述，2種模型下的主桁軸力見圖3、圖4所示，節(jié)點反力見表1所示。

圖3 桁梁獨立模型主桁軸力(單位： kN)

圖4 桁梁 — 支架耦合模型主桁軸力(單位： kN)

表1 全支撐狀態(tài)節(jié)點反力表

從上述內(nèi)力結(jié)果可以看到：桁梁獨立模型中，由于不考慮支架剛度的影響，主桁弦桿相對變形較小，內(nèi)力較小，主要以腹桿受力為主，弦桿最大軸力為65 kN，腹桿最大軸力為180 kN；桁梁 — 支架耦合模型中，不同支撐節(jié)點處支架剛度的差異導致弦桿相對變形增大，弦桿受力變大，最大軸力為149 kN，相對弦桿而言腹桿內(nèi)力變化較為復雜，整體上腹桿內(nèi)力減小，但端腹桿受力增加明顯，最大為287 kN；由于受支撐剛度的不對稱，桁梁 — 支架耦合模型左右兩側(cè)內(nèi)力也出現(xiàn)了較大的差異。

施工過程中節(jié)點反力是設(shè)計支架體系的依據(jù)，其正確與否直接關(guān)系到支架的安全。通過2種模型節(jié)點反力的對比可以看到： ①是否考慮支架剛度節(jié)點反力分配出現(xiàn)明顯的差異，14號節(jié)點位置反力相差達到47%； ②獨立模型中節(jié)點反力最大值出現(xiàn)在5號和10號節(jié)點位置，最大值為689 kN，耦合模型中反力最大值出現(xiàn)在7號節(jié)點，最大值為620 kN，相比獨立模型，其最大節(jié)點反力反而減小了10%； ③因支架剛度的不均勻性，在各節(jié)點位置均不相同，反力變化也十分復雜，應(yīng)將施工步驟盡可能多的細化，進行全過程施工分析。

3.2 最大懸臂狀態(tài)

頂推施工過程中，主梁最大懸臂狀態(tài)受力最為不利，是進行施工全過程分析的控制性步驟，此時的內(nèi)力狀態(tài)及節(jié)點反力的準確計算十分重要，為了研究支架剛度對該狀態(tài)下受力狀態(tài)的影響，分別在桁梁獨立模型與支架 — 桁梁耦合模型中進行最大懸臂工況的受力分析。2種模型下的主桁軸力見圖5、圖6所示，節(jié)點反力見表2所示。

圖5 桁梁獨立模型主桁軸力(單位： kN)

圖6 桁梁 — 支架耦合模型主桁軸力(單位： kN)

表2 最大懸臂狀態(tài)節(jié)點反力表

最大懸臂狀態(tài)下，2種模型的主桁受力總體上相似，各桿件軸力相差較小，支架剛度對主桁的影響區(qū)域主要集中支架上的部位，懸臂段影響很??；反力最大值均出現(xiàn)在懸臂根部的支撐點，但反力數(shù)值相差仍達到了15%，后續(xù)支撐點反力差異也很明顯，特別是6號節(jié)點，反力差值達1.74倍。

4 支架剛度的模擬方法

桁梁獨立模型具有傳力明確的特點，由上述分析可知，支架剛度也不可以忽略，然而支架剛度本質(zhì)上體現(xiàn)在桁梁支撐剛度上，為此本文提出一種考慮支架剛度的桁梁獨立模型——可變支撐剛度桁梁模型，其思路為：

1) 通過獨立的支架模型，計算桁梁各支撐位置的剛度；

2) 通過不同的支撐剛度作為邊界條件施加在桁梁獨立模型的各支撐點；

3) 對桁梁獨立模型進行分析，得出該狀態(tài)下的受力情況及反力，作為支架設(shè)計的依據(jù)。

以上述全支撐狀態(tài)為例，通過支架獨立模型得到的各支點剛度如表3所示。

表3 桁梁各支撐點剛度

建立可變支撐剛度桁梁模型，通過帶剛度的點彈簧模擬不同剛度的支撐邊界，從而間接考慮支架剛度對桁梁頂推過程的影響，將不考慮支架剛度的獨立模型、考慮支架剛度的耦合模型以及考慮支架剛度的變剛度模型所得的反力進行對比，如表4、圖7所示。

表4 3種模型下節(jié)點反力 kN

圖7 3種模型下的反力

從圖7、表4可以看出：

1) 變剛度模型與支架耦合模型所得反力分配相差很小，其中2號節(jié)點相差最大13 kN，僅為4%，采用該種方法可以很好地反映支架剛度對施工過程的影響。

2) 變剛度模型與支架耦合模型出現(xiàn)差異的原因在于計算支撐剛度之時，忽略了交叉項的影響，而從計算結(jié)果可以看到該項影響甚微，為簡化模型可以忽略。

3) 變剛度模型將支架與上部結(jié)構(gòu)分離，可通過支撐位置及支撐剛度的變化方便實現(xiàn)頂推全過程的模擬。

5 結(jié)論

1) 支架剛度對桁梁頂推過程受力狀態(tài)以及支點反力分配影響十分明顯，進行桁梁施工過程分析不可忽略支架剛度的影響。

2) 桁梁頂推過程中，支撐位置不斷發(fā)生變化，各點的支撐剛度也隨著位置移動而發(fā)生改變，支撐剛度的大小與支架布置及所處位置相關(guān)。

3) 采用帶剛度的彈簧單元可以很好地模擬支撐剛度，進而通過支撐位置及彈簧剛度的變化實現(xiàn)頂推全過程的模擬，避免了支架 — 耦合模型的復雜性。

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2017-04-10

盧偉柏(1982-)，男，工程師，主要從事路橋建設(shè)。

1008-844X(2017)02-0208-04

U 445.462

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