跨線鋼箱梁橋頂推落梁過程的數值模擬*

魏 華， 劉紅釗， 李煒東， 林憲廣， 王海軍(. 沈陽工業大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 0870； . 中鐵十五局集團有限公司 科技與信息部， 上海 00070)

跨線鋼箱梁橋頂推落梁過程的數值模擬*

魏 華1， 劉紅釗1， 李煒東2， 林憲廣2， 王海軍1
(1. 沈陽工業大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870； 2. 中鐵十五局集團有限公司 科技與信息部， 上海 200070)

為了研究鋼箱梁在高位落梁過程中的受力性能以及局部屈曲性能，以后丁香三號橋為工程背景，提出了一種新的交替式高位落梁工藝.基于ABAQUS有限元軟件對落梁過程進行了數值模擬，建立了高位落梁過程三個工況的有限元模型，使用集中荷載模擬千斤頂對梁體的支反力.對三個工況的應力云圖和屈曲模態進行分析，結果表明，模擬數據與監測數據吻合較好，結構的應力應變均能滿足施工要求.本文提出的高位落梁工藝和數值模擬方法可為類似工程提供參考.

施工過程； 頂推工法； 高位落梁； 鋼箱梁； 應力應變； 屈曲分析； 數值模擬； 有限元

由于我國正在建設越來越多的跨線橋梁[1-2]，當需要減少施工對橋下交通的影響時，頂推工法[3-4]則具有明顯的優勢.該方法是指梁體在橋頭逐段澆筑或拼裝，然后利用千斤頂沿順橋向推進，使梁體依次通過各墩頂臨時滑動支座面.當梁體頂推到位后，需要進行落梁，一般在頂推的過程中需要設置臨時墩，可以把頂推設備放置在臨時墩上進行鋼箱梁頂推施工，這樣做可以保證落梁節段的安全順利完成，不需要考慮高位落梁的問題.當需要考慮橋的地理位置和施工費用等實際問題，不方便設置臨時墩時，需要把頂推設備放置在永久墩的頂部進行頂推施工，這會導致高位落梁[5-10]問題.一般鋼箱梁橋對高位落梁的技術要求較高，為了防止在落梁過程中梁體遭到損壞，本文提出了交替式高位落梁技術，并對高位落梁工況進行有限元數值模擬，分析材料的應力、應變以及材料的局部屈曲[11-13]是否滿足施工要求.

1 工程概況

本文以沈陽后丁香大橋為工程背景，全長2 823 m，橋梁上部為鋼箱梁與預應力混凝土組合而成.鋼箱梁部分為一、二、四號橋.本文研究的是后丁香三號橋的高位落梁技術.三號橋長208 m(38 m+61 m+61 m+48 m).主體結構材料采用Q345qENH鋼，梁體斷面結構如圖1所示(單位：mm).該梁體結構施工位置處于飛機起降航道位置，鋼箱梁跨越大西進場線和秦沈上下行線等6股電氣化鐵路，橋梁的施工要考慮到對交通影響程度的控制.因此，為了避免搭設鐵路臨時結構，故采用大噸位吊車進行梁段的吊裝，將頂推設備放置于永久橋墩頂部，取消臨時墩.由于頂推設備設置在永久墩的頂部，導致梁體在頂推到位后需要進行高位落梁，為了防止在落梁的過程中出現梁體損壞，故需要對落梁過程進行有限元模擬分析，以保證結構安全.

圖1 鋼箱梁斷面Fig.1 Cross section of steel box girder

2 落梁過程及有限元模型

2.1 落梁過程

該段橋梁整體落梁高度達到21 m，落梁過程由三個工段組成.第一工段：利用步履式頂推設備直接落梁290 mm，鋼箱梁落于頂推設備梁段的箱型墊塊上.去掉設備上部水平滑塊和其周圍反力支座，利用頂推設備下部頂升裝置落梁510 mm，如圖2所示(單位：mm).

