步履式頂推鋼箱梁墊塊性能對比分析

陳 君，吳 波，朱利明，黃國紅，徐 松

(1. 江蘇省南京市公共工程建設(shè)中心，南京 210009；2. 南京工業(yè)大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，南京 210009)

步履式頂推施工法具有安全程度高、頂推平穩(wěn)、主梁軸線調(diào)整便利等優(yōu)勢，因而廣泛運用于跨越深谷、河流、公路以及鐵路等橋梁施工中[1-2]。在鋼箱梁頂推施工過程中，主梁受自重效應(yīng)或設(shè)置的預(yù)拱度等因素影響，主梁在墊塊長度區(qū)域內(nèi)的前后端會產(chǎn)生一定的豎向位移差值，這個高差定義為轉(zhuǎn)角位移。轉(zhuǎn)角位移反映出墊塊和主梁底板的不均勻接觸，這種不均勻接觸會導(dǎo)致主梁支承區(qū)域出現(xiàn)屈服，對頂推施工過程的結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生很大影響[3-4]。在橋梁頂推施工中，墊塊的選擇通常根據(jù)工程經(jīng)驗，這樣不僅無法保證頂推過程中結(jié)構(gòu)的安全，還會延長施工工期并增加施工成本，進而添加很多不必要的麻煩[5]。步履式頂推施工過程中因墊塊參數(shù)選擇不當(dāng)，造成主梁支承區(qū)域局部應(yīng)力超限，鋼箱梁底板被頂凹的情況也很多，因此分析墊塊參數(shù)對鋼箱梁局部受力的影響就顯得尤為重要。

謝祺[5]認(rèn)為選擇彈性模量較小的墊塊，可有效改善支承處接觸不均勻的現(xiàn)象，墊塊的長度越長對支承處的局部受力就越有利；李傳習(xí)等[6]認(rèn)為墊塊在設(shè)計面積條件下，其彈性模量減小至鋼材的60%時，支承位置處鋼梁局部受力改善顯著，墊塊寬度的大小對支承處的局部受力無顯著影響；李興全等[7]分別分析4種墊塊對鋼箱梁局部受力的影響，建議采用Ⅱ類橡膠墊塊或聚四氟乙烯板作為彈性墊層；蔣雄[8]在對比設(shè)置橡膠墊塊和不設(shè)橡膠墊塊兩種情況后認(rèn)為設(shè)置橡膠墊塊可有效改善鋼箱梁局部受力問題。目前，步履式頂推施工墊塊的選擇主要根據(jù)工程經(jīng)驗，針對墊塊參數(shù)對鋼箱梁局部受力的影響研究較少，本研究以南京龍翔西立交建設(shè)工程為背景，基于通用有限元軟件ABAQUS建立典型不利工況下“殼-實體-接觸”混合有限元模型，分析步履式頂推施工中墊塊參數(shù)對鋼箱梁局部應(yīng)力的影響，提出墊塊參數(shù)的合理取值，其結(jié)果可為相關(guān)工程設(shè)計及步履式頂推施工提供參考。

1 工程背景

南京龍翔西立交建設(shè)工程，其上部結(jié)構(gòu)采用簡支鋼箱梁，跨徑為60 m，在兩端過渡墩處均與現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁連接。鋼箱梁采用步履式頂推施工，頂推距離為(6.7+39+60)m，頂推立面布置如圖1所示。橋面總寬為38.5 m，左右對稱，橋面設(shè)雙向2%橫坡，采用雙箱斷面，每個箱體3個箱室，主梁高度為2.6 m，單個箱體底板寬度為 12.625 m，兩個箱體間隔為5.5 m。根據(jù)鋼箱梁分體寬幅的結(jié)構(gòu)特點，在主梁梁底設(shè)置橫向4支點步履式頂推設(shè)備，每套頂推設(shè)備采用單個豎向千斤頂和水平千斤頂，豎向千斤頂直徑為320 mm，水平千斤頂直徑為140 mm，步履式頂推設(shè)備上未布設(shè)分配梁或墊梁，其上直接布置鋼墊塊和其他墊塊，鋼墊塊和其他墊塊接觸面積相同。頂推過程中，步履式頂推設(shè)備中軸線與中腹板對齊，縱向頂推步距為0.6 m，滑道處鋼箱梁橫截面如圖2所示。

