步履式頂推鋼箱梁墊塊性能對比分析

陳 君，吳 波，朱利明，黃國紅，徐 松

(1. 江蘇省南京市公共工程建設中心，南京 210009；2. 南京工業大學交通運輸工程學院，南京 210009)

步履式頂推施工法具有安全程度高、頂推平穩、主梁軸線調整便利等優勢，因而廣泛運用于跨越深谷、河流、公路以及鐵路等橋梁施工中[1-2]。在鋼箱梁頂推施工過程中，主梁受自重效應或設置的預拱度等因素影響，主梁在墊塊長度區域內的前后端會產生一定的豎向位移差值，這個高差定義為轉角位移。轉角位移反映出墊塊和主梁底板的不均勻接觸，這種不均勻接觸會導致主梁支承區域出現屈服，對頂推施工過程的結構安全產生很大影響[3-4]。在橋梁頂推施工中，墊塊的選擇通常根據工程經驗，這樣不僅無法保證頂推過程中結構的安全，還會延長施工工期并增加施工成本，進而添加很多不必要的麻煩[5]。步履式頂推施工過程中因墊塊參數選擇不當，造成主梁支承區域局部應力超限，鋼箱梁底板被頂凹的情況也很多，因此分析墊塊參數對鋼箱梁局部受力的影響就顯得尤為重要。

謝祺[5]認為選擇彈性模量較小的墊塊，可有效改善支承處接觸不均勻的現象，墊塊的長度越長對支承處的局部受力就越有利；李傳習等[6]認為墊塊在設計面積條件下，其彈性模量減小至鋼材的60%時，支承位置處鋼梁局部受力改善顯著，墊塊寬度的大小對支承處的局部受力無顯著影響；李興全等[7]分別分析4種墊塊對鋼箱梁局部受力的影響，建議采用Ⅱ類橡膠墊塊或聚四氟乙烯板作為彈性墊層；蔣雄[8]在對比設置橡膠墊塊和不設橡膠墊塊兩種情況后認為設置橡膠墊塊可有效改善鋼箱梁局部受力問題。目前，步履式頂推施工墊塊的選擇主要根據工程經驗，針對墊塊參數對鋼箱梁局部受力的影響研究較少，本研究以南京龍翔西立交建設工程為背景，基于通用有限元軟件ABAQUS建立典型不利工況下“殼-實體-接觸”混合有限元模型，分析步履式頂推施工中墊塊參數對鋼箱梁局部應力的影響，提出墊塊參數的合理取值，其結果可為相關工程設計及步履式頂推施工提供參考。

1 工程背景

南京龍翔西立交建設工程，其上部結構采用簡支鋼箱梁，跨徑為60 m，在兩端過渡墩處均與現澆預應力混凝土箱梁連接。鋼箱梁采用步履式頂推施工，頂推距離為(6.7+39+60)m，頂推立面布置如圖1所示。橋面總寬為38.5 m，左右對稱，橋面設雙向2%橫坡，采用雙箱斷面，每個箱體3個箱室，主梁高度為2.6 m，單個箱體底板寬度為 12.625 m，兩個箱體間隔為5.5 m。根據鋼箱梁分體寬幅的結構特點，在主梁梁底設置橫向4支點步履式頂推設備，每套頂推設備采用單個豎向千斤頂和水平千斤頂，豎向千斤頂直徑為320 mm，水平千斤頂直徑為140 mm，步履式頂推設備上未布設分配梁或墊梁，其上直接布置鋼墊塊和其他墊塊，鋼墊塊和其他墊塊接觸面積相同。頂推過程中，步履式頂推設備中軸線與中腹板對齊，縱向頂推步距為0.6 m，滑道處鋼箱梁橫截面如圖2所示。

圖1 頂推立面布置(單位：mm)

圖2 滑道處鋼箱梁橫截面(單位：mm)

2 結構有限元分析

2.1 頂推施工全過程仿真分析

2.1.1 建立有限元整體模型

采用midas Civil有限元軟件建立空間計算分析模型，桿系有限元模型如圖3所示，主梁、導梁采用空間梁單元模擬，對橋梁整個頂推過程進行施工模擬，采用“墩動梁不動”方式模擬橋梁頂推過程，以每頂推1 m作為1個計算步長，施工計算模擬共劃分108個施工階段。該模型采用直角坐標系，X軸為縱橋向，Y軸為橫橋向，Z軸為豎橋向。頂推過程中支承位置對鋼箱梁的約束，采用“彈性約束”中的“僅受壓”，前導梁前端約束Y的平動和X、Z的轉動、后導梁后端約束X、Y的平動和X、Z的轉動。

圖3 桿系有限元模型

2.1.2 典型不利工況的確定

通過全過程仿真分析，以主梁“懸臂端撓度+支反力”綜合確定典型不利工況，典型不利工況發生在頂推64.5 m工況下(即前導梁即將抵達M08墩時)，此時主梁前端撓度為-52.8 mm(撓度以向上為正，向下為負)，反力最大值發生在M09墩，數值達到10 725.5 kN。

