大跨徑鋼箱梁橋頂推施工過程仿真分析

張建平,張 楠

（貴州宏信創達工程檢測咨詢有限公司,貴州 貴陽 550014）

0 引言

隨著橋梁施工技術和相關機械設備的發展，頂推法施工已作為架設連續梁橋的先進施工工藝，在世界各國得到了廣泛應用[1]。頂推技術在大跨橋梁的建設中顯示了較大優勢，已在橋梁建設中占據了極其重要的地位[2-3]。

橋梁跨徑的增加和其他因素的影響，連續梁橋在頂推過程中出現的一些技術難題成為目前研究的重點。蘇魁[4]通過分析發現橋梁頂推過程中，僅可通過優化構件截面和局部構造來解決支點局部受力情況，但其尺寸大小會受到臨時支承墩的設計參數限制。蔣雄[5]通過計算分析得到采用軟的橡膠墊塊能夠有效改善滑道處鋼箱梁的局部受力性能。張鴻等[6]通過分析發現支座位置處的反力大小是影響鋼梁結構局部應力的主要因素，因此在頂推施工控制過程中，支座反力的測定較為關鍵。董創文等[7]提出了梁體的非應力線性形狀的相位和定位基準線的概念，研究了實測瞬時高程基準和固定相位梁的位置，闡明了逐步提高主梁截面非應力線性偏差的數學表達式。項敏[8]通過對頂推滑動面組成材料進行試驗對比，合理選擇潤滑劑，成功克服了頂推中易出現的滑道板起鼓褶皺、脫離更換等問題。夏學軍[9]從改善臨時墩受力方面、增加臨時墩整體性、實現遠距離頂推控制要求等方面進行了分析與研究。周建庭[10]提出一種結合無應力狀態法理論及應力增量評價法的頂推施工控制方法，指導鋼箱梁節段安裝定位并進行安裝后線形、應力評價。

該文以貴州省頂推施工最大跨度鋼箱梁橋—下壩大橋為背景，研究橋梁在結構頂推施工過程中的受力情況，分析數值結果的變化趨勢，以確定頂推過程中的重要工況，以便更好地指導施工。

1 工程概況

下壩大橋是雙龍航空港經濟區物流外環道路工程的控制性工程，鋼箱梁頂推段為305 m，跨徑組合為（55+105+90+55）m，單幅橋面寬度17 m。

鋼箱梁頂寬17 m，梁高4 m。為單箱四室截面，共設5 道腹板；頂板寬度為17 m，厚度根據結構受力特點作變厚度布置，頂板主要厚度有16 mm、20 mm 及28 mm；底板寬度為8.44 m，主要厚度有16 mm、28 mm。頂底板加勁肋均采用U 肋形式。橋面橫坡通過變腹板高度使頂板形成1.5%橫坡，底板保持水平。箱梁縱向每3 m 設置一道橫隔板，每兩道橫隔板之間設置豎向加勁肋。鋼箱梁兩側懸臂寬2.93 m，根部高80 cm，端部高31 cm，縱向每1.5 m 左右設一道懸臂梁，其位置與箱內橫隔板、豎肋相對應。

2 整體有限元分析

2.1 有限元模型

采用橋梁結構分析軟件Midas Civil 對該橋頂推施工階段進行仿真分析，鋼箱梁和導梁采用梁單元模擬，共計660 個單元、1 007 個節點，臨時支撐通過僅受壓彈性連接進行模擬。建模要點如下：

（1）鋼箱梁每頂推1 m 作為一個施工階段，每個施工階段認為結構按照一次落架形成。

（2）墩動梁不動，每頂推一次，通過變更邊界條件的方式模擬該階段支承處的受力情況。

（3）鋼箱梁局部構造復雜，容重通過線荷載的方式施加。

2.2 整體分析計算結果

2.2.1 應力及位移

應力和位移是鋼箱梁頂推施工控制的2個重要指標。鋼箱梁、導梁各工況下應力及位移數據如表1 所示。

表1 梁體應力及位移計算表

由表1 可知：

（1）當鋼箱梁頂推至4#墩且前端導梁未上墩時，鋼箱梁彎曲應力達到最大值，為-102.6 MPa，此階段鋼箱梁和導梁的位移值也最大，其值分別為-181.3 mm 和-436.2 mm。該階段鋼箱梁懸臂長度為整個頂推過程中的最大值，使得靠近支點處的鋼箱梁應力增加，同時鋼箱梁產生一定的轉角位移，帶動整個導梁產生下撓并達到最大值。

