鋼箱梁頂推系統(tǒng)中拉錨器的分析方法及局部受力狀態(tài)

齊杰夫

中國(guó)土木工程集團(tuán)有限公司，北京100038

頂推施工工藝作為一種極具競(jìng)爭(zhēng)力的方法在混凝土連續(xù)梁橋建設(shè)中發(fā)揮了重要的作用，其主要優(yōu)點(diǎn)是施工占地少、周期短、機(jī)械化程度高、節(jié)省投入等，在實(shí)際工程中不斷得到應(yīng)用推廣［1-2］。隨著頂推施工水平和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，許多大跨度鋼箱梁橋逐漸開(kāi)始采用頂推施工方法［3］。在頂推施工工藝中，牽引系統(tǒng)是頂推力的重要來(lái)源，由多個(gè)承力和傳力部件組成。其中，拉錨器作為關(guān)鍵的傳力部件，承受了巨大的牽引集中力作用，并將牽引力傳遞擴(kuò)散到整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)。拉錨器的受力性能與橋梁主梁頂推的行進(jìn)狀態(tài)、拉錨器應(yīng)力影響區(qū)域有效范圍和邊界條件密切相關(guān)。精確的有限元分析往往要消耗大量的時(shí)間，過(guò)于簡(jiǎn)化的分析又難以捕捉拉錨器局部受力的主要特性。因此，如何快速、高效且安全地分析拉錨器在高水平荷載作用下的局部受力效應(yīng)和評(píng)估拉錨器受力安全是頂推施工中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)尚缺乏相關(guān)研究。

本文結(jié)合懸索橋主梁頂推的工程實(shí)例，對(duì)在頂推施工過(guò)程中拉錨器的局部受力分析方法和安全性評(píng)判開(kāi)展研究，并開(kāi)展參數(shù)敏感性分析，研究成果可為類似工程和研究提供參考。

1 工程概況

以一座建成的獨(dú)柱式雙塔雙纜空間索面懸索橋?yàn)槔?，該橋主橋部分長(zhǎng)510 m，孔跨布置為（40+430+40）m，主纜垂跨比為1/9，采用高強(qiáng)度鍍鋅平行鋼絲索股組成，見(jiàn)圖1（a）。主梁采用單箱雙室扁平流線型全焊鋼箱梁，主梁全寬38 m，中心高3.5 m，見(jiàn)圖1（b）。鋼箱梁頂板厚16 mm，上斜腹板厚14 mm，底板、下斜腹板厚12 mm。

圖1 主橋立面和主梁斷面

2 頂推施工方案

2.1 施工方案比選

施工設(shè)計(jì)階段，綜合考慮橋型特點(diǎn)、施工現(xiàn)場(chǎng)條件等因素，將原設(shè)計(jì)的纜索吊裝施工方案改為鋼箱梁頂推施工工藝。該施工工藝主要優(yōu)勢(shì)有：①鋼箱梁在焊接平臺(tái)上進(jìn)行安裝焊接對(duì)位，保證了焊接精度和質(zhì)量，且無(wú)需定制大噸位的纜索裝吊設(shè)備；②通過(guò)設(shè)置臨時(shí)支墩，配合鋼導(dǎo)梁，能在一定程度上有效降低鋼箱梁梁體斷面內(nèi)力，減小局部屈曲發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)；③頂推架設(shè)施工避免了纜索吊裝施工中繁雜的主纜線形調(diào)整，且施工調(diào)整量小，易控制；④纜索吊裝施工中對(duì)吊裝設(shè)備和臨時(shí)工程的要求高，投入大。

