基于ANSYS的鋼槽梁頂推施工過程分析與研究

汪學進，薛志武

（1.中交二航局第四工程有限公司，安徽 蕪湖 241000；2.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司，湖北 武漢 430000）

1 應用背景

對比吊裝施工技術，頂推施工技術優點頗多：基本不會影響現有交通的正常通行、現場操作簡單、施工成本低、效率高等[1-2]。頂推施工技術的關鍵點包括施工過程中的各支點反力的控制，結構的應力和位移，腹板穩定性以及傾覆穩定性控制等。大型有限元分析軟件ANSYS通過建立全橋模型，仿真頂推施工全過程，可以較準確地提取施工過程中的各關鍵點的理論數據[3]。

2 工程概況

沙埕灣跨海大橋起點銜接佳陽互通主線（起點樁號K13+011）、終點銜接店下互通主線（終點樁號左幅K15+065、右幅K15+001）。大橋位于福鼎市佳陽鄉竹甲鼻附近，起于竹澳，建北引橋后，以主跨535 m的主橋跨越竹甲鼻與青嶼島之間的北汊水域（水面寬約485 m），經青嶼島，接南引橋跨越南汊水域（水面寬約300 m），于阮家渡村登陸。其中南引橋左右幅均采用 6×80 m+（64+4×80）m鋼-混組合梁。采用分離式斷面，橋面寬度2×18.1 m。南引橋位于R1=∞、R2=1 730 m的緩和曲線及R3=1730 m的圓曲線上，縱斷面位于半徑R4=50000m兩側縱坡分別為-2.499%與-2.0%的豎曲線內（見圖 1）。

圖1 南引橋全橋總圖（左幅）（mm）Fig.1 General layout of the whole south approach bridge（Left）(mm)

3 頂推施工工藝介紹

南引橋上部結構采用鋼槽梁頂推到位后安裝橋面板的施工工藝。鋼槽梁采用分幅頂推施工，總頂推重量約10 500 t。頂推設計擬采用先右幅，后左幅，橋臺拼裝，由大墩位往小墩位方向多點同步步履式頂推工藝。頂推設備為800 t步履式頂推設備，結構主要有導梁、臨時墩、承載梁和操作平臺等（見圖1）。

單幅頂推時，最多需要28臺頂推設備，采用1臺總控集中控制。單臺設備重約4 t，頂推速度10～18 m/d。全橋共設3個臨時墩，右幅2個，左幅1個。臨時墩采用φ630×10 mm鋼管，分配梁采用HM588×300 mm型鋼，采用嵌巖樁基礎。永久墩墩頂布置2臺頂推設備，設備頂部設置承載梁（見圖2）用于鋼槽梁頂推。2臺頂推設備中心距3.05 m，承載梁可滿足鋼槽梁±400 mm的橫向偏位。

圖2 承載梁結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of bearing beam structure

施工工藝總體采用先右幅，后左幅，邊頂推邊糾偏，設備橫移的方案進行，頂推過程中，以末端為定點，整體向平曲線圓心糾偏[4]，輔以部分位置設備橫移，以保證鋼槽梁腹板始終在頂推設備支承面范圍內。

4 計算分析

4.1 載荷

頂推施工通過逐節拼裝逐節頂推完成鋼槽梁施工，頂推過程主要荷載有以下幾部分。

1）鋼槽梁自重荷載：鋼槽梁節段重量（見表1），考慮1.35的分項系數。

2）導梁自重荷載：50 m導梁重1 220 kN，考慮1.35的分項系數。

3）風荷載：工作風速為6級，風壓力Wk1=0.3 kN/m2；非工作最大風為12級，風速V=35.2 m/s（10 m高度），Wk2=2.18 kN/m2，考慮1.4的分項系數。

表1 鋼槽梁節段重量表Table 1 Weight of steel groove beam segments

4.2 工況分析

根據橋墩分布和現場地形等條件，對左幅的頂推全過程擬選21種工況作為典型工況進行計算分析（部分工況見表2），其中大部分工況為導梁即將上墩的最大懸臂狀態。

表2 左幅頂推計算工況Table 2 Calculation conditions of left incremental launching

4.3 頂推全過程計算分析

利用大型有限元分析軟件ANSYS建立全橋模型并進行分析。主梁結構以及導梁主肢采用shell63板單元建模，導梁連接桁架采用beam188單元建模。

模擬采用倒退連續梁進行計算，即建立全橋模型后，根據施工的不同階段激活相應階段的單元，然后將各墩依次往后移動，來模擬施工的全過程[5]。

由頂推臨時結構各支點反力匯總（見表3）得出，最大反力值為9 353 kN，出現在工況6，位于3號臨時墩（20號橋墩的墩旁支架），內外側兩支點反力分別為4 915 kN，4 438 kN；最大反力值為10 006 kN，出現在工況8，位于19號橋墩，內外側兩支點反力分別為5 204 kN，4 801 kN。最大懸臂時的內外側支點反力差值大約在450 kN，約為兩支點平均反力的45%，故鋼槽梁的水平圓弧曲線引起的質量偏心對同一墩座處的兩設備的載荷分配影響較小。

