鋼箱梁頂推局部受力及穩(wěn)定性分析

楊 坤

（山西省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

頂推法施工無論從施工條件、受力情況等方面均與其他施工方法有很大差異，其具有施工設備少、不影響橋位處交通運行等優(yōu)點，當橋位施工場地受限時，頂推法施工是較理想的方法[1]。所以對其施工過程的研究也不同于其他施工方法。

鋼箱梁在頂推施工過程中局部受力特性比較復雜，鋼箱梁采用頂推法施工時不僅需要滿足成橋階段受力還需要滿足施工階段受力的要求[2]。本文以某鋼混組合梁橋方案論證階段中頂推施工方案研究為依托，探討一些關鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對施工過程中局部受力的影響。

1 工程概況

本文以某6×128 m連續(xù)鋼混組合箱梁橋為研究對象，鋼梁部分采用等高度封閉式單箱室截面，核心箱底寬11 m，梁高6 m，按雙向六車道設計，主梁斷面如圖1所示。

圖1 主梁典型斷面圖（單位：cm）

鋼箱梁核心箱采用Q345qD，其跨中標準橫斷面的頂板、腹板及底板均采用24 mm；支點附近斷面頂板厚48 mm、底板厚56 mm、腹板厚52 mm；為了整體受力需要，核心箱頂板及底板均采用板式加勁肋，其鋼板厚度在16～40 mm之間，腹板縱向加勁肋采用T型，其鋼板厚度在20～40 mm之間；核心箱橫隔板除支座處采用實腹式橫隔板外，其余部分均采用桁架式橫隔板，其縱向間距沿橋梁方向4 m；為滿足頂推過程中腹板穩(wěn)定性，在腹板上設置橫向頂推加勁肋，其縱向間距采用1 m。

2 局部分析整體思路

采用頂推施工的橋梁，隨著橋梁位置時刻發(fā)生變化，每個斷面都需經(jīng)過一次頂推作用，其結(jié)構(gòu)受力也在變化，因此梁體局部受力較復雜。本文首先通過整體分析模型中計算出主梁在頂推過程出現(xiàn)的最大支反力，然后將最大支反力作為外荷載作用鋼箱局部分析模型上進行應力和穩(wěn)定分析。利用應力和特征值屈曲結(jié)果，對局部受力提出了改善措施。

采用Midas FEA有限元軟件建立鋼箱梁局部模型，除斜撐按梁單元模擬外，其余均采用板殼單元來模擬，鋼材彈性模量取2.06×105MPa，泊松比取0.3。根據(jù)圣維南原理，選取5個橫梁間距節(jié)段建立鋼箱梁節(jié)段模型，模型節(jié)段長度共20 m，計算分析模型見圖2。鋼箱梁在頂推過程中承受滑道梁向上的支反力，由于鋼箱梁和滑道梁接觸是面接觸，通過將梁段所受的滑道梁集中支反力折算成豎向面荷載來模擬外荷載，其中滑道梁與鋼箱梁底的接觸尺寸：長1.8 m、寬0.9 m。鋼箱梁分析模型網(wǎng)格尺寸按0.1 m劃分，共劃分了48 679個板殼單元；模型邊界約束條件近似按兩端完全固結(jié)處理。

圖2 局部有限元模型

3 局部分析結(jié)果

3.1 局部靜力分析

在最不利工況下，鋼箱梁各構(gòu)件及最不利構(gòu)件應力云圖如圖3、圖4所示。

圖3 鋼箱梁主要構(gòu)件應力圖（單位：MPa）

圖4 底板橫向加勁肋應力圖（單位：MPa）

由上述應力計算結(jié)果可知，鋼箱梁在頂推力作用下主要受力位置為：底板、腹板、底板縱向加勁肋、底板橫向加勁肋，其中底板橫向加勁肋最不利，出現(xiàn)最大應力251 MPa。表1列出了各主要受力位置的最大應力值，由結(jié)果可知，應力計算結(jié)果滿足要求。

表 1 主要受力位置最大應力值 MPa

3.2 局部穩(wěn)定分析

鋼箱梁由高強度的薄壁鋼板組成，在頂推過程中，鋼箱梁底板受到較大的集中力，容易出現(xiàn)局部穩(wěn)定，現(xiàn)通過數(shù)值分析來研究其穩(wěn)定性問題。

經(jīng)計算分析，在頂推過程中，當梁體兩個橫隔板之間部位頂推到滑道梁時，對于局部穩(wěn)定來說是最不利的[3]。同時，由結(jié)果可知底板縱向加勁肋最容易發(fā)生屈曲，屈曲系數(shù)為2.28，局部穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。底板縱向加勁肋屈曲變形如圖5、圖6所示。