2.2 頂推施工工藝

鋼箱梁頂推施工主要分為4個(gè)階段（圖2）：①頂推前期準(zhǔn)備階段。安裝頂推施工臨時(shí)支墩、鋼箱梁運(yùn)輸棧橋、焊接平臺(tái)、喂梁門架等臨時(shí)結(jié)構(gòu)，并按照設(shè)計(jì)線形和標(biāo)高分節(jié)段焊接拼裝鋼導(dǎo)梁。②鋼箱梁節(jié)段拼裝階段。按照成橋線形預(yù)拋高臨時(shí)連接鋼箱梁節(jié)段，將節(jié)段整體焊接成型。③鋼箱梁頂推牽引階段。安裝并調(diào)整滑動(dòng)裝置，牽引和導(dǎo)向系統(tǒng)，進(jìn)行頂推施工。④吊索安裝及張拉階段。安裝吊索系統(tǒng)，張拉吊桿調(diào)整索力，完成體系轉(zhuǎn)化，拆除頂推臨時(shí)墩，完成鋼箱梁頂推施工。

圖2 頂推施工流程

2.3 頂推牽引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在鋼箱梁的頂推施工過(guò)程中，頂推系統(tǒng)主要包括滑動(dòng)裝置、導(dǎo)向系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)?；瑒?dòng)裝置布置在臨時(shí)墩墩頂，可以減小鋼導(dǎo)梁和鋼箱梁梁體在頂推過(guò)程中產(chǎn)生的水平力及摩阻力，從而減少對(duì)下部支架和支墩的影響；導(dǎo)向系統(tǒng)分為限位和糾偏兩種裝置，用于防止鋼箱梁在頂推過(guò)程中出現(xiàn)較大的偏位，調(diào)整梁體偏移，提高鋼箱梁的就位精度；牽引系統(tǒng)是頂推施工的動(dòng)力中樞和傳力轉(zhuǎn)換裝置，主要作用是保證頂推牽引鋼箱梁平穩(wěn)前行［4-5］。

牽引系統(tǒng)主要設(shè)備有千斤頂、反力座、鋼絞線、拉錨器等。在鋼箱梁頂推過(guò)程中，牽引系統(tǒng)利用千斤頂、反力座等提供的轉(zhuǎn)換頂推動(dòng)力，通過(guò)鋼絞線傳遞至拉錨器，再傳遞給主梁，進(jìn)而帶動(dòng)鋼箱梁前進(jìn)至指定距離，反力座將頂推反作用力傳遞給臨時(shí)墩。

2.4 拉錨器的設(shè)計(jì)

在牽引系統(tǒng)中拉錨器布置在鋼箱梁節(jié)段的尾部，通過(guò)鋼絞線與千斤頂構(gòu)成傳力系統(tǒng)。拉錨器不僅能將千斤頂?shù)捻斖屏鬟f到梁體，實(shí)現(xiàn)力的傳導(dǎo)，還能增大鋼箱梁受力接觸面積，避免鋼箱梁在頂推過(guò)程中因應(yīng)力集中產(chǎn)生變形，從而減少后續(xù)調(diào)整鋼箱梁而花費(fèi)的時(shí)間，達(dá)到縮短工期的目的［6-7］。因此，頂推系統(tǒng)中拉錨器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需滿足以下三項(xiàng)基本要求：①安全性。拉錨器的自身結(jié)構(gòu)、拉錨器與鋼箱梁的組合局部區(qū)域部位需滿足千斤頂最大頂推力的承載要求，保證結(jié)構(gòu)的安全。②穩(wěn)定性。拉錨器的尺寸設(shè)計(jì)與構(gòu)架形態(tài)需考慮其受力分布特點(diǎn)等因素，保證結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)穩(wěn)定。③適用性。拉錨器與鋼箱梁能較好地組合，且施工方便，便于實(shí)際工程使用。

拉錨器由構(gòu)造尺寸和厚度不同的鋼板構(gòu)件焊接而成（編號(hào)N1—N4），拉錨器各組成構(gòu)件信息見(jiàn)表1。拉錨器與箱梁之間由8.8級(jí)M30高強(qiáng)度螺栓（N5）栓接在橫隔板與縱隔板交叉處的梁底板上。拉錨器結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖3。