2.2 “殼-實體-接觸”混合有限元模型

2.2.1 建立有限元局部模型

頂推過程中，鋼箱梁與導梁連接為一個整體，本文選取60 m鋼箱梁，采用大型通用軟件ABAQUS建立“殼-實體-接觸”混合有限元模型，如圖4所示，分析頂推過程中墊塊參數對鋼箱梁局部應力的影響。鋼箱梁段采用殼單元S4R、S3R，墊塊采用實體單元C3D8R。主梁模型網格尺寸為0.2 m，墊塊模型網格尺寸細化為0.1 m。鋼箱梁、鋼墊塊的密度均為7 850 kg/m3，彈性模量E取206 GPa，泊松比μ取0.3, 墊塊布置如圖5所示。

圖4 “殼-實體-接觸”混合有限元模型

圖5 墊塊布置

2.2.2 邊界條件的模擬

在ABAQUS“殼-實體-接觸”混合有限元模型中，主梁兩端各建立1個參考點，參考點與主梁兩端節點采用耦合約束的方式連接在一起[9]，耦合約束放大圖如圖6所示。鋼箱梁與墊塊的相互作用，接觸類型采用面-面離散方式約束，法向硬接觸，切向無摩擦，以剛度較大的鋼箱梁底板接觸面作為主面，墊塊頂面作為從面，面-面接觸局部放大圖如圖7所示；墊塊底面固結，未考慮步履式頂推裝置具體細節及鋼墊塊。該模型采用直角坐標系，X軸為橫橋向，Y軸為豎橋向，Z軸為縱橋向。主梁前端參考點約束X方向的平動和Y、Z方向的轉動；主梁后端參考點約束X、Z方向的平動和Y、Z方向的轉動[10-11]。

圖6 耦合約束放大圖

圖7 面-面接觸局部放大圖

2.2.3 計算荷載

提取midas Civil整體模型頂推64.5 m工況下，主梁兩端截面的剪力和彎矩，將其加載至ABAQUS模型對應的主梁兩端截面參考約束點上；重力加速度取9.8 m/s2。

3 墊塊參數對比分析

3.1 墊塊面積對鋼箱梁局部受力的影響

3.1.1 計算模型的建立

本節基于ABAQUS“殼-實體-接觸”混合有限元模型分析5種墊塊接觸面積對鋼箱梁局部受力的影響，墊塊面積分別為：200 mm×200 mm；400 mm×400 mm；600 mm×600 mm；800 mm×800 mm；1 000 mm×1 000 mm。根據工程經驗，墊塊厚度暫取為100 mm，墊塊彈性模量暫取為鋼墊塊的彈性模量(E=206 000 MPa)。

3.1.2 計算結果分析

頂推施工中，鋼墊塊通常用于調整主梁支點標高，其他墊塊布置于鋼墊塊之上，直接與主梁梁底接觸，墊塊的面積直接影響著主梁支承區域局部效應，因此本節針對墊塊面積對鋼箱梁局部受力進行初步分析。主梁主要構件在不同墊塊邊長下最大等效應力趨勢如圖8所示。

圖8 主梁主要構件在不同墊塊邊長下最大等效應力趨勢

由圖8可知：

(1) 各主要構件在墊塊邊長為600 mm工況下，最大等效應力由大到小依次排序為腹板、底板U肋、滑道加勁、底板、橫隔板、頂板、頂板U肋。腹板的等效應力最大，這是因為墊塊和主梁底板的接觸區域內，由于支反力的作用使底板產生凸起，而在底板上恰好有一塊腹板，底板的凸起被腹板限制，從而使底板和腹板連接處產生應力集中。

(2) 隨著墊塊邊長的增加，腹板等效應力有明顯降低趨勢，墊塊邊長增加至400 mm以后腹板等效應力穩定于290 MPa左右，墊塊長度增加至1 000 mm 后，腹板等效應力達到最小值270 MPa，這是因為墊塊邊長的增加，使墊塊和底板的支承接觸區域達到底板U肋處，底板U肋相應承擔一部分作用力；底板U肋等效應力有增長趨勢，這是因支承接觸區域離底板U肋越來越近導致；底板和滑道加勁始終在125 MPa附近波動，無明顯趨勢；遠離支承區域的橫隔板、頂板、頂板U肋無明顯等效應力變化。

(3) 墊塊面積的選擇不但要滿足鋼箱梁應力限值的要求，還要從經濟性和適用性去考慮，當墊塊邊長達到400 mm時性價比最高，但考慮到墊塊面積應留有一定的安全儲備面積，綜合確定墊塊邊長為600 mm時較為合適。