圖1 頂推立面布置(單位：mm)

圖2 滑道處鋼箱梁橫截面(單位：mm)

2 結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 頂推施工全過程仿真分析

2.1.1 建立有限元整體模型

采用midas Civil有限元軟件建立空間計算分析模型，桿系有限元模型如圖3所示，主梁、導(dǎo)梁采用空間梁單元模擬，對橋梁整個頂推過程進行施工模擬，采用“墩動梁不動”方式模擬橋梁頂推過程，以每頂推1 m作為1個計算步長，施工計算模擬共劃分108個施工階段。該模型采用直角坐標(biāo)系，X軸為縱橋向，Y軸為橫橋向，Z軸為豎橋向。頂推過程中支承位置對鋼箱梁的約束，采用“彈性約束”中的“僅受壓”，前導(dǎo)梁前端約束Y的平動和X、Z的轉(zhuǎn)動、后導(dǎo)梁后端約束X、Y的平動和X、Z的轉(zhuǎn)動。

圖3 桿系有限元模型

2.1.2 典型不利工況的確定

通過全過程仿真分析，以主梁“懸臂端撓度+支反力”綜合確定典型不利工況，典型不利工況發(fā)生在頂推64.5 m工況下(即前導(dǎo)梁即將抵達M08墩時)，此時主梁前端撓度為-52.8 mm(撓度以向上為正，向下為負(fù))，反力最大值發(fā)生在M09墩，數(shù)值達到10 725.5 kN。

2.2 “殼-實體-接觸”混合有限元模型

2.2.1 建立有限元局部模型

頂推過程中，鋼箱梁與導(dǎo)梁連接為一個整體，本文選取60 m鋼箱梁，采用大型通用軟件ABAQUS建立“殼-實體-接觸”混合有限元模型，如圖4所示，分析頂推過程中墊塊參數(shù)對鋼箱梁局部應(yīng)力的影響。鋼箱梁段采用殼單元S4R、S3R，墊塊采用實體單元C3D8R。主梁模型網(wǎng)格尺寸為0.2 m，墊塊模型網(wǎng)格尺寸細(xì)化為0.1 m。鋼箱梁、鋼墊塊的密度均為7 850 kg/m3，彈性模量E取206 GPa，泊松比μ取0.3, 墊塊布置如圖5所示。

圖4 “殼-實體-接觸”混合有限元模型

圖5 墊塊布置

2.2.2 邊界條件的模擬

在ABAQUS“殼-實體-接觸”混合有限元模型中，主梁兩端各建立1個參考點，參考點與主梁兩端節(jié)點采用耦合約束的方式連接在一起[9]，耦合約束放大圖如圖6所示。鋼箱梁與墊塊的相互作用，接觸類型采用面-面離散方式約束，法向硬接觸，切向無摩擦，以剛度較大的鋼箱梁底板接觸面作為主面，墊塊頂面作為從面，面-面接觸局部放大圖如圖7所示；墊塊底面固結(jié)，未考慮步履式頂推裝置具體細(xì)節(jié)及鋼墊塊。該模型采用直角坐標(biāo)系，X軸為橫橋向，Y軸為豎橋向，Z軸為縱橋向。主梁前端參考點約束X方向的平動和Y、Z方向的轉(zhuǎn)動；主梁后端參考點約束X、Z方向的平動和Y、Z方向的轉(zhuǎn)動[10-11]。

圖6 耦合約束放大圖

圖7 面-面接觸局部放大圖

2.2.3 計算荷載

提取midas Civil整體模型頂推64.5 m工況下，主梁兩端截面的剪力和彎矩，將其加載至ABAQUS模型對應(yīng)的主梁兩端截面參考約束點上；重力加速度取9.8 m/s2。

3 墊塊參數(shù)對比分析

3.1 墊塊面積對鋼箱梁局部受力的影響

3.1.1 計算模型的建立

本節(jié)基于ABAQUS“殼-實體-接觸”混合有限元模型分析5種墊塊接觸面積對鋼箱梁局部受力的影響，墊塊面積分別為：200 mm×200 mm；400 mm×400 mm；600 mm×600 mm；800 mm×800 mm；1 000 mm×1 000 mm。根據(jù)工程經(jīng)驗，墊塊厚度暫取為100 mm，墊塊彈性模量暫取為鋼墊塊的彈性模量(E=206 000 MPa)。

