鋼箱梁頂推施工過程分析

黃霞

摘要：文章結合某特大橋工程實例，對頂推施工中導梁結構形式選擇及截面尺寸的確定作了簡單介紹，采用有限元方法對結構進行了數值分析，分別對施工過程中導梁在自重荷載作用下的穩定性、各墩支反力、鋼箱梁抗傾覆穩定性、鋼箱梁應力等進行計算。結果表明：頂推過程中，導梁穩定性滿足要求;鋼箱梁在上墩前彎曲應力最大，相應剪應力值則相對較小;墩頂支點反力、抗傾覆穩定性均符合設計規范要求。

關鍵詞：頂推施工;有限元;鋼箱梁;抗傾覆穩定性

0 引言

近年來，頂推施工被越來越廣泛地應用于跨線、跨河等現澆施工困難的橋梁，并取得了良好的社會經濟效應。在頂推過程中，導梁受力情況、懸臂端變形、箱梁抗傾覆穩定性等成為施工控制之重點。本文結合工程實際，對某特大橋的頂推施工的鋼導梁進行設計、受力情況及穩定性分析，并計算鋼箱梁在最不利情況下的抗傾覆穩定性，為今后該類型橋施工提供參考。

1 工程概況

某雙塔雙索面特大跨度斜拉橋上部結構采用的組合形式為（213+508+185）m，采用梁墩固結、塔梁分離的連結方式。塔柱采用折H型構造，主塔高為195.1m，橋梁全長956m，橋面凈寬27.7m。全橋主縱梁按施工次序依次分為ZL1～ZL65共65個節段，鋼梁平均重量為12.33t/m。其中貴州側邊跨ZL1～ZL22節段的施工方式為頂推施工，全長236.8m。橋梁立面圖如下頁圖1所示。

2 鋼導梁的設計[1-2]

2.1 材料選用及設計參數

參照《公路橋涵鋼結構木結構設計規范》（JTJ025-86）[3]和《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）[4]，鋼梁體系包含一種鋼材：Q370qD鋼材;導梁體系包含一種鋼材：Q235鋼材;臨時墩體系包含一種鋼材：Q345鋼材。Q370qD比Q345強度大，但都按Q345參數計算，各種材料容許應力均不考慮提高系數。

2.2 輔助墩布設

在頂推過程中，由于在導梁前端上墩之前為一懸臂結構，在自重荷載作用下，通常導梁前端的底面標高會低于滑道頂面的標高。因此，當永久墩間距較大時，可在相鄰永久墩之間布設輔助墩以減小頂推跨度。本橋頂推共布設3個輔助墩：在2#～3#墩間布設輔助墩L1，墩跨為28.5m+36m;在3#～5#墩間布設輔助墩L2、L3，墩跨為32.75m+2×40m+35.75m。立柱采用“4×[WTBX]610×14”鋼管，鋼管間用萬能桿件連接成整體，保證輔助墩整體穩定性。在墩頂橫向安裝分配梁，縱向安裝承重滑道。輔助墩構造如圖2所示。

2.3 導梁結構形式比選

現階段使用的鋼導梁主要是以下兩種：鋼板梁;鋼桁梁。現將兩種導梁的受力情況、自重、剛度等主要施工參數進行比選，如表1所示。結合本橋實際施工情況，選擇如圖3所示的鋼板梁作為本項目鋼導梁的結構形式。

2.4 導梁穩定性分析

導梁在頂推過程中，需保證本身具有足夠的強度、剛度和穩定性。本項目導梁的最大頂推跨度為40m，故以該最大跨度為例進行導梁自身穩定性分析。頂推前移時，導梁前端跨越40m跨徑，進而伸出懸臂，改變受力狀態，鋼導梁的最不利情形狀態下的穩定性需要計算分析才能確定。因而，選取導梁每前移2m作為一個計算工況，分析導梁在自重荷載作用下的受力狀態，確定導梁前移過程中的最不利情形。本次分析中共取了12個計算截面。采用MidasCivil軟件建立有限元模型（如圖4所示）。模型計算時采用以下假定：

（1）將鋼梁與導梁采用梁單元進行模擬;

（2）建模時，僅考慮ZL1～ZL22鋼梁節段，且僅考慮主梁和橫梁的作用;

（3）由模型運算可知，主梁與橫梁自身重量只有設計圖紙重量的70%，因此，兩者結合運算時，自重恒載系數為1/0.7=1.43;

（4）進行正式頂推分析時，模型計算采取和該導梁驗算模型相同的假設;

