基于ANSYS的鋼槽梁頂推施工過(guò)程分析與研究

汪學(xué)進(jìn)，薛志武

（1.中交二航局第四工程有限公司，安徽 蕪湖 241000；2.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430000）

1 應(yīng)用背景

對(duì)比吊裝施工技術(shù)，頂推施工技術(shù)優(yōu)點(diǎn)頗多：基本不會(huì)影響現(xiàn)有交通的正常通行、現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)單、施工成本低、效率高等[1-2]。頂推施工技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)包括施工過(guò)程中的各支點(diǎn)反力的控制，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移，腹板穩(wěn)定性以及傾覆穩(wěn)定性控制等。大型有限元分析軟件ANSYS通過(guò)建立全橋模型，仿真頂推施工全過(guò)程，可以較準(zhǔn)確地提取施工過(guò)程中的各關(guān)鍵點(diǎn)的理論數(shù)據(jù)[3]。

2 工程概況

沙埕灣跨海大橋起點(diǎn)銜接佳陽(yáng)互通主線（起點(diǎn)樁號(hào)K13+011）、終點(diǎn)銜接店下互通主線（終點(diǎn)樁號(hào)左幅K15+065、右幅K15+001）。大橋位于福鼎市佳陽(yáng)鄉(xiāng)竹甲鼻附近，起于竹澳，建北引橋后，以主跨535 m的主橋跨越竹甲鼻與青嶼島之間的北汊水域（水面寬約485 m），經(jīng)青嶼島，接南引橋跨越南汊水域（水面寬約300 m），于阮家渡村登陸。其中南引橋左右幅均采用 6×80 m+（64+4×80）m鋼-混組合梁。采用分離式斷面，橋面寬度2×18.1 m。南引橋位于R1=∞、R2=1 730 m的緩和曲線及R3=1730 m的圓曲線上，縱斷面位于半徑R4=50000m兩側(cè)縱坡分別為-2.499%與-2.0%的豎曲線內(nèi)（見(jiàn)圖 1）。

圖1 南引橋全橋總圖（左幅）（mm）Fig.1 General layout of the whole south approach bridge（Left）(mm)

3 頂推施工工藝介紹

南引橋上部結(jié)構(gòu)采用鋼槽梁頂推到位后安裝橋面板的施工工藝。鋼槽梁采用分幅頂推施工，總頂推重量約10 500 t。頂推設(shè)計(jì)擬采用先右幅，后左幅，橋臺(tái)拼裝，由大墩位往小墩位方向多點(diǎn)同步步履式頂推工藝。頂推設(shè)備為800 t步履式頂推設(shè)備，結(jié)構(gòu)主要有導(dǎo)梁、臨時(shí)墩、承載梁和操作平臺(tái)等（見(jiàn)圖1）。

單幅頂推時(shí)，最多需要28臺(tái)頂推設(shè)備，采用1臺(tái)總控集中控制。單臺(tái)設(shè)備重約4 t，頂推速度10～18 m/d。全橋共設(shè)3個(gè)臨時(shí)墩，右幅2個(gè)，左幅1個(gè)。臨時(shí)墩采用φ630×10 mm鋼管，分配梁采用HM588×300 mm型鋼，采用嵌巖樁基礎(chǔ)。永久墩墩頂布置2臺(tái)頂推設(shè)備，設(shè)備頂部設(shè)置承載梁（見(jiàn)圖2）用于鋼槽梁頂推。2臺(tái)頂推設(shè)備中心距3.05 m，承載梁可滿(mǎn)足鋼槽梁±400 mm的橫向偏位。

圖2 承載梁結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of bearing beam structure

施工工藝總體采用先右幅，后左幅，邊頂推邊糾偏，設(shè)備橫移的方案進(jìn)行，頂推過(guò)程中，以末端為定點(diǎn)，整體向平曲線圓心糾偏[4]，輔以部分位置設(shè)備橫移，以保證鋼槽梁腹板始終在頂推設(shè)備支承面范圍內(nèi)。

