鋼箱梁頂推應力撓度影響的分析

盧長德

（中鐵二十一局集團第五工程有限公司 重慶 402160）

隨著橋梁建設(shè)的蓬勃發(fā)展，各種應對不同施工環(huán)境的施工工藝得以提出、發(fā)展。其中頂推法憑借自身的巨大優(yōu)勢被大量的應用到實際工程中。頂推法的施工現(xiàn)場小而集中，可以循環(huán)作業(yè)：集中預制→焊接→頂推，通過這三階段的循環(huán)施工來縮短工期[1]。雖然頂推法有著極大的優(yōu)點，其缺點也不能忽視：頂推法不僅對滑板、滑道、箱梁的幾何尺寸、焊接工藝要求較高[2]；而且，懸臂根部處的彎矩不能太大，否則容易發(fā)生傾覆的事故，否則可能發(fā)生局部變形過大、導梁端部撓度超限無法搭接至橋臺的情況[3]。

本文通過Ansys-apdl軟件建立了東崗立交橋拆除重建工程中四跨連續(xù)鋼箱梁的有限元模型，來模擬頂推施工過程懸臂端的不斷伸長的橋梁受力情況，并且能保證良好的計算精度。通過分析該工程中有無局部加強構(gòu)件的計算結(jié)果，得到如下結(jié)論：在布置補強構(gòu)件后，當鋼箱梁頂推至最遠端，導梁端頭的下?lián)铣潭瓤梢詼p輕18.3%左右；應力集中情況明顯減小，具體表現(xiàn)為滑塊處底板的U型肋處的拉應力與壓應力均不同程度的降低，局部變形減小了26.9%?？梢哉f明采用局部補強對鋼箱梁結(jié)構(gòu)的安全性以及頂推施工的順利實施都有明顯的貢獻。

1 工程介紹

蘭州市東崗立交橋拆除重建工程位于蘭州市東崗片區(qū)，為東崗東路與東崗立交的接點處，是蘭州中心城區(qū)東側(cè)重要的城市出入口。其中跨包蘭線部分為四跨連續(xù)鋼箱梁橋，橋梁里程為：K1+254.205～K1+384.205，總長度為130m?？鐝讲贾脼?3+42+35+30m，標準橋?qū)?5.5m，梁高1.8m。施工中還包括臨時支墩、滑道梁、滑塊、導梁等施工設(shè)備，這些設(shè)備均布置在橫斷面處。并且該橋支座與橋軸線斜交24.8°，有限元分析須考慮這部分的影響。

本橋梁由于寬度較寬、自重較大，在頂推跨線過程中滑塊處支座會有很大的支反力，進而引起應力集中現(xiàn)象即局部應力過大，因此本橋在頂推跨線時在滑道梁、滑塊處底板與頂板之間布置一定數(shù)量的補強槽鋼，本文對該補強構(gòu)件具體能提供多大有利影響的問題做進一步研究，為保障橋梁的施工安全以及為以后的工程實踐提供一定的經(jīng)驗依據(jù)。

2 總體施工方案

跨線橋的施工方法采用現(xiàn)場拼裝焊接+頂推跨越包蘭線的施工方式。3、4、5、6、7 段為頂推段，均在在 15# 墩西面的臨時支墩上進行 3～7 段各細分部分的吊裝焊接。1、2、8、9段為現(xiàn)場拼裝焊接段。全橋總重1800t，頂推部分1051t。

具體施工步驟為：

（1）澆筑15～19#橋墩混凝土，搭建臨時支墩與滑道梁，并在滑道梁中放置四氟板和滑塊，滑塊間距為4m。

（2）布置2臺連續(xù)自動預應力機在位于17#橋墩處搭建的臨時工作平臺上，通過鋼絞線將拉力傳遞給頂推段的最西端，使全橋受推力進而移動至目標位置。

（3）施工從第7段吊裝開始，在吊裝焊接完成、經(jīng)檢查質(zhì)量無誤后向東頂推，頂推距離為第6段鋼箱梁的長度10.532m。

（4）按照上一步的施工方法，以此吊裝并頂推7、6、5、4段，并在第7段東端安裝導梁。

（5）吊裝第3段，將3～7段向東頂推跨越包蘭線，采用滑塊掉落處滑道梁開槽措施對滑塊進行處理，頂推距離為16.4m時導梁抵達18#墩指定位置。

（6）拆除補強構(gòu)件以及導梁，并在支架平臺上完成第一、二段和第八、九段的焊接以及拼裝工作，完成落梁施工。

（7）最后按照設(shè)計線路標高完成落梁施工。

施工中為了減小頂推過程中導梁端部的撓度、不僅布置有局部補強構(gòu)件，還對臨時墩和滑道處鋼箱梁轉(zhuǎn)角位移做了一定優(yōu)化。本文重點研究局部補強構(gòu)件的效果，而且最不利工況為頂推跨線至最遠端時、懸臂根部全橋應力最大，因此本文重點分析導梁還未搭接前頂推懸臂過程，即施工步驟（5）狀態(tài)下的截面應力、導梁撓度的情況。