3.2 墊塊厚度對鋼箱梁局部受力的影響

3.2.1 計算模型的建立

在3.1節分析中，綜合確定墊塊邊長為600 mm時為較合適的墊塊面積，本節基于上述研究，分析5種墊塊厚度對鋼箱梁局部受力的影響，墊塊厚度分別為20 mm、40 mm、60 mm、80 mm和100 mm。根據工程經驗，墊塊彈性模量暫取為鋼墊塊的彈性模量(E=206 000 MPa)。主梁主要構析在不同墊塊厚度下最大等效應力趨勢如圖9所示；墊塊在不同厚度下最大等效應力趨勢如圖10所示。

圖9 主梁主要構件在不同墊塊厚度下最大等效應力趨勢

圖10 墊塊在不同厚度下最大等效應力趨勢

3.2.2 計算結果分析

由圖9和圖10可知：

(1) 墊塊厚度的增長對主梁各主要構件最大等效應力無顯著影響。

(2) 墊塊厚度的增長對墊塊本身等效應力影響較大，并且總體呈遞減趨勢。當墊塊厚度達到80 mm 時，墊塊等效應力達到最小值174.7 MPa，因此選取墊塊厚度為80 mm為合適的墊塊厚度。

3.3 墊塊剛度對鋼箱梁局部受力的影響

3.3.1 計算模型的建立

在3.1節和3.2節分析中，綜合確定墊塊邊長為600 mm、墊塊厚度為80 mm為合理的墊塊尺寸，本節基于上述研究分別選取4種墊塊剛度，研究對鋼箱梁局部受力的影響。在墊塊尺寸相同的情況下，其剛度的大小主要取決于彈性模量，因此選取墊塊分別為Ⅰ類橡膠墊(E=30 MPa)、Ⅱ類橡膠墊(E=500 MPa)、聚四氟乙烯板(E=1 420 MPa)和鋼板(E=206 GPa)。

3.3.2 計算結果分析

墊塊在主梁自重荷載作用下產生壓縮變形，以此來自適應主梁梁體線形的變化，從而保證主梁底板和墊塊頂面產生較好的貼合，通過改變墊塊的彈性模量，從而避免主梁局部應力集中現象。不同墊塊應力如圖11所示。

(a) 鋼板墊塊(E=206 GPa)應力

由圖11可知：

(1) 墊塊采用鋼板墊塊(E=206 GPa)時，墊塊等效應力在墊塊橫、順橋向上受力分布極不均勻；當墊塊在順橋向距離為0 mm、橫橋向距離為300 mm 時，墊塊等效應力出現最大值，這是因為在墊塊和主梁底板接觸時，底板的變形受到中腹板的限制，使墊塊受力不均勻，從而造成墊塊的應力集中。

(2) 當墊塊彈性模量減小時，墊塊和主梁底板的接觸受力變得越來越均勻，主梁的接觸受力區域變大，使墊塊的應力水平變得更加均勻。

主梁主要構件在不同墊塊彈性模量下最大等效應力趨勢如圖12所示。

圖12 主梁主要構件在不同墊塊彈性模量下最大等效應力趨勢

由圖12可知：

(1) 當墊塊彈性模量為206 GPa時，腹板最大等效應力達到292.7 MPa，超過Q345鋼材基本允許應力210 MPa[6]；隨著墊塊彈性模量的降低，當墊塊彈性模量為1 420 MPa、500 MPa和30 MPa時，腹板最大等效應力分別對應為197.2 MPa、175.2 MPa和170.0 MPa，應力計算結果滿足要求。

(2) 墊塊彈性模量的減小，使腹板最大等效應力顯著降低，這是因為墊塊通過自身的壓縮變形來適應梁體和墊塊的相對變形，使鋼箱梁接觸區域內受力變得更加均勻；底板等效應力增加，這是因為腹板和底板共同受力，腹板豎向荷載的減小使得墊塊范圍內，腹板外其他部位底板豎向荷載比例增加；墊塊彈性模量對主梁其他主要構件無明顯等效應力變化影響。

(3) 墊塊彈性模量不可過小，當彈性模量較小時，主梁會將墊塊“壓扁”，從而使鋼墊塊直接受力，反而起不到改善主梁局部應力的效果，因此，鋼墊塊和其他墊塊宜采用相同的面積尺寸。

(4) 墊塊的彈性模量為500 MPa或1 420 MPa時，可以很好地改善因轉角位移所導致的主梁局部應力集中現象。

4 結論

(1) 墊塊面積的增加可有效改善步履式頂推施工中鋼箱梁局部應力，尤其對腹板的改善效果最為明顯；墊塊面積也不可盲目追求過大，不僅要滿足鋼箱梁應力限值的要求，還要從經濟性和適用性的角度考慮。

(2) 墊塊厚度對主梁局部應力無顯著影響，但對墊塊本身的應力影響較大。

(3) 墊塊彈性模量對主梁的局部應力影響較大，墊塊彈性模量越小，主梁的接觸區域受力越均勻，墊塊的應力水平也就越均勻；墊塊彈性模量的選擇也不可過小，建議在步履式頂推施工中，墊塊選取Ⅱ類橡膠墊(E=500 MPa)或聚四氟乙烯板(E=1 420 MPa)。