4 計(jì)算分析

4.1 載荷

頂推施工通過(guò)逐節(jié)拼裝逐節(jié)頂推完成鋼槽梁施工，頂推過(guò)程主要荷載有以下幾部分。

1）鋼槽梁自重荷載：鋼槽梁節(jié)段重量（見(jiàn)表1），考慮1.35的分項(xiàng)系數(shù)。

2）導(dǎo)梁自重荷載：50 m導(dǎo)梁重1 220 kN，考慮1.35的分項(xiàng)系數(shù)。

3）風(fēng)荷載：工作風(fēng)速為6級(jí)，風(fēng)壓力Wk1=0.3 kN/m2；非工作最大風(fēng)為12級(jí)，風(fēng)速V=35.2 m/s（10 m高度），Wk2=2.18 kN/m2，考慮1.4的分項(xiàng)系數(shù)。

表1 鋼槽梁節(jié)段重量表Table 1 Weight of steel groove beam segments

4.2 工況分析

根據(jù)橋墩分布和現(xiàn)場(chǎng)地形等條件，對(duì)左幅的頂推全過(guò)程擬選21種工況作為典型工況進(jìn)行計(jì)算分析（部分工況見(jiàn)表2），其中大部分工況為導(dǎo)梁即將上墩的最大懸臂狀態(tài)。

表2 左幅頂推計(jì)算工況Table 2 Calculation conditions of left incremental launching

4.3 頂推全過(guò)程計(jì)算分析

利用大型有限元分析軟件ANSYS建立全橋模型并進(jìn)行分析。主梁結(jié)構(gòu)以及導(dǎo)梁主肢采用shell63板單元建模，導(dǎo)梁連接桁架采用beam188單元建模。

模擬采用倒退連續(xù)梁進(jìn)行計(jì)算，即建立全橋模型后，根據(jù)施工的不同階段激活相應(yīng)階段的單元，然后將各墩依次往后移動(dòng)，來(lái)模擬施工的全過(guò)程[5]。

由頂推臨時(shí)結(jié)構(gòu)各支點(diǎn)反力匯總（見(jiàn)表3）得出，最大反力值為9 353 kN，出現(xiàn)在工況6，位于3號(hào)臨時(shí)墩（20號(hào)橋墩的墩旁支架），內(nèi)外側(cè)兩支點(diǎn)反力分別為4 915 kN，4 438 kN；最大反力值為10 006 kN，出現(xiàn)在工況8，位于19號(hào)橋墩，內(nèi)外側(cè)兩支點(diǎn)反力分別為5 204 kN，4 801 kN。最大懸臂時(shí)的內(nèi)外側(cè)支點(diǎn)反力差值大約在450 kN，約為兩支點(diǎn)平均反力的45%，故鋼槽梁的水平圓弧曲線引起的質(zhì)量偏心對(duì)同一墩座處的兩設(shè)備的載荷分配影響較小。

表3 左幅頂推施工過(guò)程最大應(yīng)力位移統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistical table of maximum stress and displacement of left incremental launching construction process

計(jì)算左幅頂推過(guò)程中鋼槽梁和導(dǎo)梁最大應(yīng)力出現(xiàn)在工況8（見(jiàn)圖3），即最大懸臂位置，σmax=239.5 MPa＜f=290 MPa；最大位移出現(xiàn)在工況6，位移值為1 496 mm，在上墩允許下?lián)戏秶鷥?nèi)，頂推施工鋼槽梁和導(dǎo)梁強(qiáng)度及剛度滿(mǎn)足要求。工況20、21僅作為加固方案的驗(yàn)證工況不納入最大應(yīng)力、應(yīng)變、反力的統(tǒng)計(jì)。計(jì)算結(jié)果表明加固區(qū)域?qū)Y(jié)構(gòu)有明顯的改進(jìn)作用，加固區(qū)域滿(mǎn)足鋼槽梁的頂推使用需求。

圖3 工況8鋼槽梁應(yīng)力云圖（左幅）Fig.3 Stress nephogram of steel groove beam under working condition 8（Left）

4.4 腹板局部穩(wěn)定性計(jì)算分析及優(yōu)化

根據(jù)總體計(jì)算提取最大支點(diǎn)反力進(jìn)行局部腹板穩(wěn)定性校核[6]。頂推設(shè)備接觸面為順橋向1 180 mm×橫橋向650 mm。鋼槽梁腹板最薄厚度為16 mm，頂板最薄厚度為30 mm，底板最薄厚度為20 mm。