圖2 頂推設備直接落梁Fig.2 Direct falling beam with pushing device

第二工段：在支座墊石之間設立三個墊墩來代替頂推設備，墊墩長、寬、高分別為1 000、1 500、1 000 mm，墊墩上放置180 t單向千斤頂(高550 mm)，頂起梁體，鎖死油缸.拆除原來放置頂推設備的懸臂梁支架.在箱梁永久支座上搭設4個落梁支墊，長、寬、高分別為1 000、1 500、1 000 mm.梁體在支座位置處落梁100 mm，以后每次落梁150 mm，總落梁高度為1 000 mm，如圖3所示(單位：mm).

圖3 布置松木支墊及180 t千斤頂Fig.3 Arrangement of pine bedding and 180 t jack

第三工段：把180 t單向千斤頂換成200 t三向千斤頂(高200 mm).每次落梁200 mm，直至落梁到位，如圖4所示(單位：mm).

圖4 三向千斤頂落梁Fig.4 Falling beam with three-way jack

2.2 模型建立

本文以通用有限元分析軟件ABAQUS為依托建立后丁香三號橋的鋼箱梁有限元模型，采用shell單元模擬鋼箱梁的鋼板，因為梁體上部的懸挑部分不影響梁體落梁過程的分析，所以只需建立中間梁體部分的模型.在落梁過程中為防止千斤頂的頂帽與梁體作用時產生應力集中而損壞梁體，因此采取在梁體底板受力位置增設尺寸為20 mm×850 mm×850 mm的鋼板作為應對措施，采用實體單元建立20 mm厚鋼板模型和千斤頂模型，兩者之間采用Tie連接，梁體與20 mm厚鋼板之間的作用采用法向硬接觸.使用剛性體約束來約束所有的千斤頂，梁體落梁時受到的支座反力采用對控制千斤頂的參考點施加集中力來模擬.

本文的落梁受力分析共分為三個工況.第一工況：180 t單向千斤頂作用時的受力分析；第二工況：200 t三向千斤頂作用時的受力分析；第三工況：支墊作用時的梁體受力分析.針對第一、二、三工況建立的模型如圖5～7所示.

圖5 第一工況有限元模型Fig.5 Finite element model for first operating condition

圖6 第二工況有限元模型Fig.6 Finite element model for second operating condition

圖7 第三工況有限元模型Fig.7 Finite element model for third operating condition

3 落梁過程分析

對后丁香三號橋前20段進行頂推施工，頂推工作完成后進行落梁工作，其余4段梁體在原頂推拼裝區進行拼裝，可以省去落梁這一工序.本文只針對前20段梁體進行落梁分析，梁體頂推到位后，最大的支反力產生在16#墩上面，計算得到此時的最大支反力達到727 t，則可以選取該工段進行落梁過程梁體的受力分析.落梁的第一工段與頂推階段的梁體臨時擱置狀態時的受力相同，由于頂推階段梁體臨時擱置狀態時滿足受力要求，因此不必分析落梁的第一工段.

3.1 第一工況分析

在落梁過程中千斤頂屬于臨時支承，作用位置在橫隔板底部，由于千斤頂的作用點不屬于設計的梁體支承點，也不位于腹板上，因此，梁體此處對支承力的抵抗能力較弱，需要分析該情況下梁體的受力.對于薄壁的鋼箱梁結構，其破壞特征為屈曲破壞，即結構先失穩屈服，再導致材料破壞.若在數值分析中不進行屈曲分析，計算時將按照理想結構進行，這對于以屈服破壞為主的鋼箱梁結構，其計算值不準確.本文將先對梁體進行模態分析，提取特征值，再進行后屈曲分析并引入網格缺陷因子來模擬現實中的鋼箱梁屈服特征，有限元模型如圖5所示.

