鋼箱梁頂推系統中拉錨器的分析方法及局部受力狀態

齊杰夫

中國土木工程集團有限公司，北京100038

頂推施工工藝作為一種極具競爭力的方法在混凝土連續梁橋建設中發揮了重要的作用，其主要優點是施工占地少、周期短、機械化程度高、節省投入等，在實際工程中不斷得到應用推廣［1-2］。隨著頂推施工水平和計算機模擬技術的發展，許多大跨度鋼箱梁橋逐漸開始采用頂推施工方法［3］。在頂推施工工藝中，牽引系統是頂推力的重要來源，由多個承力和傳力部件組成。其中，拉錨器作為關鍵的傳力部件，承受了巨大的牽引集中力作用，并將牽引力傳遞擴散到整個橋梁結構。拉錨器的受力性能與橋梁主梁頂推的行進狀態、拉錨器應力影響區域有效范圍和邊界條件密切相關。精確的有限元分析往往要消耗大量的時間，過于簡化的分析又難以捕捉拉錨器局部受力的主要特性。因此，如何快速、高效且安全地分析拉錨器在高水平荷載作用下的局部受力效應和評估拉錨器受力安全是頂推施工中一個重要的環節，國內尚缺乏相關研究。

本文結合懸索橋主梁頂推的工程實例，對在頂推施工過程中拉錨器的局部受力分析方法和安全性評判開展研究，并開展參數敏感性分析，研究成果可為類似工程和研究提供參考。

1 工程概況

以一座建成的獨柱式雙塔雙纜空間索面懸索橋為例，該橋主橋部分長510 m，孔跨布置為（40+430+40）m，主纜垂跨比為1/9，采用高強度鍍鋅平行鋼絲索股組成，見圖1（a）。主梁采用單箱雙室扁平流線型全焊鋼箱梁，主梁全寬38 m，中心高3.5 m，見圖1（b）。鋼箱梁頂板厚16 mm，上斜腹板厚14 mm，底板、下斜腹板厚12 mm。

圖1 主橋立面和主梁斷面

2 頂推施工方案

2.1 施工方案比選

施工設計階段，綜合考慮橋型特點、施工現場條件等因素，將原設計的纜索吊裝施工方案改為鋼箱梁頂推施工工藝。該施工工藝主要優勢有：①鋼箱梁在焊接平臺上進行安裝焊接對位，保證了焊接精度和質量，且無需定制大噸位的纜索裝吊設備；②通過設置臨時支墩，配合鋼導梁，能在一定程度上有效降低鋼箱梁梁體斷面內力，減小局部屈曲發生的風險；③頂推架設施工避免了纜索吊裝施工中繁雜的主纜線形調整，且施工調整量小，易控制；④纜索吊裝施工中對吊裝設備和臨時工程的要求高，投入大。

2.2 頂推施工工藝

鋼箱梁頂推施工主要分為4個階段（圖2）：①頂推前期準備階段。安裝頂推施工臨時支墩、鋼箱梁運輸棧橋、焊接平臺、喂梁門架等臨時結構，并按照設計線形和標高分節段焊接拼裝鋼導梁。②鋼箱梁節段拼裝階段。按照成橋線形預拋高臨時連接鋼箱梁節段，將節段整體焊接成型。③鋼箱梁頂推牽引階段。安裝并調整滑動裝置，牽引和導向系統，進行頂推施工。④吊索安裝及張拉階段。安裝吊索系統，張拉吊桿調整索力，完成體系轉化，拆除頂推臨時墩，完成鋼箱梁頂推施工。

圖2 頂推施工流程

2.3 頂推牽引系統的設計

在鋼箱梁的頂推施工過程中，頂推系統主要包括滑動裝置、導向系統和牽引系統?；瑒友b置布置在臨時墩墩頂，可以減小鋼導梁和鋼箱梁梁體在頂推過程中產生的水平力及摩阻力，從而減少對下部支架和支墩的影響；導向系統分為限位和糾偏兩種裝置，用于防止鋼箱梁在頂推過程中出現較大的偏位，調整梁體偏移，提高鋼箱梁的就位精度；牽引系統是頂推施工的動力中樞和傳力轉換裝置，主要作用是保證頂推牽引鋼箱梁平穩前行［4-5］。