頂推鋼槽梁時(shí)，其下翼緣受壓，上翼緣受拉，當(dāng)頂推設(shè)備處于相鄰兩塊橫隔板之間時(shí)，腹板受力最危險(xiǎn)。根據(jù)鋼槽梁截面參數(shù)，腹板截面的拉壓分界線與頂板距離值為2 371 mm。上（A）、中（B）和下（C）的3個(gè)區(qū)格的受力狀態(tài)分別為純拉、拉壓及純拉，僅按配置橫向加勁肋的腹板進(jìn)行B區(qū)和C區(qū)格穩(wěn)定性分析[7]，代入相關(guān)數(shù)據(jù)易算得B區(qū)穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求，C區(qū)穩(wěn)定性值為1.15＞1，不滿(mǎn)足要求。

經(jīng)過(guò)分析對(duì)鋼槽梁進(jìn)行一定的穩(wěn)定性加固（見(jiàn)圖4）。分析易得，只需對(duì)高度為1 000 mm的受壓區(qū)格進(jìn)行穩(wěn)定性分析，計(jì)算有加強(qiáng)后的穩(wěn)定性值為0.97，鋼箱梁腹板局部穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求。

圖4 鋼槽梁穩(wěn)定性加固示意圖Fig.4 Schematic diagram of steel groove beam stability reinforcement

4.5 傾覆穩(wěn)定性分析

拼裝導(dǎo)梁（見(jiàn)圖5）及初始部分節(jié)段的鋼槽梁時(shí)，整體結(jié)構(gòu)支點(diǎn)少，整體結(jié)構(gòu)重心位置變化大，存在往前點(diǎn)頭的風(fēng)險(xiǎn)和頂不起來(lái)的情況?，F(xiàn)對(duì)導(dǎo)梁拼裝過(guò)程進(jìn)行傾覆性分析[8]。導(dǎo)梁長(zhǎng)50 m，重量122 t。綜合考慮安裝、結(jié)構(gòu)加工工藝、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等條件，導(dǎo)梁分為6個(gè)節(jié)段。

導(dǎo)梁拼裝工藝流程分為5個(gè)步驟：

圖5 導(dǎo)梁分段示意圖Fig.5 Schematic diagram of guide beam segments

步驟1：右幅頂推前準(zhǔn)備和導(dǎo)梁安裝，在拼裝平臺(tái)安裝右幅第1～3節(jié)導(dǎo)梁；

步驟2：將導(dǎo)梁向前頂推8 m，安裝第4節(jié)導(dǎo)梁；

步驟3：將導(dǎo)梁向前頂推7.5 m，安裝第5節(jié)導(dǎo)梁，并在導(dǎo)梁尾部安裝40 t配重塊。配重重心到第5、6節(jié)段接縫的距離為2 m；

步驟4：將導(dǎo)梁向前頂推6.5 m，安裝第6節(jié)導(dǎo)梁；

步驟5：將導(dǎo)梁向前頂推7 m，開(kāi)始安裝鋼槽梁。

經(jīng)計(jì)算，在步驟4，第6節(jié)導(dǎo)梁拼裝前，前5節(jié)導(dǎo)梁處于最大懸臂狀態(tài)。此時(shí)，后支點(diǎn)（1號(hào)支點(diǎn)）反力32 kN約為前支點(diǎn)反力836 kN（2號(hào)支點(diǎn)）的4%，不滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求。需在第5節(jié)段導(dǎo)梁上增加配重。通過(guò)反算，當(dāng)增加40 t配重時(shí)，后支點(diǎn)（1號(hào)支點(diǎn)）反力約為前支點(diǎn)反力（2號(hào)支點(diǎn)）的14.5%?？箖A覆穩(wěn)定系數(shù)K=5.2，導(dǎo)梁穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求。

5 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)建立全橋的有限元模型，模擬了頂推施工的全過(guò)程，得到了施工過(guò)程中的各關(guān)鍵點(diǎn)的理論數(shù)據(jù)，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)頂推油缸實(shí)際監(jiān)測(cè)反力與理論計(jì)算反力高度吻合，驗(yàn)證了模型計(jì)算的可靠性。同時(shí)理論計(jì)算得到的反力，是頂推設(shè)備選型和局部穩(wěn)定性計(jì)算的輸入條件。

2）利用ANSYS建立的全橋板單元模型，便于驗(yàn)證模型的局部加固改善效果。通過(guò)在最大懸臂區(qū)域的一定范圍內(nèi)設(shè)置橫向筋板，能較好地改善腹板局部穩(wěn)定性。