3.1.2 計算結(jié)果分析

頂推施工中，鋼墊塊通常用于調(diào)整主梁支點標(biāo)高，其他墊塊布置于鋼墊塊之上，直接與主梁梁底接觸，墊塊的面積直接影響著主梁支承區(qū)域局部效應(yīng)，因此本節(jié)針對墊塊面積對鋼箱梁局部受力進行初步分析。主梁主要構(gòu)件在不同墊塊邊長下最大等效應(yīng)力趨勢如圖8所示。

圖8 主梁主要構(gòu)件在不同墊塊邊長下最大等效應(yīng)力趨勢

由圖8可知：

(1) 各主要構(gòu)件在墊塊邊長為600 mm工況下，最大等效應(yīng)力由大到小依次排序為腹板、底板U肋、滑道加勁、底板、橫隔板、頂板、頂板U肋。腹板的等效應(yīng)力最大，這是因為墊塊和主梁底板的接觸區(qū)域內(nèi)，由于支反力的作用使底板產(chǎn)生凸起，而在底板上恰好有一塊腹板，底板的凸起被腹板限制，從而使底板和腹板連接處產(chǎn)生應(yīng)力集中。

(2) 隨著墊塊邊長的增加，腹板等效應(yīng)力有明顯降低趨勢，墊塊邊長增加至400 mm以后腹板等效應(yīng)力穩(wěn)定于290 MPa左右，墊塊長度增加至1 000 mm 后，腹板等效應(yīng)力達到最小值270 MPa，這是因為墊塊邊長的增加，使墊塊和底板的支承接觸區(qū)域達到底板U肋處，底板U肋相應(yīng)承擔(dān)一部分作用力；底板U肋等效應(yīng)力有增長趨勢，這是因支承接觸區(qū)域離底板U肋越來越近導(dǎo)致；底板和滑道加勁始終在125 MPa附近波動，無明顯趨勢；遠(yuǎn)離支承區(qū)域的橫隔板、頂板、頂板U肋無明顯等效應(yīng)力變化。

(3) 墊塊面積的選擇不但要滿足鋼箱梁應(yīng)力限值的要求，還要從經(jīng)濟性和適用性去考慮，當(dāng)墊塊邊長達到400 mm時性價比最高，但考慮到墊塊面積應(yīng)留有一定的安全儲備面積，綜合確定墊塊邊長為600 mm時較為合適。

3.2 墊塊厚度對鋼箱梁局部受力的影響

3.2.1 計算模型的建立

在3.1節(jié)分析中，綜合確定墊塊邊長為600 mm時為較合適的墊塊面積，本節(jié)基于上述研究，分析5種墊塊厚度對鋼箱梁局部受力的影響，墊塊厚度分別為20 mm、40 mm、60 mm、80 mm和100 mm。根據(jù)工程經(jīng)驗，墊塊彈性模量暫取為鋼墊塊的彈性模量(E=206 000 MPa)。主梁主要構(gòu)析在不同墊塊厚度下最大等效應(yīng)力趨勢如圖9所示；墊塊在不同厚度下最大等效應(yīng)力趨勢如圖10所示。

圖9 主梁主要構(gòu)件在不同墊塊厚度下最大等效應(yīng)力趨勢

圖10 墊塊在不同厚度下最大等效應(yīng)力趨勢

3.2.2 計算結(jié)果分析

由圖9和圖10可知：

(1) 墊塊厚度的增長對主梁各主要構(gòu)件最大等效應(yīng)力無顯著影響。

(2) 墊塊厚度的增長對墊塊本身等效應(yīng)力影響較大，并且總體呈遞減趨勢。當(dāng)墊塊厚度達到80 mm 時，墊塊等效應(yīng)力達到最小值174.7 MPa，因此選取墊塊厚度為80 mm為合適的墊塊厚度。

