某拱橋推頂施工過程仿真及施工關鍵結構安全分析

摘要：為研究拱橋推頂施工過程以及施工關鍵結構力學特征，文章基于有限元方法，利用Midas Civil軟件建立橋梁結構模型，通過數(shù)值模擬與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)相結合的方式，針對不同推頂施工工況下不同橋梁構件的力學機制進行研究，同時對施工關鍵結構構件位移進行分析。結果表明：（1）隨著頂推施工階段的進行及累計推頂距離的增加，其上部結構的拉壓應力也在不斷增大，其中最大拉壓應力主要集中于前導梁根部；絕大多數(shù)構件應力也在不斷增大，但對于后導梁而言，在第三階段其最大應力減小，且全橋各構件的最大應力主要集中于頂推第三、四階段；（2）前導梁、主縱梁、拱肋為施工主體受力結構，其結構位移對橋梁整體安全穩(wěn)定性產生的影響顯著。

關鍵詞：推頂施工；結構；有限元；橋梁結構模型

中圖分類號：U445.462 A 33 116 4

0 引言

目前我國拱橋施工主要采用頂推施工法，該方法具有簡便、快捷、安全等優(yōu)勢，但在工程中對頂推施工過程中的橋梁力學機理分析不夠深入，并未對施工關鍵結構的力學響應機制進行充分分析，因此需要完善對拱橋頂推施工過程及施工關鍵結構的安全分析，進而保障人民群眾生命財產安全，將結構安全風險降至最低［1-3］。

國內外研究學者針對頂推施工理論進行了大量研究。Kwang Hoe Jung等［4］對IIsun大橋施工各階段進行研究，分析在推頂過程中波形鋼腹板應力變化，檢驗預應力箱梁施工過程的安全性。Granata Michele Fabio等［5］對直線梁以及曲線梁進行分析，發(fā)現(xiàn)導梁重量對頂推施工中懸臂梁彎矩與扭矩影響較大，同時確定導梁長度與最大頂推跨徑合理比值。陳友生等［6］對寧波新典橋進行研究，采用步履式頂推的方法保證頂推過程結構安全，降低相應施工成本，對沿海深厚軟土層橋梁施工提供相應指導。熊斌等［7］采用BIM技術對連續(xù)鋼箱梁橋頂推施工過程進行模擬，結合鋼箱梁橋施工特點，通過施工動畫指導鋼箱梁頂推施工。劉廣福［8］采用有限元分析軟件Midas Civil對黑龍江大橋導梁變形、受力進行研究，并采用BIM技術對黑龍江大橋頂推施工進行三維建模，對施工過程以及相應施工工藝進行模擬。齊杰夫［9］對鋼箱梁頂推系統(tǒng)中拉錨器進行力學分析，通過建立有限元模型，研究拉錨器局部受力狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)主受力板厚度的增加可以提高拉錨器安全性能。嚴定鈺［10］采用Midas Civil有限元分析軟件對連續(xù)梁橋頂推施工過程進行模擬，發(fā)現(xiàn)在頂推過程中其主梁均處于受壓狀態(tài)，導梁變形不大。

上述研究主要集中于橋梁頂推施工以及橋梁頂推中導梁的力學機理研究，較少涉及拱橋頂推施工過程的仿真以及施工關鍵結構的力學機制分析，因此，本文基于前人對橋梁頂推施工的研究，進一步考慮施工過程中橋梁關鍵結構的力學響應特征，利用Midas Civil有限元分析軟件對拱橋頂推施工過程進行分析，對關鍵構件穩(wěn)定性進行研究，為今后拱橋頂推建設施工提供相應依據(jù)。

1 工程背景及設計

1.1 工程概況

本文工點依托于某地區(qū)實際橋梁工程，該位置屬于平原地貌，該橋為主干道，交通量較大，跨徑為110 m，寬38.5 m，設置有4條線路，拱肋外側分別各有1條線路。

主橋的結構組成如圖1所示。

1.2 拱橋施工過程

本工程為鋼箱拱橋，考慮實際施工，故采用頂推施工法對拱橋進行施工。圖2為頂推施工的具體流程。

2 鋼箱拱橋有限元模型的建立

2.1 有限元建模步驟

基于Midas Civil有限元數(shù)值模擬軟件建立相關模型。根據(jù)頂推施工過程的受力特點，將橋梁結構定義為空間桿系單元，采用梁單元對橫梁、主拱圈、風撐等結構進行模擬。由于考慮到主縱梁處分布有豎曲線，但豎曲線對主縱梁受力與變形影響不大，因此將主縱梁簡化為直線并忽略豎曲線。

根據(jù)橋梁結構中各個構件的受力關系，設置不同鏈接，縱梁與導梁、縱梁與拱肋之間均采用共節(jié)點剛接，而橫梁與縱梁采用剛性連接，臨時撐桿與縱梁、拱肋均采用鉸接的形式。圖3為Midas Civil有限元軟件建模流程。

2.2 鋼材的選取

全橋模型共計有4 500個節(jié)點以及5 021個單元，其中梁單元有4 762個，板單元有259個。鋼梁拱橋采用Q370qE鋼材，其材料容重為83.4 kN/m3，彈性模量E為2.12×105 MPa。其余部分均采用Q345B鋼材，其材料容重為77.4 kN/m3，彈性模量E為2.04×106 MPa。

