鋼箱梁頂推施工過程分析

黃霞

摘要：文章結(jié)合某特大橋工程實(shí)例，對(duì)頂推施工中導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)形式選擇及截面尺寸的確定作了簡(jiǎn)單介紹，采用有限元方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值分析，分別對(duì)施工過程中導(dǎo)梁在自重荷載作用下的穩(wěn)定性、各墩支反力、鋼箱梁抗傾覆穩(wěn)定性、鋼箱梁應(yīng)力等進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明：頂推過程中，導(dǎo)梁穩(wěn)定性滿足要求;鋼箱梁在上墩前彎曲應(yīng)力最大，相應(yīng)剪應(yīng)力值則相對(duì)較小;墩頂支點(diǎn)反力、抗傾覆穩(wěn)定性均符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：頂推施工;有限元;鋼箱梁;抗傾覆穩(wěn)定性

0 引言

近年來，頂推施工被越來越廣泛地應(yīng)用于跨線、跨河等現(xiàn)澆施工困難的橋梁，并取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。在頂推過程中，導(dǎo)梁受力情況、懸臂端變形、箱梁抗傾覆穩(wěn)定性等成為施工控制之重點(diǎn)。本文結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)某特大橋的頂推施工的鋼導(dǎo)梁進(jìn)行設(shè)計(jì)、受力情況及穩(wěn)定性分析，并計(jì)算鋼箱梁在最不利情況下的抗傾覆穩(wěn)定性，為今后該類型橋施工提供參考。

1 工程概況

某雙塔雙索面特大跨度斜拉橋上部結(jié)構(gòu)采用的組合形式為（213+508+185）m，采用梁墩固結(jié)、塔梁分離的連結(jié)方式。塔柱采用折H型構(gòu)造，主塔高為195.1m，橋梁全長(zhǎng)956m，橋面凈寬27.7m。全橋主縱梁按施工次序依次分為ZL1～ZL65共65個(gè)節(jié)段，鋼梁平均重量為12.33t/m。其中貴州側(cè)邊跨ZL1～ZL22節(jié)段的施工方式為頂推施工，全長(zhǎng)236.8m。橋梁立面圖如下頁圖1所示。

2 鋼導(dǎo)梁的設(shè)計(jì)[1-2]

2.1 材料選用及設(shè)計(jì)參數(shù)

參照《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ025-86）[3]和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）[4]，鋼梁體系包含一種鋼材：Q370qD鋼材;導(dǎo)梁體系包含一種鋼材：Q235鋼材;臨時(shí)墩體系包含一種鋼材：Q345鋼材。Q370qD比Q345強(qiáng)度大，但都按Q345參數(shù)計(jì)算，各種材料容許應(yīng)力均不考慮提高系數(shù)。

2.2 輔助墩布設(shè)

在頂推過程中，由于在導(dǎo)梁前端上墩之前為一懸臂結(jié)構(gòu)，在自重荷載作用下，通常導(dǎo)梁前端的底面標(biāo)高會(huì)低于滑道頂面的標(biāo)高。因此，當(dāng)永久墩間距較大時(shí)，可在相鄰永久墩之間布設(shè)輔助墩以減小頂推跨度。本橋頂推共布設(shè)3個(gè)輔助墩：在2#～3#墩間布設(shè)輔助墩L1，墩跨為28.5m+36m;在3#～5#墩間布設(shè)輔助墩L2、L3，墩跨為32.75m+2×40m+35.75m。立柱采用“4×[WTBX]610×14”鋼管，鋼管間用萬能桿件連接成整體，保證輔助墩整體穩(wěn)定性。在墩頂橫向安裝分配梁，縱向安裝承重滑道。輔助墩構(gòu)造如圖2所示。