由于20 mm厚的鋼板與梁底有接觸，特征值的求解將使用子空間迭代法，子空間迭代法適用于帶有接觸的屈曲分析，模型約束梁段兩端的6個自由度，對于使用剛體約束的千斤頂，除了約束其豎直方向的其他5個自由度，對其參考點在豎直方向上施加100 N的力，求其前5階特征值，求得的特征值分別為7.27×105、7.28×105、8.29×105、8.37×105和9.55×105.第一工況一階模態如圖8所示，由模型的一階模態可以看出，結構橫隔板底部在荷載的作用下，屈曲失穩情況最容易發生在橫隔板加勁較疏的地方.

圖8 第一工況一階模態Fig.8 First-order mode for first operating condition

在獲取結構特征值后，將進行后屈曲分析.在后屈曲分析中對材料屬性引入塑性參數，依據模態分析所得到的節點屈曲失穩位移，需要引入2%的網格缺陷來擾動網格，模擬結構的失穩情況.在后屈曲分析中對千斤頂的參考點施加727 t的力，分析梁體在落梁過程中受到該支反力時的響應，計算表明，在與千斤頂作用的位置處出現最大的Mises應力約為134 MPa，如圖9所示.由于20 mm厚鋼板可對千斤頂作用的巨大支反力進行分散，結構中的最大應力處于允許范圍內，結構中的變形云圖如圖10所示，其最大變形約為2 mm.由于結構仍然處于彈性狀態內，該變形為可恢復的彈性變形，變形最大的區域為橫隔板的失穩突起，梁體底部的最大變形為1.77 mm.可見在千斤頂最大的支反力作用下，最大的變形是橫隔板的突起.

圖9 結構內部Mises應力云圖Fig.9 Mises stress nephogram of internal structure

圖10 結構內部變形云圖Fig.10 Deformation nephogram of internal structure

計算結果顯示，當180 t單向千斤頂作用時，結構中的最大應力約為134 MPa，最大變形約為2 mm，滿足結構強度剛度要求.

3.2 第二工況分析

在落梁的第三工段，梁體高度不斷下降，原180 t千斤頂由于高度較高，落梁后期由于空間狹小導致千斤頂無法正常使用，并且落梁后期需要修正梁體的軸線位置，故此時用200 t的三向千斤頂來代替之前的千斤頂.在此落梁階段，橋墩上只有4個三向千斤頂，因此每個千斤頂對梁體橫隔板產生的支反力更大，為了保證落梁順利完成，需對此工況進行受力分析.

此節分析所用的梁體模型與前節所用一樣，千斤頂數量由6個變為4個，其作用位置也發生改變，模型如圖6所示.模型對梁體兩端約束全部6個自由度，通過參考點對千斤頂施加荷載，模擬落梁時，梁體質量作用在千斤頂上，千斤頂與梁體作用之間設置一塊20 mm厚的鋼板，用以分散千斤頂作用處的應力.對千斤頂的控制參考點施加100 N的力，對模型進行模態分析，獲取模型的特征值，再利用特征分析獲取節點的位移情況，引入2%的網格缺陷，分析梁體在可能的失穩狀況下的受力狀況.對底板處參考點在豎直方向上施加100 N的力，求其前5階特征值，求得的特征值分別為7.27×105、7.28×105、8.29×105、8.37×105和9.55×105.第二工況一階模態如圖11所示.由一階模態可以看出，當4個三向千斤頂作用在中間橫隔板上時，梁體最容易發生失穩屈曲的地方是橫隔板上加勁較疏的地方，由于梁體兩側的千斤頂相對于前節各減少了一個，在一階模態下結構橫隔板的兩側可能都將出現一定的失穩變形.

圖11 第二工況一階模態Fig.11 First-order mode for second operating condition

在獲取特征值以及模型在失穩時產生節點位移的情況下，對結構所用鋼材引入塑性數據以及網格缺陷，對千斤頂的控制參考點施加727 t的荷載，模擬梁體在此種支承下的受力情況.結果表明，梁體中的最大Mises應力約為170 MPa.比前節使用6個千斤頂時增加了約36 MPa，最大Mises應力發生在梁體最外側的兩個千斤頂作用處，如圖12所示，應力在結構允許范圍以內，梁體中的最大變形約為2.14 mm，如圖13所示.