表1 拉錨器各組成構(gòu)件信息

2.5 拉錨器結(jié)構(gòu)傳力機(jī)理分析

拉錨器結(jié)構(gòu)受力如圖4所示。在鋼絞線的牽引作用下，通過(guò)拉錨器各鋼板間區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)的連續(xù)改變實(shí)現(xiàn)應(yīng)力傳遞。其中，拉錨器主受力腹板N1的中心區(qū)域受縱向牽引力P的作用；通過(guò)各構(gòu)件間的連接關(guān)系，頂板N2與螺栓N5將牽引力傳遞至鋼箱主梁形成頂推力F，方向與牽引方向一致；構(gòu)件N3與N4分別為豎向和水平加勁板，起到保持結(jié)構(gòu)局部穩(wěn)定的作用。

圖4 拉錨器結(jié)構(gòu)受力示意

在千斤頂最大牽引力作用下，拉錨器的腹板和頂板強(qiáng)度，以及加勁板的局部穩(wěn)定是結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵［8-9］。因此，對(duì)結(jié)構(gòu)局部受力進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，分析拉錨器加勁板的應(yīng)力和變形分布規(guī)律。

3 數(shù)值模擬方法

結(jié)構(gòu)局部受力分析方法主要包括子模型法和直接建模法。其中，直接建模法適用性強(qiáng)，且在整體模型中能考慮施工過(guò)程、混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力鋼筋等因素，在工程實(shí)踐中應(yīng)用較多［10-11］。在整體建模分析中采用梁?jiǎn)卧秃癜鍐卧?，局部分析時(shí)采用板殼單元對(duì)節(jié)點(diǎn)細(xì)節(jié)構(gòu)造進(jìn)行離散。綜合比較后，本文采用直接建模法對(duì)拉錨器結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部受力分析。

3.1 有限元離散模型

考慮主梁長(zhǎng)度相對(duì)于拉錨器的尺寸大很多，根據(jù)圣維南原理，取需要分析的局部模型中最小截面尺寸一倍以上的主梁截面為分析模型，這樣得到的模型應(yīng)力分布與實(shí)橋結(jié)構(gòu)應(yīng)力具有較好的對(duì)應(yīng)性，同時(shí)加快了分析的速度。利用有限元軟件建立局部有限元模型（圖5），拉錨器與鋼箱梁均采用板單元模擬，材質(zhì)為Q345鋼材。全模型共劃分28 700個(gè)單元、24 905個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖5 拉錨器與主梁連接的局部模型

3.2 邊界條件

由于鋼箱梁的整體尺寸相對(duì)于建立的局部模型大很多，所以模型以外的梁體對(duì)模型的約束較強(qiáng)。建立的鋼箱梁模型僅選取了主梁的局部部分，因此箱梁周邊節(jié)點(diǎn)采用固結(jié)方式模擬附近梁體對(duì)模型的約束作用。

為了描述鋼箱梁與拉錨器之間的高強(qiáng)度螺栓連接狀態(tài)，箱梁底板與拉錨器之間采用彈性連接中的剛性連接來(lái)模擬非完全固結(jié)約束作用。

3.3 荷載工況

鋼箱梁頂推過(guò)程中當(dāng)主梁滑動(dòng)起來(lái)以后，頂推力逐漸減小到一個(gè)恒定水平，最大的頂推力發(fā)生在主梁即將滑動(dòng)瞬間的臨界狀態(tài)。采用靜力荷載工況，荷載包括臨界最大頂推力和模型自重。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試頂推測(cè)試反演，拉錨器所受最大荷載為730 kN。為安全考慮，計(jì)算荷載采用750 kN，在有限元模擬時(shí)以均布面荷載的方式沿頂推方向作用于拉錨器腹板N1的中心區(qū)域，均布面荷載為6.7 MPa。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 主梁計(jì)算結(jié)果

通過(guò)有限元模型進(jìn)行靜力分析，發(fā)現(xiàn)在自重和拉錨荷載共同作用下主梁與拉錨器在連接區(qū)域附近的應(yīng)力變化較為明顯。單獨(dú)取出該部分主梁的底板應(yīng)力，見(jiàn)圖6。可知，主梁底板出現(xiàn)了多個(gè)直徑約為30 mm的圓形應(yīng)力集中區(qū)域，最大應(yīng)力為134.62 MPa，這是主梁各縱隔板結(jié)點(diǎn)和拉錨器各板件與主梁連接處的應(yīng)力集中造成的。為避免應(yīng)力集中，需要通過(guò)構(gòu)造措施增大局部接觸面積，以減小局部承壓應(yīng)力。在實(shí)際工程中，往往采用多排螺栓栓接方式。

