有限元模型在鋼桁梁頂推工程中的應用

劉敬玉 曹延齋 韓玉寬

(1.膠州市城鄉建設局，山東 青島 266300； 2.青島市市政工程設計研究院有限責任公司，山東 青島 266061)

1 概述

1.1 頂推法定義

頂推法施工是在橋梁施工的時候，在縱橋向的后面先搭建一個拼裝平臺，之后在這個平臺上進行橋梁一個節段的預制或者拼裝工作，當在這個拼裝平臺上進行完這一個節段的拼裝或者預制工作之后，就利用滑動的裝置以及水平千斤頂，將其沿縱橋向水平頂推出去，之后，再在這個拼裝平臺上對下一個節段的橋梁梁體進行拼裝或者預制工作，就這樣預制拼裝一段梁體，便利用千斤頂向前頂推一段，再預制拼裝一段，如此循環往復，將梁體拼裝頂推，一直到梁體成型，已經頂推到設計的位置之后，橋梁的頂推施工工作結束[1,2]。之后落梁，梁體放置在永久支座上。

1.2 有限元法定義

有限元技術在工程結構的計算與模擬上得以廣泛應用。有限單元法作為一類求解工程結構近似解的數值分析方法，其思路為將工程結構離散為多個單元，將若干個單元的集合體來取代實際結構，然后對每個單元進行計算，最終求得整體結構的計算結果。這種計算方法得到的結果是近似的，但對于工程應用來說，精度可以滿足。有限單元法是經過矩陣位移的方法推廣演化，逐步擴展到二維及三維模型。二維與三維模型與桿系模型不同，沒有明顯的連接點，因此需要人為建立眾多節點，這樣使結構分割為各種形狀的單元。通過這種方式，連續體便可使用有限個自由度的系統來表示，并可求得其近似計算結果[3]。

1.3 頂推法建模思路

頂推法建模思路有兩種:一種是墩動梁體不動，另一種是梁體動墩不動[4,5]。

1)墩動梁體不動是指在結構建模過程中，梁體的空間坐標保持不變而墩臺等不斷向后移動。這種方法的優點是:整個頂推過程中結構的單元號沒有改變，方便提取結構內力等數據。缺點是:下部支撐反力的提取較為麻煩。

2)梁體動墩不動是指墩臺的空間位置不變，利用激活和鈍化單元的方式實現結構向前移動。該方法的優點是:a.模型的頂推過程很直觀，符合實際情況;b.由于下部結構空間坐標沒有改變，因此支撐反力的提取較為簡便。缺點是:由于模型中結構的單元號在不停改變，因此內力的提取較為麻煩。

2 湖北省某工程示例

2.1 工程概況

該橋跨布置為2-32 m簡支梁+1-96 m鋼桁梁+5-32 m簡支梁+1-20 m簡支梁+2-24 m簡支梁+5-32 m簡支梁，全橋長575.36 m。其中1-96 m鋼桁梁采用拖拉施工方案[6]。

2.2 導梁及臨時墩計算分析

2.2.1導梁的計算

采用Midas建立導梁計算模型，通過計算得各個桿件在各工況下的結構受力如表1所示。

表1 各桿件在各工況下的結構受力表

2.2.2臨時墩計算分析

1號墩鋼管樁截面采用φ800 mm×20 mm，Q235材質，布置為4×4共16根，按縱橋向樁間距為2.4 m，橫橋向樁間距3 m布置，樁底與鉆孔樁基礎通過法蘭盤連接。

2號、3號墩結構基本相同，鋼管柱采用Q235材質，鋼管柱截面為φ1 500 mm×16 mm，鋼管柱內灌注C40混凝土。臨時墩鋼管柱布置共4根，按縱橋向樁間距為7.5 m，橫橋向樁間距12 m布置。計算模型如圖1,圖2所示。

臨時墩分配梁及滑梁計算：

1)分配梁及滑梁彎矩內力值,見表2～表4。

表2 1號臨時墩各構件最大內力計算值結果匯總表(工況3)

表3 2號臨時墩各構件最大內力計算值結果匯總表(工況2)

表4 3號臨時墩各構件最大內力計算值結果匯總表(工況4)

2)滑梁A結構計算。

最大變形值計算：12.7 mm

3)滑梁B結構計算。

經計算滑梁B滿足設計要求。

4)滑梁C結構計算。

滑梁C與滑梁B結構相同且比滑梁B受力較小，故滑梁C滿足設計要求，計算略。

5)分配梁A1結構計算。

6)分配梁A2結構計算。

經計算分配梁A2滿足設計要求。

3 結語

1)在頂推過程中墩身立柱底面沒有拉力，墩身桿件所受軸向力符合桿件承載力要求;基礎底面的荷載合力偏心均小于設計允許值，傾覆穩定系數和滑走穩定系數均大于設計允許值，基礎底面的土壤最大壓應力小于允許值，基礎底面的拉應力大于零。所擬選臨時墩的高程、基礎、墩身桿件均能滿足施工要求。

2)有限元模型使橋梁頂推施工的結果分析更加精確，可以有效提升計算速度，減少主梁單元數量，保障計算的精度，該方法是值得進行推廣和使用的。