（2）當鋼箱梁頂推至F3#墩且前端導梁未上墩時，導梁彎曲應力達到最大值，其值為-167.4 MPa，此時導梁的位移值為99.3 mm，表明該階段導梁端部上撓。分析原因為該階段F2#墩和4#墩之間的主梁跨徑最大，自重原因產生下撓的同時在4#墩產生一定的逆時針轉角位移，但因4#墩和F3#墩之間懸臂部分自重引起的轉角不足以抵消，致使導梁懸臂部分產生上撓。

2.2.2 墩頂支反力

鋼箱梁頂推施工時，每個頂推支架的墩頂支反力隨著結構體系的改變而不斷變化，是頂推施工過程中重要的控制性因素，也是豎向千斤頂施加頂升力的主要依據。2#~6# 墩、F2#~ F3# 臨時墩墩頂支反力數據如表2 所示。

表2 墩頂支反力計算表

由表2 可知，隨著頂推距離的增加，除2#墩外，其余橋墩在各個工況下的支反力均有明顯的變化趨勢，3#墩和4#墩的支反力整體上呈臺階式上升；F2#墩、F3#墩以及5#墩具有明顯的突變點，其中F2#墩支反力變化顯著，當鋼箱梁頂推至4#墩且前端導梁未上墩時，其值為11 479.1 kN，分析原因為該階段F2#墩和4#墩之間的主梁懸臂長度最大，使得F2#墩支反力取得最大值。

3 局部有限元分析

結合梁體應力、位移以及墩頂最大支反力可知，鋼箱梁頂推至4#墩且前端導梁未上墩時為鋼箱梁頂推過程中的不利工況。由于鋼箱梁結構局部構造比較復雜，局部應力問題也很突出，因此對鋼箱梁墩頂處區域進行局部空間有限元分析。

3.1 有限元模型建立

取3 個梁段作為研究對象，使用Midas FEA 建立有限元局部分析模型，采用三維板殼單元模擬，墩頂支反力采用面荷載施加。整體結構模型如圖1 所示。

圖1 整體結構模型圖

3.2 局部分析計算結果

鋼箱梁節段主要計算結果見圖2~5。

圖2 整體應力云圖

圖3 整體位移云圖

圖4 底板應力云圖

圖5 底板位移云圖

通過應力云圖可知，在鋼箱梁頂推至4#墩且前端導梁未上墩時，底板與豎向頂推裝置接觸區域明顯產生較大的應力和位移，最大應力位于腹板正下方，其值為149.2 MPa，小于其容許值295 MPa，表明墊梁強度滿足要求。

通過位移云圖可知，變形最大位置位于靠近導梁側腹板下方的底板，其值為4.61mm，底板的局部位置產生豎向撓曲變形的同時帶動附近豎肋產生橫向彎曲。

4 結論

（1）頂推過程中鋼箱梁和導梁的應力、位移出現兩種典型工況，當鋼箱梁頂推至4#墩且前端導梁未上墩時，鋼箱梁彎曲應力達到最大值-102.6 MPa，鋼箱梁和導梁的位移值同時達到最大，分別為-181.3 mm、-436.2 mm。當鋼箱梁頂推至F3#墩且前端導梁未上墩時，導梁彎曲應力達到最大值，其值為-167.4 MPa，此時導梁的位移值為99.3 mm。

（2）當鋼箱梁頂推至4#墩且前端導梁未上墩時，F2#墩支反力變化顯著，其值為11 479.1 kN，確定了鋼箱梁頂推過程中的最不利工況。

（3）底板與豎向頂推裝置接觸區域明顯產生較大的應力和位移，最大應力149.2 MPa 位于腹板正下方，該處位移4.61 mm。頂推過程中，應對該位置處的應力、位移引起重視，避免因操作不當引起底板及附屬構件局部應力超限。