2.3 頂推階段劃分

本工程采用步履式施工，因此將頂推過程主要分為三部分，包括臨時營業(yè)性施工、營業(yè)性施工以及梁體系轉換。由于橋梁結構受力復雜，因此將營業(yè)性施工階段細化，將頂推施工分為五個施工階段，表1為五個施工階段細化模擬結果表。

2.4 三維模型的建立

本研究以實際橋梁工程拱橋推頂施工過程為基礎，依據(jù)施工圖，利用Midas Civil軟件建立簡化的橋梁模型，如圖4所示為橋梁模型示意圖。

3 基于有限元的頂推階段受力分析

3.1 上部結構應力分析

通過Midas Civil有限元軟件對不同頂推階段進行模擬，并提取各階段的應力包絡圖，依據(jù)相關規(guī)范對結構進行強度分析，表2和下頁圖5為不同頂推階段拉壓應力變化情況。

由表2和圖5可知，隨著頂推施工階段的進行，累計推頂距離的增加，其壓應力、拉應力也在不斷增大，當頂推至第五階段時，由于推頂設備拆除、落梁施工及設備拆除，會導致拉壓應力瞬時降低；在這五個施工階段中，其最大拉壓應力均小于容許應力，且最大拉壓應力都集中于前導梁根部。考慮實際橋梁頂推過程，前導梁處應力相對集中，與主要結構連接，應力交替變化，因此在實際施工過程中要對該部位進行重點監(jiān)測。

3.2 各施工階段應力分析

表3和圖6為不同頂推階段各構件的最大應力值變化情況。

根據(jù)表3和圖6可知，隨著頂推施工階段的進行，累計推頂距離的增加，絕大多數(shù)構件應力也在不斷增大，但對于后導梁而言，在第三階段其最大應力發(fā)生減小。全橋各構件的最大應力主要集中于第三、四階段，施工過程中橫梁以及后導梁應力較小，遠小于容許應力，而前導梁、主縱梁、拱肋為施工主體受力結構，后續(xù)應對其進行深入研究。

4 施工關鍵結構安全分析

由上節(jié)應力分析可知，前導梁、主縱梁、拱肋為施工主體受力結構，其結構位移對橋梁整體安全穩(wěn)定性產生顯著影響，對三個結構進行模擬，得出其最小豎向位移以及最大豎向位移。

4.1 前導梁位移分析

前導梁位移變化對頂推施工過程產生較大影響，因此要對前導梁豎向位移進行監(jiān)測。通過實際施工過程以及數(shù)值模擬監(jiān)測可知，前導梁最大豎向位移出現(xiàn)于前導梁前端，此時最大豎向位移為33.5 mm，前導梁最小豎向位移出現(xiàn)在頂推施工的第三階段的最大懸臂工況，此時最小豎向位移為-343.5 mm。橋梁前導梁豎向位移處于安全范圍內。

4.2 主縱梁位移分析

主縱梁位移變化對頂推施工過程產生較大影響，因此要對主縱梁豎向位移進行監(jiān)測。通過實際施工過程以及數(shù)值模擬監(jiān)測可知，主縱梁最大豎向位移出現(xiàn)于主縱梁小里程端部，此時最大豎向位移為12.5 mm，主縱梁最小豎向位移出現(xiàn)在頂推施工的第四階段的主縱梁大里程端部，此時最小豎向位移為-88.3 mm。橋梁主縱梁豎向位移處于安全范圍內。

4.3 拱肋位移分析

拱肋位移主要由上拱肋位移與下拱肋位移兩部分組成，由數(shù)值模擬結果可知，在頂推施工過程中，拱肋最小豎向位移發(fā)生在大里程拱肋角處，為-87.43 mm，而拱肋最大豎向位移發(fā)生在小里程拱肋角處，為10.56 mm。

5 結語

本文通過對橋梁頂推施工過程仿真及施工關鍵結構進行研究，采用Midas Civil有限元數(shù)值模擬軟件，得出不同頂推階段不同構件的力學響應機制，并針對前導梁、主縱梁、拱肋三類施工主體受力結構進行位移分析，提出鋼箱拱橋關鍵構件的位移變化規(guī)律，為今后橋梁工程中拱橋施工提供相應參考依據(jù)。

本文得到如下主要結論：

（1）隨著頂推施工階段的進行，累計推頂距離的增加，其上部結構的拉壓應力也在不斷增大，其中最大拉壓應力主要集中于前導梁根部；絕大多數(shù)構件應力也在不斷增大，但對于后導梁而言，在第三階段其最大應力發(fā)生減小。全橋各構件的最大應力主要集中于第三、四階段。

（2）前導梁、主縱梁、拱肋為施工主體受力結構，其結構位移對橋梁整體安全穩(wěn)定性產生顯著影響。

（3）前導梁最大豎向位移出現(xiàn)于前導梁前端，其位移值為33.5 mm，前導梁最小豎向位移為-343.5 mm；主縱梁最大豎向位移出現(xiàn)于主縱梁小里程端部，其位移值為12.5 mm，主縱梁最小豎向位移出現(xiàn)于主縱梁大里程端部，其值為-88.3 mm；拱肋最小豎向位移發(fā)生在大里程拱肋角處，其值為-87.43 mm，而拱肋最大豎向位移發(fā)生在小里程拱肋角處，其值為10.56 mm。

參考文獻

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收稿日期：2022-12-20