跨線頂推鋼箱梁臨時(shí)支架有限元仿真分析

摘" 要：鋼箱梁頂推施工技術(shù)是鋼箱梁施工重要的技術(shù)之一，為研究鋼箱梁頂推施工過程中臨時(shí)措施設(shè)計(jì)的可行性以及施工的安全性，以崔家崖特大橋鋼箱梁工程為例，對(duì)其頂推施工的施工工藝以及臨時(shí)措施的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行研究，并對(duì)臨時(shí)頂推支架與臨時(shí)拼裝支架的施工安全性進(jìn)行有限元仿真模擬分析，為類似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：鋼箱梁；頂推；安全性；有限元分析；臨時(shí)措施

中圖分類號(hào)：U445" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）09-0172-04

Abstract： Steel box girder jacking construction technology is one of the important technologies in steel box girder construction. In order to study the feasibility of temporary measures design and construction safety during the steel box girder jacking construction process， taking the steel box girder project of Cuijiaya Super-large Bridge as an example， the construction technology and technical parameters of temporary measures of the jacking construction are studied， and the construction safety of temporary jacking brackets and temporary assembly brackets is analyzed by finite element simulation， providing reference for similar projects.

Keywords： steel box girder; jacking; safety; finite element analysis; temporary measures

頂推施工技術(shù)是橋梁建設(shè)中常見的施工技術(shù)之一，其可以有效地解決新建橋梁跨越既有溝渠、線路等復(fù)雜的施工環(huán)境問題[1]。步履式頂推法相比于傳統(tǒng)的拖拉法頂推施工，能更好地展現(xiàn)出對(duì)臨時(shí)墩的控制，實(shí)現(xiàn)鋼箱梁的頂升、平移、橫向調(diào)整等多方向移動(dòng)為一體，施工中軸向和橫向位移調(diào)整更加簡(jiǎn)單便捷，具有顯著優(yōu)勢(shì)[2]。

在鋼箱梁頂推施工中，對(duì)臨時(shí)措施的研究也有很多。祁帥[3]以國(guó)道110線包頭北繞城段公路項(xiàng)目鋼箱梁頂推施工為例，對(duì)鋼箱梁頂推所用臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過MIDAS有限元仿真軟件分析了鋼箱梁頂推過程中支架的受力情況，同時(shí)對(duì)支架基礎(chǔ)進(jìn)行驗(yàn)算，以確保方案的安全性和可行性，為現(xiàn)場(chǎng)頂推施工的順利進(jìn)行提供了保障。劉瑞等[4]對(duì)上跨高速公路鋼箱梁頂推施工支架設(shè)計(jì)與檢算進(jìn)行了研究，結(jié)合宿淮高速主線橋跨京滬高速鋼箱梁頂推施工實(shí)例，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，對(duì)鋼箱梁頂推施工支架進(jìn)行了設(shè)計(jì)，建立頂推支架有限元計(jì)算模型，將最不利頂升支反力作用在頂推支架上，分析頂推支架的力學(xué)行為，經(jīng)計(jì)算：頂推支架在鋼箱梁頂推施工中具有足夠的強(qiáng)度、剛度，能夠滿足實(shí)際工程中的應(yīng)用。宋顯銳等[5]對(duì)大跨鋼箱梁橋頂推臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，在頂推施工過程中，支架縱橋向頂部位移及底部應(yīng)力較大，屬于薄弱部位，考慮到各頂推設(shè)備之間不嚴(yán)格同步可能產(chǎn)生較大水平力，施工過程中應(yīng)對(duì)其薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)，研究結(jié)果可為大跨橋梁頂推施工提供技術(shù)參考。徐博聞等[6]以蘇州工業(yè)園區(qū)珠涇路跨滬寧高速主橋步履式頂推施工為背景，通過Midas Civil有限元軟件對(duì)鋼箱梁的頂推施工進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體受力分析，對(duì)每個(gè)行程下頂推墩支反力、頂推支架穩(wěn)定性、鋼箱梁應(yīng)力和導(dǎo)梁應(yīng)力等參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行了分析計(jì)算，為項(xiàng)目的順利施工提供了安全保障。

綜上所述，各學(xué)者對(duì)鋼箱梁頂推施工中的關(guān)鍵技術(shù)以及臨時(shí)結(jié)構(gòu)的安全性分析作了詳細(xì)的研究。本文以崔家崖特大橋鋼箱梁工程為例，對(duì)其施工過程中的部分施工工藝以及詳細(xì)的臨時(shí)措施參數(shù)進(jìn)行了闡述，并對(duì)臨時(shí)結(jié)構(gòu)的施工安全性進(jìn)行了分析，采用Midas有限元仿真軟件對(duì)支架結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算，確保了施工的安全性，具有一定的參考價(jià)值。