2.3 導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)形式比選

現(xiàn)階段使用的鋼導(dǎo)梁主要是以下兩種：鋼板梁;鋼桁梁?，F(xiàn)將兩種導(dǎo)梁的受力情況、自重、剛度等主要施工參數(shù)進(jìn)行比選，如表1所示。結(jié)合本橋?qū)嶋H施工情況，選擇如圖3所示的鋼板梁作為本項(xiàng)目鋼導(dǎo)梁的結(jié)構(gòu)形式。

2.4 導(dǎo)梁穩(wěn)定性分析

導(dǎo)梁在頂推過程中，需保證本身具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。本項(xiàng)目導(dǎo)梁的最大頂推跨度為40m，故以該最大跨度為例進(jìn)行導(dǎo)梁自身穩(wěn)定性分析。頂推前移時(shí)，導(dǎo)梁前端跨越40m跨徑，進(jìn)而伸出懸臂，改變受力狀態(tài)，鋼導(dǎo)梁的最不利情形狀態(tài)下的穩(wěn)定性需要計(jì)算分析才能確定。因而，選取導(dǎo)梁每前移2m作為一個(gè)計(jì)算工況，分析導(dǎo)梁在自重荷載作用下的受力狀態(tài)，確定導(dǎo)梁前移過程中的最不利情形。本次分析中共取了12個(gè)計(jì)算截面。采用MidasCivil軟件建立有限元模型（如圖4所示）。模型計(jì)算時(shí)采用以下假定：

（1）將鋼梁與導(dǎo)梁采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬;

（2）建模時(shí)，僅考慮ZL1～ZL22鋼梁節(jié)段，且僅考慮主梁和橫梁的作用;

（3）由模型運(yùn)算可知，主梁與橫梁自身重量只有設(shè)計(jì)圖紙重量的70%，因此，兩者結(jié)合運(yùn)算時(shí)，自重恒載系數(shù)為1/0.7=1.43;

（4）進(jìn)行正式頂推分析時(shí)，模型計(jì)算采取和該導(dǎo)梁驗(yàn)算模型相同的假設(shè);

（5）鋼箱梁頂推在前行時(shí)，除自身自重恒載外，不考慮其他諸如風(fēng)荷載、溫度荷載等相關(guān)荷載的影響，故不進(jìn)行其他荷載加載。

通過計(jì)算分析，可得出頂推前行時(shí)導(dǎo)梁在自身自重荷載作用下的最大彎矩和最大剪力值（詳見表2）。由此可見，當(dāng)導(dǎo)梁從輔助墩上頂推前移距離達(dá)到16m位置時(shí)，其在自重荷載作用下所受到的彎矩最大，達(dá)到了112.3MPa<145MPa;當(dāng)導(dǎo)梁從輔助墩上頂推前移距離達(dá)到20m位置時(shí)，其在自重荷載作用下所受到的剪力最大，相應(yīng)的剪應(yīng)力大小僅有28.2MPa<85MPa。此外，在導(dǎo)梁前移過程中，每個(gè)階段其彎曲應(yīng)力值相對(duì)較大，且出現(xiàn)的位置位于橫梁之上，而相應(yīng)的，剪切應(yīng)力值較小，其最大值位置均位于鋼板梁之上。基于以上分析，得出在導(dǎo)梁前移過程中，在自重荷載作用下，其穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求的結(jié)論。

2.5 頂推過程中導(dǎo)梁前端最大下?lián)?/p>

鋼箱梁頂推前移時(shí)需注意隨時(shí)觀察導(dǎo)梁前端下?lián)衔灰魄闆r。鋼箱梁在頂推到最大懸臂工況下時(shí)，即當(dāng)其前端位置上墩前，此時(shí)導(dǎo)梁前端下?lián)线_(dá)到極值。經(jīng)計(jì)算分析，導(dǎo)梁前移過程中各懸臂工況下其前端最大下?lián)衔灰圃?6～162mm之間。

3 頂推過程受力分析

3.1 計(jì)算工況劃分

鋼梁的特征工況主要為鋼梁頂推至每一跨間的最大懸臂狀態(tài)及其后上墩狀態(tài)，因而選取以下15個(gè)工況作為計(jì)算工況：

工況1：鋼箱梁前移到2#墩上墩前;