3 有限元模型

本橋梁為鋼箱梁橋，由于寬跨比較小無法采用Midas軟件中的桿系模型來模擬計算，因此本文采用Ansys軟件進行有限元分析，保證全施工過程的可靠、準確。

鋼箱梁的主體部分以及導梁部分，均采用shell181殼單元，該單元可以良好地反應較薄類結(jié)構(gòu)的力學特征。滑道梁上方底板處的局部補強結(jié)構(gòu)采用寬0.36m、高0.12m、長1.7～2.0m、厚0.012m的槽鋼，由于補強構(gòu)件不是本文重點研究分析的對象，因此采用beam189桿單元對補強構(gòu)件加以模擬。

鋼箱梁材質(zhì)為Q345耐候鋼鋼材，彈性模量E為2.06×1011kN/m2，泊松比為0.3，重度為7850kN/m3?；瑝K處的鋼板采用面約束來模擬支座反力情況。

其中，頂推過程涉及的3～7段以及導梁的Ansys有限元模型，局部補強構(gòu)件的有限元模型如圖1所示。

圖1 鋼箱梁以及導梁的有限元模型

4 結(jié)果分析

4.1 導梁撓度情況分析

本工程的頂推法施工的約束體系為每4m一個的滑塊來提供支反力，而滑塊在頂推施工中通過焊接固定在梁底，與鋼箱梁一起移動，當移動至懸臂端根部時則去掉滑塊。故有限元模型在每隔4m的位置施加三個方向的位移約束，當鋼箱梁頂推至懸臂根部時刪除該位置的約束。頂推距離為16.4m，故每4m定義一個工況，共計5個工況。

通過軟件計算得到橋梁各個位置的下?lián)铣潭?，其中頂推?6.4m處，鋼箱梁以及導梁部分的撓度如圖2所示。從中可以看出，由于橋墩與橋軸線斜交，導致鋼箱梁南側(cè)下?lián)洗笥诒眰?cè)。

圖2 鋼箱梁頂推至最大懸臂處的撓度

將鋼箱梁模型中每隔4m布置的約束逐一去除，并運算，得到模擬頂推過程中導梁端部的下?lián)辖Y(jié)果如圖3所示，計算結(jié)果見表1。

圖3 頂推過程中導梁端部的撓度

表1 南北側(cè)導梁端部撓度情況/cm

計算結(jié)果表明：無補強構(gòu)件的鋼箱在頂推過程中南北端導梁的撓度持續(xù)增加，基本呈2次拋物線的規(guī)律，即導梁下?lián)系某潭入S著頂推距離的增加而急劇增加。但是在布置補強構(gòu)件后，當頂推較遠一段距離后可以有效減輕導梁端部下?lián)铣潭龋陧斖浦磷钸h端下?lián)铣潭葴p輕18.3%左右。

總體說來，布置補強結(jié)構(gòu)可以提高截面的抵抗慣性矩、降低導梁搭接至橋墩的難度，如果在施工中遇到導梁端部撓度過大的情況，可以考慮采用這種方法。

4.2 鋼箱梁底板應力集中情況分析

鋼箱梁在頂推過程中，隨著懸臂部分自重的增加，懸臂根部的滑塊處的鋼箱梁底板的應力集中情況較為嚴重，施工中應重點分析此類位置的應力集中情況。

由于頂推16.4m至最大懸臂位置時，北側(cè)滑道梁滑塊處的鋼箱梁底板處的應力集中情況最大，故本文以此狀態(tài)為研究對象，計算得到該處的有限元應力如圖4所示，數(shù)值見表2。

圖4 最大懸臂位置時北側(cè)懸臂根部滑塊處應力集中情況

表2 最大懸臂處有無局部加強的計算結(jié)果

計算結(jié)果表明：補強構(gòu)件可以減少滑塊處由支反力引起的應力集中現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為底板處U型肋的上頂板的拉應力降低了57.2%，下底板的壓應力降低了17.4%。而且滑塊處的底板的局部變形減小了26.9%。應力集中情況明顯減小。可以看出補強構(gòu)件起到作用較為明顯。

5 結(jié)論

（1）頂推施工法中，布置局部補強構(gòu)件可以提高鋼箱梁的剛度，提高截面抗彎慣性矩，進一步保障施工中的安全性。

（2）在布置補強構(gòu)件后，當鋼箱梁頂推至最遠端，導梁端頭的下?lián)铣潭瓤梢詼p輕18.3%左右，有效降低頂推過程中導梁搭接至橋墩的難度。

（3）在布置補強構(gòu)件后，不僅應力集中情況明顯減小，而且鋼箱梁底板的局部變形減小了26.9%，可以證明局部補強對鋼箱梁結(jié)構(gòu)的安全性以及頂推施工的順利實施都有明顯的貢獻。