牽引系統主要設備有千斤頂、反力座、鋼絞線、拉錨器等。在鋼箱梁頂推過程中，牽引系統利用千斤頂、反力座等提供的轉換頂推動力，通過鋼絞線傳遞至拉錨器，再傳遞給主梁，進而帶動鋼箱梁前進至指定距離，反力座將頂推反作用力傳遞給臨時墩。

2.4 拉錨器的設計

在牽引系統中拉錨器布置在鋼箱梁節段的尾部，通過鋼絞線與千斤頂構成傳力系統。拉錨器不僅能將千斤頂的頂推力傳遞到梁體，實現力的傳導，還能增大鋼箱梁受力接觸面積，避免鋼箱梁在頂推過程中因應力集中產生變形，從而減少后續調整鋼箱梁而花費的時間，達到縮短工期的目的［6-7］。因此，頂推系統中拉錨器的結構設計需滿足以下三項基本要求：①安全性。拉錨器的自身結構、拉錨器與鋼箱梁的組合局部區域部位需滿足千斤頂最大頂推力的承載要求，保證結構的安全。②穩定性。拉錨器的尺寸設計與構架形態需考慮其受力分布特點等因素，保證結構受力狀態穩定。③適用性。拉錨器與鋼箱梁能較好地組合，且施工方便，便于實際工程使用。

拉錨器由構造尺寸和厚度不同的鋼板構件焊接而成（編號N1—N4），拉錨器各組成構件信息見表1。拉錨器與箱梁之間由8.8級M30高強度螺栓（N5）栓接在橫隔板與縱隔板交叉處的梁底板上。拉錨器結構尺寸見圖3。

表1 拉錨器各組成構件信息

2.5 拉錨器結構傳力機理分析

拉錨器結構受力如圖4所示。在鋼絞線的牽引作用下，通過拉錨器各鋼板間區域應力狀態的連續改變實現應力傳遞。其中，拉錨器主受力腹板N1的中心區域受縱向牽引力P的作用；通過各構件間的連接關系，頂板N2與螺栓N5將牽引力傳遞至鋼箱主梁形成頂推力F，方向與牽引方向一致；構件N3與N4分別為豎向和水平加勁板，起到保持結構局部穩定的作用。

圖4 拉錨器結構受力示意

在千斤頂最大牽引力作用下，拉錨器的腹板和頂板強度，以及加勁板的局部穩定是結構受力的關鍵［8-9］。因此，對結構局部受力進行有限元數值模擬，分析拉錨器加勁板的應力和變形分布規律。

3 數值模擬方法

結構局部受力分析方法主要包括子模型法和直接建模法。其中，直接建模法適用性強，且在整體模型中能考慮施工過程、混凝土收縮徐變、預應力鋼筋等因素，在工程實踐中應用較多［10-11］。在整體建模分析中采用梁單元和厚板單元，局部分析時采用板殼單元對節點細節構造進行離散。綜合比較后，本文采用直接建模法對拉錨器結構進行局部受力分析。

3.1 有限元離散模型

考慮主梁長度相對于拉錨器的尺寸大很多，根據圣維南原理，取需要分析的局部模型中最小截面尺寸一倍以上的主梁截面為分析模型，這樣得到的模型應力分布與實橋結構應力具有較好的對應性，同時加快了分析的速度。利用有限元軟件建立局部有限元模型（圖5），拉錨器與鋼箱梁均采用板單元模擬，材質為Q345鋼材。全模型共劃分28 700個單元、24 905個節點。

圖5 拉錨器與主梁連接的局部模型

3.2 邊界條件

由于鋼箱梁的整體尺寸相對于建立的局部模型大很多，所以模型以外的梁體對模型的約束較強。建立的鋼箱梁模型僅選取了主梁的局部部分，因此箱梁周邊節點采用固結方式模擬附近梁體對模型的約束作用。