1" 工程概況

崔家崖特大橋項(xiàng)目位于蘭州市七里河區(qū)，本橋先后跨越大金溝、既有蘭新鐵路、改建柳家營(yíng)貨線鐵路，橋址北側(cè)緊鄰既有鐵路、南側(cè)臨近南山路、橋址范圍內(nèi)既有房屋密集。崔家崖特大橋鋼箱梁工程位于第5孔至第7孔（5#—8#墩），跨徑分別為32.87、32.93、32.87 m，其中5#、8#墩為圓端型混凝土墩，6#、7#墩采用門式墩跨越既有中川鐵路，與既有線中線交角為75°。墩頂蓋梁為鋼蓋梁，鋼蓋梁采用工廠分段預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)在8#—10#墩之間設(shè)置拼裝及頂推區(qū)，通過拼裝、焊接，整體吊裝就位后頂推施工，鋼箱梁平面布置圖如圖1所示。

2" 施工關(guān)鍵技術(shù)分析

崔家崖特大橋鋼結(jié)構(gòu)工程采用吊裝拼裝與頂推施工交叉結(jié)合的施工方式進(jìn)行，具體施工工藝流程如下：施工準(zhǔn)備→臨時(shí)墩基礎(chǔ)施工→臨時(shí)墩支架施工→頂推設(shè)備安裝、調(diào)試→鋼箱梁節(jié)段一、二、三拼裝及焊接→導(dǎo)梁安裝→第一次頂推14 m→鋼箱梁節(jié)段四拼裝焊接→第二次頂推43.6 m→鋼箱梁節(jié)段五、六、七拼裝及焊接→第三次頂推46.7 m至設(shè)計(jì)位置→拆除導(dǎo)梁→落梁→臨時(shí)支墩拆除。

在整個(gè)施工過程中，臨時(shí)拼裝支墩以及臨時(shí)頂推支墩是整個(gè)施工環(huán)節(jié)中的重要一環(huán)，是保證鋼箱梁拼裝及頂推施工順利實(shí)施不可或缺的一部分。崔家崖特大橋鋼箱梁工程一共布置8組支架，其中臨時(shí)拼裝支架1組，臨時(shí)頂推支架7組。全橋布置7組步履頂推器，其中2組步履頂推器布置在5#及8#墩柱上，2組步履頂推器布置在6#及7#鋼蓋梁上，最后3組布置在臨時(shí)頂推支架五、六、七之上。1組臨時(shí)拼裝支架位于10#墩處，臨時(shí)頂推支架七位于9#墩與10#墩之間，臨時(shí)頂推支架五、六位于8#墩與9#墩之間，臨時(shí)頂推支架一至四位于5#—8#墩之上，8組支架間距分別為11.7、14.3、12.3、6.04、33.2、33.2和33.2 m，具體布置情況如圖2所示，下面將就該項(xiàng)目的臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)分析。

2.1" 臨時(shí)頂推支架

臨時(shí)頂推支架五、六、七尺寸為3 m×9.1 m，豎向支撐間距為2.5 m，如圖3所示。單組臨時(shí)支撐主肢為8根？準(zhǔn)609 mm×16 mm的圓管，材質(zhì)為Q235，綴條為？準(zhǔn)159 mm×6 mm的圓管、材質(zhì)為Q235；墊梁一采用雙拼H型鋼型號(hào)為600 mm×200 mm×20 mm×20 mm，材質(zhì)為Q355；墊梁二采用三拼H型鋼型號(hào)為600 mm×300 mm×20 mm×20 mm，材質(zhì)為Q355；墊梁三采用三拼56b工字鋼，材質(zhì)為Q235，支撐短柱采用截面尺寸為600 mm×600 mm×20 mm×20 mm的方管，材質(zhì)為Q355。

臨時(shí)頂推支架一—支架四設(shè)置在5#—8#墩之上，主要為雙拼H型鋼600 mm×200 mm×20 mm×20 mm組成的墊梁與截面尺寸為600 mm×600 mm×20 mm×20 mm的方管組成的短柱。

2.2" 臨時(shí)拼裝支架

臨時(shí)拼裝支架位于10#墩處，支架尺寸為3 m×9 m，豎向支撐間距為2.5 m，如圖4所示。單組臨時(shí)支撐主肢為4根■426 mm×8 mm的圓管，材質(zhì)為Q235，綴條為■159 mm×6 mm的圓管，材質(zhì)為Q235，分配梁采用雙拼56b工字鋼，材質(zhì)為Q235。

3" 有限元仿真分析

采用Midas有限元仿真模擬軟件對(duì)臨時(shí)拼裝及頂推支架進(jìn)行施工安全性分析，臨時(shí)支架所有桿件均采用梁?jiǎn)卧獊砟M，桿件之間采用共節(jié)點(diǎn)連接，桿件型號(hào)及其他屬性參數(shù)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定，支架底部采用6個(gè)方向上的固定約束，來模擬與基礎(chǔ)的連接。

