連續(xù)鋼梁橋頂推過程臨時墩受力研究及改善措施

黃紹結(jié)1，李莘哲1，陳耀章2

（1.廣西路橋工程集團有限公司，廣西南寧 530011；2.湖南交通科學研究院，湖南長沙 410004）

連續(xù)鋼梁橋頂推過程臨時墩受力研究及改善措施

黃紹結(jié)1，李莘哲1，陳耀章2

（1.廣西路橋工程集團有限公司，廣西南寧 530011；2.湖南交通科學研究院，湖南長沙 410004）

為研究在連續(xù)鋼梁頂推過程中臨時墩的受力特性，以某鋼混組合梁橋下部臨時墩為工程背景，采用MIDAS2011建立其三維空間數(shù)值模型，對滑道壓力荷載為集中荷載、均布荷載或梯形荷載作用下臨時墩的受力特征進行了對比分析；在此基礎上，為改善臨時墩的受力，采取3種不同改善措施，并對其效果進行了對比分析。

橋梁；連續(xù)梁；頂推；臨時墩；壓力荷載

在鋼梁橋頂推過程中，為減小主梁的最大正負彎矩，通常在主墩之間設置若干個臨時墩。由于鋼梁橋的主梁無應力，線形一般為多段變曲率豎曲線，在自重作用下主梁與臨時墩墩頂滑道之間出現(xiàn)不均勻受壓，壓力荷載形式呈多樣化。唐紅民、李傳習、戴杰等在進行鋼梁頂推數(shù)值仿真分析時，將主梁對滑道壓力以集中荷載進行計算；周葉飛在進行鋼梁頂推理論分析時，將滑道反力荷載按梯形和三角形荷載分別進行計算；張曄芝、張培炎等在進行鋼箱梁頂推數(shù)值仿真分析時，將滑道反力荷載按均布面力模擬；田仲初等通過數(shù)值仿真分析，得出在鋼箱梁頂推施工階段滑道反力荷載為雙折線荷載。該文采用MIDAS2011程序建立仿真模型，對不同滑道壓力荷載形式下臨時墩的受力進行對比分析，研究改善臨時墩受力的措施。

1　工程概況

某（6×90）m鋼混組合梁橋，主梁采用先頂推下部鋼槽梁，待主梁頂推到位后逐塊吊裝砼預制橋面板的施工工藝。為縮短鋼主梁頂推跨徑，頂推施工前在相鄰兩主墩之間各布置1個臨時墩，臨時墩與主墩之間的距離均為45m。臨時墩由不同直徑的“橫+縱+豎”向薄壁鋼管組成，其中豎向鋼管樁由24根φ1.2m、厚12mm薄壁鋼管構(gòu)成，各樁之間通過φ0.6m、厚8mm薄壁鋼管連接成框架結(jié)構(gòu)；鋼管立柱由8根φ1.2m、厚16mm薄壁鋼管構(gòu)成，各立柱之間通過φ0.6m、厚8mm薄壁鋼管連接成框架結(jié)構(gòu)，樁與立柱之間通過橫梁、斜撐構(gòu)成一

體。臨時墩布置如圖1所示。

圖1　臨時墩布置示意圖（單位：mm）

2　有限元模型建立

2.1單元劃分及材料特性

臨時墩有限元模型采用MIDAS/Civil建立（如圖2所示），墩柱各內(nèi)部構(gòu)件均采用空間梁單元模擬，有限元模型共3108個節(jié)點、3342個空間梁單元。數(shù)值計算中各構(gòu)件材料特性按相應規(guī)范取值。

圖2　臨時墩有限元模型

2.2邊界模擬

臨時墩墩底按固接模擬，構(gòu)件內(nèi)部各節(jié)點按共節(jié)點或剛性連接處理。

2.3荷載模擬

（1）自重。各構(gòu)件的重量由程序自動計算。

（2）主梁豎向壓力荷載。以主梁實際頂推方案為計算依據(jù)，借助主梁頂推計算結(jié)果得N1max=7.5 ×103kN，將這幅橋編號為A；相對應的另一幅橋N2=1603kN（左右兩幅為不同步頂推），將這幅橋編號為B；豎向壓力荷載按3種形式取值計算，分別為集中荷載、梯形荷載、均布荷載，3種荷載其合力大小均相等。

（3）水平荷載。臨時墩所受水平荷載為墩頂摩擦力，其值為f=N×μ（N為豎向壓力荷載；μ為摩擦系數(shù)，根據(jù)頂推實測結(jié)果，取μ=0.09）。

2.4荷載組合說明

豎向荷載為G（臨時墩自重）+γ×（N1max+N2）；水平荷載為γ×（N1max+N2）×（μ+i）。其中：γ為組合系數(shù)，取γ=1.2；N1max、N2分別為A、B兩幅主梁滑道壓力荷載；i為墩頂滑道縱坡，i=1.434%。