為了描述鋼箱梁與拉錨器之間的高強度螺栓連接狀態，箱梁底板與拉錨器之間采用彈性連接中的剛性連接來模擬非完全固結約束作用。

3.3 荷載工況

鋼箱梁頂推過程中當主梁滑動起來以后，頂推力逐漸減小到一個恒定水平，最大的頂推力發生在主梁即將滑動瞬間的臨界狀態。采用靜力荷載工況，荷載包括臨界最大頂推力和模型自重。通過現場試頂推測試反演，拉錨器所受最大荷載為730 kN。為安全考慮，計算荷載采用750 kN，在有限元模擬時以均布面荷載的方式沿頂推方向作用于拉錨器腹板N1的中心區域，均布面荷載為6.7 MPa。

4 計算結果與分析

4.1 主梁計算結果

通過有限元模型進行靜力分析，發現在自重和拉錨荷載共同作用下主梁與拉錨器在連接區域附近的應力變化較為明顯。單獨取出該部分主梁的底板應力，見圖6。可知，主梁底板出現了多個直徑約為30 mm的圓形應力集中區域，最大應力為134.62 MPa，這是主梁各縱隔板結點和拉錨器各板件與主梁連接處的應力集中造成的。為避免應力集中，需要通過構造措施增大局部接觸面積，以減小局部承壓應力。在實際工程中，往往采用多排螺栓栓接方式。

圖6 主梁底板應力分布（單位：MPa）

4.2 拉錨器計算結果

拉錨器應力分布云圖見圖7?？芍焊拱錘1的最大應力為205.13 MPa，發生在中心開孔位置；頂板N2最大應力為129.07 MPa，發生在與主梁底板連接的位置；豎向加勁板N3最大應力為144.52 MPa，發生在與頂板N2相交的位置；水平加勁板N4的最大應力為83.64 MPa，發生在與N3連接處。

圖7 拉錨器應力分布云圖（單位：MPa）

各連接處均出現較大的應力集中現象，腹板N1的應力集中程度最大，該部位由于設計了中心鋼絞線預留孔而存在截面突變，導致應力集中。對于鋼材而言，應力集中程度越嚴重，鋼材的塑性變形能力降低越多，脆性斷裂的危險性越大。因此，對拉錨器應力集中的N1板件作參數分析。

4.3 參數分析

在頂推系統中綜合考慮拉錨器結構的安全性和經濟性，分析在拉錨荷載和自重作用下不同拉錨器腹板N1厚度對結構受力的影響，其應力分布見圖8。

圖8 不同厚度下腹板N1的應力分布（單位：MPa）

由圖8可知，隨著拉錨器腹板N1厚度的增加，鋼板結構的應力狀態發生了明顯變化：腹板N1與水平加勁板N4連接下半部分的應力，以及腹板N1與頂板N2連接中間部分的應力均得到了顯著改善，應力集中區域的分布范圍和大小逐漸減小。

最大有效應力隨腹板N1厚度變化規律見圖9。可知，隨著腹板厚度的增加，結構有效最大應力逐漸減小，在板厚30～40 mm時應力減小幅值最大。

圖9 最大有效應力隨板厚度變化規律

雖然增加腹板厚度改善了結構的應力分布，降低了最大有效應力，但是從材料性能考慮，鋼板厚度對脆性斷裂有較大的影響。隨著鋼板厚度增加，鋼材的缺口脆性增加，鋼結構易發生脆性破壞［12-13］。綜合數值模擬分析和脆性斷裂理論，在模型最大應力滿足設計要求的前提下，設計時應適當控制拉錨器構件鋼板的厚度，防止因鋼板厚度過厚而引起脆性破壞發生，同時減少不必要的鋼材耗量，節省施工成本。因此，根據本文模擬計算結果，拉錨器腹板N1的厚度建議取40 mm。同時，建議通過增加豎向加勁板N3與水平加勁板N4厚度，進一步提高結構局部穩定性。

5 結論

1）直接建模法具有可行性高、針對性強的特點，可為頂推施工中拉錨器的局部應力分析和結構設計提供理論依據。

2）由于主梁底板存在多個應力集中點，建議底板與拉錨器之間采用多排螺栓栓接增大局部接觸面積，以減小局部承壓應力。

3）頂推牽引力在拉錨器各構件間的傳遞使得拉錨器區域應力狀態發生連續改變。建議通過控制腹板厚度來保障結構的安全性，通過增加加勁板的厚度來提高結構的穩定性。