3.1" 臨時(shí)頂推支架有限元仿真模擬分析

臨時(shí)頂推支架五—支架七高h(yuǎn)=15 m，由分析可知，當(dāng)導(dǎo)梁剛上8#墩時(shí)，臨時(shí)頂推支架七的支反力達(dá)到最大值，大小為1 754 kN，頂推水平力取豎向荷載的10%即175.4 kN，風(fēng)荷載取值為4.336 kN。

對(duì)臨時(shí)頂推支架七進(jìn)行有限元仿真模擬分析，仿真結(jié)果表明支撐柱最大應(yīng)力比為0.52、墊梁二最大應(yīng)力比為0.30、墊梁三最大應(yīng)力比為0.63，桿件應(yīng)力比均小于1，滿足相關(guān)施工安全性要求；通過對(duì)該支架進(jìn)行屈曲分析，在現(xiàn)有的荷載作用下放大71.70倍后，該支撐架才會(huì)發(fā)生整體失穩(wěn)，故支架的整體穩(wěn)定性滿足要求；支架頂部最大位移為u=19.73 mm，u/h=19.73/15 000=1/760＜1/550，層間位移角滿足要求。結(jié)果如圖5所示。

對(duì)臨時(shí)頂推支架七以及臨時(shí)支架一—支架四的墊梁進(jìn)行有限元仿真分析，由仿真結(jié)果可知，支架七墊梁一的最大組合應(yīng)力σ=172 MPa≤[σ]=250 MPa，最大剪應(yīng)力τ=81 MPa≤[τ]=140 MPa，最大豎向變形u=4.0 mm≤[u]=L/400=15 mm；對(duì)于臨時(shí)支架一—支架四的墊梁經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)支架三的墊梁受力最危險(xiǎn)，墊梁最大組合應(yīng)力為σ=200 MPa≤[σ]=250 MPa，最大剪應(yīng)力為τ=110 MPa≤[τ]=140 MPa，最大豎向變形u=14 mm≤[u]=L/400=15 mm，支架三墊梁的受力云圖如圖6所示。

3.2" 臨時(shí)拼裝支架有限元仿真模擬分析

在鋼箱梁的7個(gè)節(jié)段中，節(jié)段四為最重節(jié)段，重量為150.78 t，橋面系重量為16.2 m×10 kN/m=162 kN，風(fēng)荷載為1.07 kN/m×16.2 m=17.334 kN。綜上所述，鋼箱梁對(duì)臨時(shí)拼裝支架上每個(gè)調(diào)節(jié)墩的豎向反力為（150.78×10+162）/8=208.73 kN，風(fēng)荷載為17.334/8=2.17 kN。

對(duì)臨時(shí)拼裝支架進(jìn)行有限元仿真模擬分析，仿真結(jié)果表明支撐柱最大應(yīng)力比為0.21、分配梁最大應(yīng)力比為0.01、橫梁及斜支撐最大應(yīng)力比為0.19，桿件應(yīng)力比均小于1，滿足相關(guān)施工安全性要求；通過對(duì)該支架進(jìn)行屈曲分析，在現(xiàn)有的荷載作用下放大51.48倍后，該支撐架才會(huì)發(fā)生整體失穩(wěn)，故支架的整體穩(wěn)定性滿足要求；支架頂部最大位移為u=2.39 mm，u/h=2.39/15 000=1/6 276＜1/550，層間位移角滿足要求。結(jié)果如圖7所示。

4" 結(jié)論

本文以崔家崖特大橋鋼箱梁工程為例，介紹了該項(xiàng)目相關(guān)施工工藝以及臨時(shí)拼裝支架和臨時(shí)頂推支架的有限元仿真分析，得到了以下結(jié)論。

1）對(duì)崔家崖特大橋鋼箱梁工程的施工工藝進(jìn)行了闡述，并對(duì)臨時(shí)拼裝支架和臨時(shí)頂推支架的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，結(jié)果表明該方案及支架的設(shè)計(jì)均能保證施工的順利實(shí)施。

2）對(duì)臨時(shí)頂推支架的頂推施工過程進(jìn)行了有限元仿真模擬分析，分析結(jié)果表明，頂推臨時(shí)支架整體的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性均能滿足相關(guān)施工安全性要求，還對(duì)臨時(shí)頂推支架的墊梁進(jìn)行了局部分析，其最大組合應(yīng)力、最大剪應(yīng)力以及最大豎向變形均滿足相關(guān)規(guī)范的規(guī)定。

3）對(duì)臨時(shí)拼裝支架的拼裝施工過程進(jìn)行了有限元仿真模擬分析，分析結(jié)果表明，拼裝臨時(shí)支架各桿件的應(yīng)力比、支架整體穩(wěn)定性以及層間位移角的分析均能滿足相關(guān)施工安全性要求。

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