3　計算結(jié)果分析

豎向荷載以向下為“+”、向上為“-”，應力以拉為“+”、壓為“-”，后續(xù)無特殊說明均按此約定。圖3～5為不同滑道壓力荷載作用下臨時墩應力分布。

由圖3～5可得：在第1、2種滑道壓力荷載即集中荷載、梯形荷載作用下，臨時墩最大應力基本相等，σ1-max、σ2-max約為162MPa，但出現(xiàn)位置不同；在第3種滑道壓力荷載即均布壓力荷載作用下，臨時墩最大絕對應力σ3-max約為120MPa，出現(xiàn)在立柱中間橫聯(lián)處；σ3-max比σ1-max、σ2-max小約42MPa。

圖3　第1種壓力荷載作用下臨時墩應力云圖（單位：MPa）

圖4　第2種壓力荷載作用下臨時墩應力云圖（單位：MPa）

圖5　第3種壓力荷載作用下臨時墩應力云圖（單位：MPa）

4　改善措施參數(shù)分析

根據(jù)上述仿真分析結(jié)果，在滑道壓力荷載為集中荷載、梯形壓力荷載作用下，臨時墩壓應力較大。為改善主梁頂推過程中臨時墩的受力，提出3種改善措施：1）施加水平拉索，即在臨時墩墩頂位置安裝水平拉索，通過對水平拉索的預張拉改善臨時墩受力；2）增大臨時墩鋼管壁厚；3）上述兩種措施的組合。下面進行改善措施參數(shù)分析，滑道荷載采用梯形荷載。

4.1增加水平臨時拉索

在臨時墩墩頂張拉水平索力，勢必會引起其構(gòu)件最大應力大小、位置發(fā)生改變。為分析水平拉索拉力對臨時墩受力的影響，在已建有限元模型的基礎上，保持模型構(gòu)件參數(shù)不變，僅改變索力大小，對臨時墩最大應力進行參數(shù)分析。圖6為臨時墩最大應力σ2-max與拉索張拉力F的關(guān)系。

圖6　臨時墩最大應力與索力關(guān)系曲線

由圖6可得：臨時墩最大應力σ2-max隨拉索張拉力F的增大而減小，兩者基本呈線性關(guān)系；索力F每增加100kN，σ2-max相應減小4.7MPa。

4.2增大臨時墩立柱鋼管壁厚

為分析立柱鋼管壁厚δ對臨時墩受力的影響，在已建有限元模型的基礎上，僅改變δ的數(shù)值，保持模型其余構(gòu)件參數(shù)不變，對臨時墩最大應力進行參數(shù)分析。受現(xiàn)場吊裝設備吊重的制約，立柱壁厚δ不能大于28mm，故取δ為16～28mm。圖7為臨時墩最大應力σ2-max與立柱鋼管壁厚δ的關(guān)系。

由圖7可得：σ2-max隨δ的增大而逐漸減小，兩者呈雙折線關(guān)系變化。當δ從16mm逐漸增大至19mm時，σ2-max減小21.2MPa，記這時δ與δ2-max的變化為第一階段；當δ從20mm逐漸增大至28 mm時，σ2-max減小2.8MPa，記這時δ與σ2-max的變化為第二階段。第二階段臨時墩立柱鋼管壁厚δ的增大量約為第一階段的2.6倍，但第二階段σ2-max的減小量僅為第一階段的12.9%。其原因主要為立柱鋼管壁厚δ增大過程中，臨時墩最大應力σ2-max的位置發(fā)生了變化，由最初的立柱柱頂位置變化到立柱柱腳斜撐。

圖7　臨時墩最大應力與立柱壁厚關(guān)系曲線

4.3同時增加水平臨時拉索、增大臨時墩立柱鋼管壁厚

為分析墩頂水平索力、立柱壁厚δ同時改變對臨時墩受力的影響，在已建有限元模型的基礎上，保持模型其他構(gòu)件參數(shù)不變，僅改變索力和立柱壁厚δ，對臨時墩最大應力進行參數(shù)分析。圖8為不同δ值所對應的σ2-max與索力F的關(guān)系曲線。

由圖8可得：立柱壁厚δ為同一數(shù)值時，σ2-max隨索力F的增大而減小，兩者基本呈線性關(guān)系；不同δ值所對應的σ2-max與索力F的變化率基本相等，表明臨時墩最大應力σ2-max隨索力的變化基本不受δ的影響。

5　結(jié)論

（1）在連續(xù)鋼梁頂推過程中，當鋼主梁與臨時墩墩頂滑道的作用荷載為集中荷載或梯形荷載時，臨時墩最大應力σ1-max和σ2-max基本相等，但出現(xiàn)位置不同；當作用荷載為均布荷載時，臨時墩最大應力σ3-max比σ1-max和σ2-max小約42MPa，而且出現(xiàn)位置不同。

（2）對臨時墩采取施加水平拉索、增大立柱鋼管壁厚等措施進行改善，臨時墩最大應力隨索力F的增大而減小，兩者基本呈線性關(guān)系；臨時墩最大應力隨立柱剛度增大而減小，兩者呈雙折線關(guān)系；索力F對臨時墩最大應力的影響不受柱剛度的影響。

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2016-03-02