圖6 主梁底板應(yīng)力分布（單位：MPa）

4.2 拉錨器計(jì)算結(jié)果

拉錨器應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖7。可知：腹板N1的最大應(yīng)力為205.13 MPa，發(fā)生在中心開(kāi)孔位置；頂板N2最大應(yīng)力為129.07 MPa，發(fā)生在與主梁底板連接的位置；豎向加勁板N3最大應(yīng)力為144.52 MPa，發(fā)生在與頂板N2相交的位置；水平加勁板N4的最大應(yīng)力為83.64 MPa，發(fā)生在與N3連接處。

圖7 拉錨器應(yīng)力分布云圖（單位：MPa）

各連接處均出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，腹板N1的應(yīng)力集中程度最大，該部位由于設(shè)計(jì)了中心鋼絞線預(yù)留孔而存在截面突變，導(dǎo)致應(yīng)力集中。對(duì)于鋼材而言，應(yīng)力集中程度越嚴(yán)重，鋼材的塑性變形能力降低越多，脆性斷裂的危險(xiǎn)性越大。因此，對(duì)拉錨器應(yīng)力集中的N1板件作參數(shù)分析。

4.3 參數(shù)分析

在頂推系統(tǒng)中綜合考慮拉錨器結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，分析在拉錨荷載和自重作用下不同拉錨器腹板N1厚度對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，其應(yīng)力分布見(jiàn)圖8。

圖8 不同厚度下腹板N1的應(yīng)力分布（單位：MPa）

由圖8可知，隨著拉錨器腹板N1厚度的增加，鋼板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了明顯變化：腹板N1與水平加勁板N4連接下半部分的應(yīng)力，以及腹板N1與頂板N2連接中間部分的應(yīng)力均得到了顯著改善，應(yīng)力集中區(qū)域的分布范圍和大小逐漸減小。

最大有效應(yīng)力隨腹板N1厚度變化規(guī)律見(jiàn)圖9?？芍S著腹板厚度的增加，結(jié)構(gòu)有效最大應(yīng)力逐漸減小，在板厚30～40 mm時(shí)應(yīng)力減小幅值最大。

圖9 最大有效應(yīng)力隨板厚度變化規(guī)律

雖然增加腹板厚度改善了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，降低了最大有效應(yīng)力，但是從材料性能考慮，鋼板厚度對(duì)脆性斷裂有較大的影響。隨著鋼板厚度增加，鋼材的缺口脆性增加，鋼結(jié)構(gòu)易發(fā)生脆性破壞［12-13］。綜合數(shù)值模擬分析和脆性斷裂理論，在模型最大應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)控制拉錨器構(gòu)件鋼板的厚度，防止因鋼板厚度過(guò)厚而引起脆性破壞發(fā)生，同時(shí)減少不必要的鋼材耗量，節(jié)省施工成本。因此，根據(jù)本文模擬計(jì)算結(jié)果，拉錨器腹板N1的厚度建議取40 mm。同時(shí)，建議通過(guò)增加豎向加勁板N3與水平加勁板N4厚度，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)局部穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

1）直接建模法具有可行性高、針對(duì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，可為頂推施工中拉錨器的局部應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2）由于主梁底板存在多個(gè)應(yīng)力集中點(diǎn)，建議底板與拉錨器之間采用多排螺栓栓接增大局部接觸面積，以減小局部承壓應(yīng)力。

3）頂推牽引力在拉錨器各構(gòu)件間的傳遞使得拉錨器區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生連續(xù)改變。建議通過(guò)控制腹板厚度來(lái)保障結(jié)構(gòu)的安全性，通過(guò)增加加勁板的厚度來(lái)提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。