（5）鋼箱梁頂推在前行時，除自身自重恒載外，不考慮其他諸如風荷載、溫度荷載等相關荷載的影響，故不進行其他荷載加載。

通過計算分析，可得出頂推前行時導梁在自身自重荷載作用下的最大彎矩和最大剪力值（詳見表2）。由此可見，當導梁從輔助墩上頂推前移距離達到16m位置時，其在自重荷載作用下所受到的彎矩最大，達到了112.3MPa<145MPa;當導梁從輔助墩上頂推前移距離達到20m位置時，其在自重荷載作用下所受到的剪力最大，相應的剪應力大小僅有28.2MPa<85MPa。此外，在導梁前移過程中，每個階段其彎曲應力值相對較大，且出現的位置位于橫梁之上，而相應的，剪切應力值較小，其最大值位置均位于鋼板梁之上。基于以上分析，得出在導梁前移過程中，在自重荷載作用下，其穩定性滿足規范要求的結論。

2.5 頂推過程中導梁前端最大下撓

鋼箱梁頂推前移時需注意隨時觀察導梁前端下撓位移情況。鋼箱梁在頂推到最大懸臂工況下時，即當其前端位置上墩前，此時導梁前端下撓達到極值。經計算分析，導梁前移過程中各懸臂工況下其前端最大下撓位移在36～162mm之間。

3 頂推過程受力分析

3.1 計算工況劃分

鋼梁的特征工況主要為鋼梁頂推至每一跨間的最大懸臂狀態及其后上墩狀態，因而選取以下15個工況作為計算工況：

工況1：鋼箱梁前移到2#墩上墩前;

工況2：鋼箱梁前移到2#墩上墩后;

工況3：鋼箱梁前移到L1#墩上墩前;

工況4：鋼箱梁前移到L1#墩上墩后;

工況5：鋼箱梁前移到3#墩上墩前;

工況6：鋼箱梁前移到3#墩上墩后;

工況7：鋼箱梁前移到L2#墩上墩前;

工況8：鋼箱梁前移到L2#墩上墩前;

工況9：鋼箱梁前移到L3#墩上墩前;

工況10：鋼箱梁前移到L3#墩上墩后;

工況11：鋼箱梁前移到L4#墩上墩前;

工況12：鋼箱梁前移到L4#墩上墩后;

工況13：鋼箱梁前移到5#主塔上墩前;

工況14：鋼箱梁前移到5#主塔上墩后;

工況15：鋼箱梁前移到5#主塔尾端最大懸臂處。

3.2 頂推過程各工況下支點反力

本次頂推施工邊跨鋼梁在前行過程中需越過6個橋跨段，因而將施工方式分成6個節段推進。為減小尾端懸臂引起的較大反力及鋼梁應力，在頂推ZL1節段時不拼裝其鋼橫梁，直到頂推完畢后再拼裝ZL1節段鋼橫梁。隨著頂推的進行，鋼梁節段不斷增加，懸臂跨度變大，結構整體受力體系亦隨之發生改變，支撐點反力亦反復變化。分析得出，墩支點最大支反力出現在工況14狀態下，位置位于2#墩，其值為6063kN。

3.3 抗傾覆計算

在工況1情況下，即首批鋼梁頂推至2#墩前端上墩前，此時抗傾覆最不利，鋼箱梁最大懸臂為40m，而施工平臺上鋼梁簡支段為42m，偏于安全考慮，將導梁當作均布荷載進行計算，導梁重量為18.2kN/m，后支點的支反力為626kN。抗傾覆系數為K=抗傾覆力矩/傾覆力矩=（123.3×42×21）/（626×42+123.3×18×9+18.2×22×29）=1.88>1.4，所以滿足抗傾覆要求。

3.4 鋼梁受力分析

通過MidasCivil軟件計算可得各工況狀態應力值（見表3），由表中數據可知，鋼梁最大彎應力出現在工況1、9、11、13狀態，為90.8MPa<210MPa;而在工況13、14作用下的剪應力值最大，達到19.7MPa<120MPa，符合設計規范。

4 結語

近年來，頂推法作為橋梁施工的一種方法正在被普遍使用，對其施工受力性能的研究也不斷深入。使用頂推法施工時，為了減小主梁的受力和撓度，往往需要采用臨時墩和導梁等輔助設備。本文通過有限元分析了鋼箱梁在頂推施工過程中的受力情況，可得出以下結論：

（1）鋼梁在工況1、9、11、13狀態下的彎曲應力最大，均為頂推過程中鋼梁上墩前;

（2）頂推過程中各墩頂支點反力均較小，最大為6066kN，箱梁抗傾覆穩定性為1.88，滿足規范要求。

參考文獻：

[1]喬亞東.鋼箱梁頂推施工鋼板梁式鋼導梁設計[J].公路交通科技（應用技術版），2011（3）：132-136.

[2]龐建國.鋼箱梁頂推箱型導梁設計與施工[J].中國公路，2012（2）：116-117.

[3]JTJ025-86，公路橋涵鋼結構及木結構設計規范[S].

[4]GB50017-2003，鋼結構設計規范[S].