3.3 墊塊剛度對鋼箱梁局部受力的影響

3.3.1 計算模型的建立

在3.1節(jié)和3.2節(jié)分析中，綜合確定墊塊邊長為600 mm、墊塊厚度為80 mm為合理的墊塊尺寸，本節(jié)基于上述研究分別選取4種墊塊剛度，研究對鋼箱梁局部受力的影響。在墊塊尺寸相同的情況下，其剛度的大小主要取決于彈性模量，因此選取墊塊分別為Ⅰ類橡膠墊(E=30 MPa)、Ⅱ類橡膠墊(E=500 MPa)、聚四氟乙烯板(E=1 420 MPa)和鋼板(E=206 GPa)。

3.3.2 計算結(jié)果分析

墊塊在主梁自重荷載作用下產(chǎn)生壓縮變形，以此來自適應(yīng)主梁梁體線形的變化，從而保證主梁底板和墊塊頂面產(chǎn)生較好的貼合，通過改變墊塊的彈性模量，從而避免主梁局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。不同墊塊應(yīng)力如圖11所示。

(a) 鋼板墊塊(E=206 GPa)應(yīng)力

由圖11可知：

(1) 墊塊采用鋼板墊塊(E=206 GPa)時，墊塊等效應(yīng)力在墊塊橫、順橋向上受力分布極不均勻；當(dāng)墊塊在順橋向距離為0 mm、橫橋向距離為300 mm 時，墊塊等效應(yīng)力出現(xiàn)最大值，這是因為在墊塊和主梁底板接觸時，底板的變形受到中腹板的限制，使墊塊受力不均勻，從而造成墊塊的應(yīng)力集中。

(2) 當(dāng)墊塊彈性模量減小時，墊塊和主梁底板的接觸受力變得越來越均勻，主梁的接觸受力區(qū)域變大，使墊塊的應(yīng)力水平變得更加均勻。

主梁主要構(gòu)件在不同墊塊彈性模量下最大等效應(yīng)力趨勢如圖12所示。

圖12 主梁主要構(gòu)件在不同墊塊彈性模量下最大等效應(yīng)力趨勢

由圖12可知：

(1) 當(dāng)墊塊彈性模量為206 GPa時，腹板最大等效應(yīng)力達到292.7 MPa，超過Q345鋼材基本允許應(yīng)力210 MPa[6]；隨著墊塊彈性模量的降低，當(dāng)墊塊彈性模量為1 420 MPa、500 MPa和30 MPa時，腹板最大等效應(yīng)力分別對應(yīng)為197.2 MPa、175.2 MPa和170.0 MPa，應(yīng)力計算結(jié)果滿足要求。

(2) 墊塊彈性模量的減小，使腹板最大等效應(yīng)力顯著降低，這是因為墊塊通過自身的壓縮變形來適應(yīng)梁體和墊塊的相對變形，使鋼箱梁接觸區(qū)域內(nèi)受力變得更加均勻；底板等效應(yīng)力增加，這是因為腹板和底板共同受力，腹板豎向荷載的減小使得墊塊范圍內(nèi)，腹板外其他部位底板豎向荷載比例增加；墊塊彈性模量對主梁其他主要構(gòu)件無明顯等效應(yīng)力變化影響。

(3) 墊塊彈性模量不可過小，當(dāng)彈性模量較小時，主梁會將墊塊“壓扁”，從而使鋼墊塊直接受力，反而起不到改善主梁局部應(yīng)力的效果，因此，鋼墊塊和其他墊塊宜采用相同的面積尺寸。

(4) 墊塊的彈性模量為500 MPa或1 420 MPa時，可以很好地改善因轉(zhuǎn)角位移所導(dǎo)致的主梁局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4 結(jié)論

(1) 墊塊面積的增加可有效改善步履式頂推施工中鋼箱梁局部應(yīng)力，尤其對腹板的改善效果最為明顯；墊塊面積也不可盲目追求過大，不僅要滿足鋼箱梁應(yīng)力限值的要求，還要從經(jīng)濟性和適用性的角度考慮。

(2) 墊塊厚度對主梁局部應(yīng)力無顯著影響，但對墊塊本身的應(yīng)力影響較大。

(3) 墊塊彈性模量對主梁的局部應(yīng)力影響較大，墊塊彈性模量越小，主梁的接觸區(qū)域受力越均勻，墊塊的應(yīng)力水平也就越均勻；墊塊彈性模量的選擇也不可過小，建議在步履式頂推施工中，墊塊選?、蝾愊鹉z墊(E=500 MPa)或聚四氟乙烯板(E=1 420 MPa)。