表3 左幅頂推施工過程最大應力位移統計表Table 3 Statistical table of maximum stress and displacement of left incremental launching construction process

計算左幅頂推過程中鋼槽梁和導梁最大應力出現在工況8（見圖3），即最大懸臂位置，σmax=239.5 MPa＜f=290 MPa；最大位移出現在工況6，位移值為1 496 mm，在上墩允許下撓范圍內，頂推施工鋼槽梁和導梁強度及剛度滿足要求。工況20、21僅作為加固方案的驗證工況不納入最大應力、應變、反力的統計。計算結果表明加固區域對結構有明顯的改進作用，加固區域滿足鋼槽梁的頂推使用需求。

圖3 工況8鋼槽梁應力云圖（左幅）Fig.3 Stress nephogram of steel groove beam under working condition 8（Left）

4.4 腹板局部穩定性計算分析及優化

根據總體計算提取最大支點反力進行局部腹板穩定性校核[6]。頂推設備接觸面為順橋向1 180 mm×橫橋向650 mm。鋼槽梁腹板最薄厚度為16 mm，頂板最薄厚度為30 mm，底板最薄厚度為20 mm。

頂推鋼槽梁時，其下翼緣受壓，上翼緣受拉，當頂推設備處于相鄰兩塊橫隔板之間時，腹板受力最危險。根據鋼槽梁截面參數，腹板截面的拉壓分界線與頂板距離值為2 371 mm。上（A）、中（B）和下（C）的3個區格的受力狀態分別為純拉、拉壓及純拉，僅按配置橫向加勁肋的腹板進行B區和C區格穩定性分析[7]，代入相關數據易算得B區穩定性滿足要求，C區穩定性值為1.15＞1，不滿足要求。

經過分析對鋼槽梁進行一定的穩定性加固（見圖4）。分析易得，只需對高度為1 000 mm的受壓區格進行穩定性分析，計算有加強后的穩定性值為0.97，鋼箱梁腹板局部穩定性滿足要求。

圖4 鋼槽梁穩定性加固示意圖Fig.4 Schematic diagram of steel groove beam stability reinforcement

4.5 傾覆穩定性分析

拼裝導梁（見圖5）及初始部分節段的鋼槽梁時，整體結構支點少，整體結構重心位置變化大，存在往前點頭的風險和頂不起來的情況。現對導梁拼裝過程進行傾覆性分析[8]。導梁長50 m，重量122 t。綜合考慮安裝、結構加工工藝、現場環境等條件，導梁分為6個節段。

導梁拼裝工藝流程分為5個步驟：

圖5 導梁分段示意圖Fig.5 Schematic diagram of guide beam segments

步驟1：右幅頂推前準備和導梁安裝，在拼裝平臺安裝右幅第1～3節導梁；

步驟2：將導梁向前頂推8 m，安裝第4節導梁；

步驟3：將導梁向前頂推7.5 m，安裝第5節導梁，并在導梁尾部安裝40 t配重塊。配重重心到第5、6節段接縫的距離為2 m；

步驟4：將導梁向前頂推6.5 m，安裝第6節導梁；

步驟5：將導梁向前頂推7 m，開始安裝鋼槽梁。

經計算，在步驟4，第6節導梁拼裝前，前5節導梁處于最大懸臂狀態。此時，后支點（1號支點）反力32 kN約為前支點反力836 kN（2號支點）的4%，不滿足穩定性要求。需在第5節段導梁上增加配重。通過反算，當增加40 t配重時，后支點（1號支點）反力約為前支點反力（2號支點）的14.5%。抗傾覆穩定系數K=5.2，導梁穩定性滿足要求。

5 結語

1）通過建立全橋的有限元模型，模擬了頂推施工的全過程，得到了施工過程中的各關鍵點的理論數據，同時現場頂推油缸實際監測反力與理論計算反力高度吻合，驗證了模型計算的可靠性。同時理論計算得到的反力，是頂推設備選型和局部穩定性計算的輸入條件。

2）利用ANSYS建立的全橋板單元模型，便于驗證模型的局部加固改善效果。通過在最大懸臂區域的一定范圍內設置橫向筋板，能較好地改善腹板局部穩定性。