跨越既有線路曲線鋼箱梁頂推施工有限元分析

摘 要：鋼箱梁頂推施工技術是橋梁建設中常見的施工技術之一，而小半徑曲線鋼箱梁的直線頂推施工是鋼箱梁頂推施工中比較特殊的一種，因為由于鋼箱梁小半徑的特殊性，在進行一定量的頂推之后都需要對鋼箱梁進行平面內的旋轉調整使其中心線與設計中心線重合。而在調整之前鋼箱梁前后端的曲線段懸挑會使鋼箱梁處于偏載狀態，影響鋼箱梁整體的受力與變形。鑒于此，以長平樞紐互通A匝道橋為例，對小半徑曲線鋼箱梁的頂推施工進行施工模擬，來保證頂推施工的安全性。模擬結果表明，在整個曲線頂推過程中，最不利狀態下的最大應力、變形、支反力處在3個不同的危險工況下，最大應力σmax=137.9 MPa≤[σ]=210 MPa，發生在支撐位置，滿足受力要求;最大變形umax=-98.033 mm，鋼導梁前端設470 mm上墩措施，導梁豎向撓度滿足施工要求;最大支反力Fmax=236.0 t，需對支架結構臨時措施進行局部加強，防止產生不理想應力及變形。

關鍵詞：鋼箱梁;應力;模擬;頂推;變形

中圖分類號：U445.4 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）30-0044-04

Abstract： Steel box girder jacking construction technology is one of the common construction technologies in bridge construction， and the straight line jacking construction of small-radius curved steel box girder is a relatively special one in steel box girder jacking construction， because due to the particularity of steel box girder small radius， after a certain amount of jacking， it is necessary to adjust the steel box girder in-plane rotation so that its center line coincides with the design center line. However， before adjustment， the cantilever of the curved sections at the front and rear ends of the steel box girder will put the steel box girder in a biased load state， which will affect the overall force and deformation of the steel box girder. In view of this， taking the A ramp bridge of Changping Junction Interchange as an example， the construction simulation of the jacking construction of small-radius curved steel box girders is carried out to ensure the safety of the jacking construction. The simulation results show that during the entire curve pushing process， the maximum stress， deformation， and support reaction force under the most unfavorable state are under three different dangerous working conditions. The maximum stress σmax=137.9 MPa≤[σ]=210 MPa， which occurs at the support position and meets the stress requirements; the maximum deformation umax=-98.033 mm， a 470 mm upper pier measure is set at the front end of the steel guide beam， and the vertical deflection of the guide beam meets the construction requirements. The maximum support reaction force Fmax=236.0 t， so temporary measures for the support structure need to be locally strengthened to prevent undesirable stress and deformation.

Keywords： steel box girder; stress; simulation; pushing; deformation

曲線鋼箱梁的頂推施工一直是工程領域下的研究熱點，魏小強等[1]針對橫琴口岸蓮花大橋小半徑曲線橋鋼箱梁頂推施工進行了研究，分析了現場施工條件不便，鋼箱梁與板結構、改造工程存在上下立體交叉作業，無法正常施工的現狀，創造性地提出“差速頂推”施工工藝，保證箱梁內外側運動角速度相同，線速度不同。通過控制內外側線速度的比例，使鋼箱梁按設計線路移動，完美解決了施工時跨越橋梁、道路的難題。王宏等[2]提出了北斗定位小半徑曲線匝道橋智能化步履式頂推技術，利用北斗精準定位系統預先計算曲線型橋梁頂推行進軌跡，將梁體運行軌跡錄入控制系統中，控制系統利用切線微分調整原理自動調整頂推系統中各千斤頂的行進速度。籍飛[3]為實現對曲線鋼箱梁橋頂推施工過程力學性能的探究，建立曲線鋼箱梁橋的空間有限元模型，對其在不同工況下的支座反力、撓度、扭轉、內力與應力等進行數值仿真。并通過試驗和數值模擬的對比，得出了不同工作狀態下的受力和變形規律，從而驗證了有限元方法的有效性。季自剛等[4]對大跨徑超長曲線鋼箱組合梁頂推施工控制進行了研究，為高效完成鋼箱組合梁安裝，分別從鋼箱梁的加工制作、利用胎架和左右兩幅墩頂蓋梁上的聯體支架、采用步履式千斤頂多點協同長距離頂推等各個方面進行了優化，并應用MIDAS/civil建模，計算頂推施工過程中鋼箱組合梁的受力狀態，以確保頂推施工安全。張達[5]以某一工程為例，對其鋼箱梁頂推施工方案比選、臨時設施設備布置、施工工藝與頂推既有線防護等進行了分析。最后，經實踐驗證了該曲線斜拉橋所用鋼箱梁頂推施工技術的合理性與先進性。

曲線鋼箱梁的頂推施工因其頂推路徑問題，具有一定的難度，尤其是小半徑曲線鋼箱梁在直線頂推時，難免會出現梁體脫離臨時支架且出現偏載的情況，在頂推過程中如何保證鋼梁的受力及變形滿足規范要求格外重要。本文以某既有跨線曲線鋼箱梁為例，對整個頂推施工過程進行了仿真模擬分析，通過對不利工況下梁體的應力與變形分析來保證施工的安全性。