根據模擬結果分析可知，梁體中的最大應力約為170 MPa，在安全范圍內梁體底部發生結構最大變形達到2.14 mm，為可恢復的彈性變形，滿足結構安全要求.

3.3 第三工況分析

當使用180和200 t千斤頂落梁時，需要把梁體臨時擱置在長1 000 mm、寬1 500 mm，由松木搭成的落梁支墊上，該支承位置為梁體設計支承處，由于在該支承處設有加強板，梁底有20 mm厚的鋼板，梁體有足夠的承載力，故只需進行一般分析即可，模型同樣采用前文所用的梁段，梁底與支承處的20 mm厚鋼板接觸，荷載直接施加在20 mm厚的鋼板上，其有限元模型如圖7所示.

圖12 200 t千斤頂作用時的應力云圖Fig.12 Stress nephogram under action of 200 t jack

圖13 第二工況結構內部變形云圖Fig.13 Deformation nephogram of internal structure for second operating condition

結果表明，梁體中產生的最大Mises應力約為75 MPa，如圖14所示.這是由于梁底20 mm厚鋼板對支反力的分散作用，使荷載沒有直接施加在梁體底部的薄鋼板上，從而避免了梁體的損壞.梁體中產生的最大變形約為1.5 mm，如圖15所示.此時材料處于彈性狀態，因此結構變形為彈性變形，在該落梁過程中，滿足結構受力要求，處于安全狀態.

圖14 第三工況結構內部Mises應力云圖Fig.14 Mises stress nephogram of internal structure for third operating condition

圖15 第三工況結構變形云圖Fig.15 Deformation nephogram of structure for third operating condition

在落梁過程中千斤頂與梁體之間增加的20 mm鋼墊板能分散千斤頂頂帽帶來的集中力，避免梁體局部出現過大應力而損壞.

4 結 論

本文通過分析得出以下結論：

1) 通過對鋼箱梁高位落梁過程三個工況的分析，提出了交替式高位落梁工藝，適用于以設計橋墩作為頂推設備支承平臺的情況，不需要另外搭建支承平臺，可縮短施工周期并節省施工費用；

2) 對交替式落梁過程各工況的數值模擬分析表明，該工藝滿足受力、變形和局部穩定性要求；

3) 數值模擬方法與監測數據吻合較好，可推廣到類似過程分析中.

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(責任編輯：鐘 媛 英文審校：尹淑英)

Numerical simulation of pushing and falling process of over-line steel box girder bridge

WEI Hua1, LIU Hong-zhao1, LI Wei-dong2, LIN Xian-guang2, WANG Hai-jun1

(1. School of Architecture and Civil Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China; 2. Ministry of Science, Technology and Information, China Railway 15th Bureau Group Co. Ltd., Shanghai 200070, China)

In order to study the mechanical behavior and local buckling behavior of steel box girder in the process of high-level falling beam, the Hou Dingxiang NO.3 bridge was taken as the engineering background, and a new alternating high-level falling beam technology was proposed. The beam falling process was numerically simulated with the finite element software ABAQUS, the finite element model for three operating conditions of high-level falling beam process was established, and the supporting counterforce of the jack on the beam was simulated with the concentrated load. In addition, the stress nephogram and buckling mode under three operating conditions were analyzed. The results show that the simulated data are in good agreement with the monitored data, and the stress and strain of the structure can meet the construction requirements. The proposed high-level falling beam technology and numerical simulation method can provide the references for the similar projects.

construction process; pushing method; high-level falling beam; steel box girder; stress and strain; buckling analysis; numerical simulation; finite element

2016-10-25.

沈陽市科學技術計劃項目(F13-316-1-43).

魏 華(1973-)，女，山西交城人，副教授，博士，主要從事結構工程等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.04.22

TM 343

A

1000-1646(2017)04-0475-06

*本文已于2017-06-21 21∶21在中國知網優先數字出版. 網絡出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170621.2121.024.html