圖5 鋼箱梁主要構(gòu)件屈曲變形（單位:mm）

圖6 底板縱向加勁肋屈曲變形（單位:mm）

4 參數(shù)分析

4.1 底板板肋布置對局部應力的影響

由上述靜力分析結(jié)果可知，在頂推過程中，鋼箱梁底板局部應力較大；在考慮構(gòu)造設計時，為了改善局部穩(wěn)定性能，可以考慮增加與滑道梁接觸的底板縱向加勁肋剛度或減少縱向加勁肋間距[4]，因此研究底板加勁肋相關參數(shù)對局部應力的影響很有必要。現(xiàn)選取頂推過程中最不利截面（跨中標準截面）來研究，在其余參數(shù)都相等的條件下，僅考慮如下3種參數(shù)對結(jié)構(gòu)局部受力的影響：a）滿足整體受力的原截面；b）加密底板加勁肋；c）增加滑道梁接觸的底板加勁肋剛度。采用分析的3種截面形式見圖7所示。

圖7 鋼箱梁截面形式

本文中A、B、C、D、E分別代表箱梁底板、底板橫向加勁肋、底板縱向加勁肋、箱梁腹板、腹板橫向加勁肋5個位置上最大等效應力點[3]。在最不利工況下，不同鋼箱梁截面形式的各位置點最大應力如圖8所示。

圖8 不同形式截面各點應力

由圖8可知，采用增加滑道梁接觸的底板加勁肋剛度措施僅對加固的這根加勁肋有顯著效果，但其他位置上的應力并未明顯降低；通過改變底板加勁肋數(shù)目可以有效降低其他位置上的應力值。因此合理地布置底板加勁肋數(shù)目及位置對局部受力很重要，可以將增加底板縱向加勁肋數(shù)目作為主要考慮因素。

4.2 腹板厚度對局部應力的影響

鋼腹板是箱梁的主要傳力構(gòu)件，受力較為復雜，同時承受著較大的剪應力和彎曲應力。腹板的厚度對全橋的用鋼量又有較大的影響，因此探討腹板厚度對應力的影響很有必要。模型分別考慮20 mm、30 mm、40 mm、50 mm四種不同腹板厚度，在最不利工況下，不同腹板厚度下各點最大應力見圖9。

圖9 不同腹板厚度截面各點應力

由上述結(jié)果可知，隨著腹板厚度的增大，腹板及腹板橫向加勁肋的最大等效應力值有所減小，但是底板和底板縱橫向加勁肋等其他截面最大應力變化不大。考慮到頂推過程中最容易失穩(wěn)的部位不在腹板，腹板厚度的增加對其他部分影響有限，因此增大腹板厚度對改善局部應力影響不大。

4.3 腹板角度對屈曲的影響

在截面選形時，為了增加抗扭性能以及減小底板寬度，從而減少結(jié)構(gòu)自重，會選擇斜腹板鋼箱梁，因此探討腹板角度對屈曲的影響很有必要。為了只研究腹板在頂推作用下受力情況，將上述局部分析模型中滑道對鋼箱梁底板的作用力按線荷載考慮，線荷載直接作用腹板底部。考慮兩種不同腹板角度在頂推過程中對屈曲的影響，不同截面形式見圖10。

圖10 不同腹板角度鋼梁截面

通過計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，直腹板模型最先發(fā)生屈曲的位置是在靠近底板側(cè)腹板處，其屈曲穩(wěn)定系數(shù)為2.6。而斜腹板模型最先發(fā)生屈曲的位置在底板與頂推設施接觸處，其屈曲穩(wěn)定系數(shù)為1.8。兩種模型的屈曲變形圖如圖11所示。

圖11 不同腹板角度鋼梁截面變形云圖

由計算分析表明，不考慮其他參數(shù)的影響，在滑道梁處豎向力作用下，斜腹板截面相比直腹板截面抗屈曲能力較弱，這主要因為斜腹板除了承受豎向力外還需承受由傾角產(chǎn)生的彎矩。因此，直腹板截面第一階彈性屈曲發(fā)生位置在腹板，但斜腹板截面第一階彈性屈曲發(fā)生位置在與滑道梁接觸的底板處。

5 結(jié)語

a）在最不利工況下，鋼箱梁局部應力與穩(wěn)定結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

b）在頂推過程中，鋼箱梁參與局部受力的主要構(gòu)件為腹板及腹板橫向加勁肋、底板及底板縱橫向加勁肋。經(jīng)過分析得知，底板及底板縱橫向加勁肋等效應力最大，腹板次之，在截面構(gòu)造設計時，可以將增加底板縱向加勁肋數(shù)目作為主要考慮因素。

c）鋼箱梁的腹板作為關鍵受力構(gòu)件。通過局部應力分析可知，改變腹板厚度對改善頂推局部應力影響較小；同時斜腹板相比直腹板其抵抗局部屈曲能力較弱。因此鋼箱梁腹板不作為頂推過程主要考慮因素，這為結(jié)構(gòu)設計時截面選形提供參考。