1 工程介紹

1.1 項目簡介

廣州從埔高速SG06段起點位于黃埔區金坑林場，起點樁號K34+450，終點設置長平樞紐互通同時連接北二環高速公路和廣汕公路，終點樁號K39+541.130，路線全長5.091 km。長平樞紐互通A匝道橋為SG06施工段的一部分，位于廣州黃埔區北二環高速公路處，該段橋梁形式為小半徑曲線鋼箱梁4跨匝道橋，跨距為（50.20+32.622+59.803+35.6）m，鋼箱梁從18#墩至22#墩依次跨越了既有北二環高速公路及長平互通匝道。鋼箱梁為單箱雙室結構，頂板全寬12.55 m，道路中心線位置高度為2.8 m，底板寬8.75 m，鋼結構總重量約1 419.8 t，鋼箱梁橫橋向沿頂板和底板劃分為4個節段，包括2個箱型分段和2個挑臂分段，如圖1所示。

1.2 頂推施工工藝

長平樞紐互通A匝道橋鋼箱梁采用頂推的方式進行施工，在18#～26#墩之間布置頂推支架。利用步履式頂推設備將鋼梁整體向前頂推，待頂推到設計位置后，拆除鋼導梁。

整個長平樞紐互通A匝道橋鋼箱梁頂推施工一共分為3輪，每輪頂推步驟分別為10、7、8步，合計25步。由于A匝道橋鋼箱梁為曲線鋼箱梁，所以在整個頂推過程中，鋼梁（包含導梁）的前端與尾端在每次頂推完畢后均會處于懸挑狀態，具體頂推步驟與懸挑長度見表1。

2 頂推施工過程仿真分析

2.1 模型簡介

長平樞紐互通A匝道橋整個步履式頂推施工過程采用Midas/civil進行建模分析，根據梁體分段進行建模，鋼箱梁及鋼導梁均采用梁單元進行模擬，鋼箱梁節段與節段間、節段與鋼導梁間均采用共節點連接，鋼箱梁材質為Q355C，鋼導梁材質為Q235B。考慮鋼箱梁與鋼導梁自重荷載，并根據自重系數修正到實際重量，鋼箱梁與鋼導梁支撐處采用豎向約束的邊界條件，并選取合適的點位進行平面內的約束，來保證其在頂推施工過程中不發生轉動。

2.2 施工工況分析

根據頂推施工步驟詳情表，分別選取每個輪次下的鋼梁受力最不利工況進行驗算，經分析選取以下12個工況進行施工模擬驗算：第一輪次下的步驟3、7、9、10;第二輪次下的步驟2、4、5、7;第三輪次下的1、2、7、8。將以上12個工況分別編號工況1～工況12。

2.3 仿真模擬結果

將以上12個工況進行有限元施工模擬分析，分析結果見表2。

由表2可知，在工況11下即沿3.397%縱坡向前頂推66.1 m至橋位支座（未落梁），前端懸挑17 m，尾端懸挑22.1 m時，應力達到最大值σmax=137.9 MPa≤[σ]=210 MPa，發生在支撐位置，滿足受力要求，如圖2所示。

由表2可知，在工況3下即鋼梁及導梁向前頂推71.9 m，此時前端懸挑38.0 m，尾端懸挑4.1 m時，變形達到最大值umax=-98.033 mm，如圖3所示，鋼導梁前端設470 mm上墩措施，導梁豎向撓度滿足施工要求。鋼導梁最大懸臂狀態下的長度為38.0 m，懸臂端的撓跨比小于L/200，滿足規范要求。

由表2可知，在工況10下向前頂推16.3 m，此時前端懸挑27.2 m，尾端懸挑29.2 m，前后懸挑在第三輪次下均最大時，支反力達到最大值Fmax=236.0 t，如圖4所示，且發生在前端頂推支架之上。在該支反力下應對該支架進行加強加固，防止支架上分配梁產生不理想應力及變形，加強施工監控。

3 結論

隨著交通路網的復雜化程度越來越高，城市匝道橋尤其是鋼箱梁的興建受到各城鎮的青睞，但匝道橋的頂推施工因其頂推路線為直線，所以頂推后鋼梁的前后兩端均存在懸挑，具有一定的施工難度。以某一既有跨線鋼箱梁的頂推施工為例，對施工過程進行了有限元仿真模擬分析，得到以下結論。

1）在工況11下即向前頂推66.1 m至橋位支座時，應力達到最大值σmax=137.9 MPa≤[σ]=210 MPa，滿足相關安全性要求。

2）在工況3下即鋼梁及導梁向前頂推71.9 m時，變形達到最大值umax=-98.033 mm，小于臂端的撓跨比L/200，且可以順利上墩，滿足相關規范的要求。

3）在工況10下即向前頂推16.3 m時，前后懸挑在第三輪次下均最大時，支反力達到最大值Fmax=236.0 t，在該支反力下作用下應進行臨時結構的局部加強，并嚴密監控。

參考文獻：

[1] 魏小強，楚興華，陳之，等.橫琴口岸蓮花大橋小半徑曲線橋鋼箱梁頂推施工[J].工程建設與設計，2023（19）：148-150.

[2] 王宏，吳偉，蘇凱，等.北斗定位小半徑曲線匝道橋智能化步履式頂推應用[J].中國公路，2023（17）：101-103.

[3] 籍飛.曲線鋼箱梁橋頂推施工過程力學性能研究[J].科學技術創新，2023（17）：146-149.

[4] 季自剛，王東營，凌振國，等.大跨徑超長曲線鋼箱組合梁頂推施工控制研究[J].施工技術（中英文），2023，52（6）：53-58，68.

[5] 張達.曲線斜拉橋鋼箱梁頂推施工技術[J].交通世界，2022（15）：88-90，94.

作者簡介：李宗紅（1990-），男，工程師。研究方向為橋梁工程。