工況2：鋼箱梁前移到2#墩上墩后;

工況3：鋼箱梁前移到L1#墩上墩前;

工況4：鋼箱梁前移到L1#墩上墩后;

工況5：鋼箱梁前移到3#墩上墩前;

工況6：鋼箱梁前移到3#墩上墩后;

工況7：鋼箱梁前移到L2#墩上墩前;

工況8：鋼箱梁前移到L2#墩上墩前;

工況9：鋼箱梁前移到L3#墩上墩前;

工況10：鋼箱梁前移到L3#墩上墩后;

工況11：鋼箱梁前移到L4#墩上墩前;

工況12：鋼箱梁前移到L4#墩上墩后;

工況13：鋼箱梁前移到5#主塔上墩前;

工況14：鋼箱梁前移到5#主塔上墩后;

工況15：鋼箱梁前移到5#主塔尾端最大懸臂處。

3.2 頂推過程各工況下支點(diǎn)反力

本次頂推施工邊跨鋼梁在前行過程中需越過6個(gè)橋跨段，因而將施工方式分成6個(gè)節(jié)段推進(jìn)。為減小尾端懸臂引起的較大反力及鋼梁應(yīng)力，在頂推ZL1節(jié)段時(shí)不拼裝其鋼橫梁，直到頂推完畢后再拼裝ZL1節(jié)段鋼橫梁。隨著頂推的進(jìn)行，鋼梁節(jié)段不斷增加，懸臂跨度變大，結(jié)構(gòu)整體受力體系亦隨之發(fā)生改變，支撐點(diǎn)反力亦反復(fù)變化。分析得出，墩支點(diǎn)最大支反力出現(xiàn)在工況14狀態(tài)下，位置位于2#墩，其值為6063kN。

3.3 抗傾覆計(jì)算

在工況1情況下，即首批鋼梁頂推至2#墩前端上墩前，此時(shí)抗傾覆最不利，鋼箱梁最大懸臂為40m，而施工平臺(tái)上鋼梁簡(jiǎn)支段為42m，偏于安全考慮，將導(dǎo)梁當(dāng)作均布荷載進(jìn)行計(jì)算，導(dǎo)梁重量為18.2kN/m，后支點(diǎn)的支反力為626kN?？箖A覆系數(shù)為K=抗傾覆力矩/傾覆力矩=（123.3×42×21）/（626×42+123.3×18×9+18.2×22×29）=1.88>1.4，所以滿足抗傾覆要求。

3.4 鋼梁受力分析

通過MidasCivil軟件計(jì)算可得各工況狀態(tài)應(yīng)力值（見表3），由表中數(shù)據(jù)可知，鋼梁最大彎應(yīng)力出現(xiàn)在工況1、9、11、13狀態(tài)，為90.8MPa<210MPa;而在工況13、14作用下的剪應(yīng)力值最大，達(dá)到19.7MPa<120MPa，符合設(shè)計(jì)規(guī)范。

4 結(jié)語

近年來，頂推法作為橋梁施工的一種方法正在被普遍使用，對(duì)其施工受力性能的研究也不斷深入。使用頂推法施工時(shí)，為了減小主梁的受力和撓度，往往需要采用臨時(shí)墩和導(dǎo)梁等輔助設(shè)備。本文通過有限元分析了鋼箱梁在頂推施工過程中的受力情況，可得出以下結(jié)論：

（1）鋼梁在工況1、9、11、13狀態(tài)下的彎曲應(yīng)力最大，均為頂推過程中鋼梁上墩前;

（2）頂推過程中各墩頂支點(diǎn)反力均較小，最大為6066kN，箱梁抗傾覆穩(wěn)定性為1.88，滿足規(guī)范要求。

參考文獻(xiàn)：

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[3]JTJ025-86，公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]GB50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].