徐金華，楊 磊

(1.山西省交通規(guī)劃勘察設計院，山西太原 030012;2.山西省公路局，山西太原 030006)

0 引言

頂推施工法因其施工設備輕型簡便、施工工廠化程度高、不影響橋下通航或行車以及施工安全干擾少等優(yōu)點而在世界橋梁建設中被廣泛采用。頂推連續(xù)梁的形成方式與其它施工方式有顯著區(qū)別，它的形成是先由懸臂梁到簡支梁再到連續(xù)梁，先由雙跨連續(xù)梁再到多跨連續(xù)梁直至達到設計要求的跨數。隨著主梁節(jié)段逐漸向對岸推進，將使全橋的每個截面的內力呈反復性變化，其施工狀態(tài)的受力情況與成橋狀態(tài)的受力情況相差較大，為改善結構在施工階段受力的不利狀態(tài)，通常在頂推梁的最前端設置自重較輕且具有一定剛度的臨時導梁，從而增大頂推的跨徑。導梁的合理與否將直接影響主梁的受力情況，因此許多學者對如何確定導梁的合理參數進行深入的研究:如王衛(wèi)鋒、董創(chuàng)文、田仲初［1～3］等利用結構力學位移法建立簡化的結構計算模型，詳細推導出計算最優(yōu)的導梁參數值的公式;上官興、田啟軍，陳湘林［4，5］等卻在施工工藝上對導梁的制作進行了闡述;喬亞東［6］對某大橋頂推鋼導梁設計進行了介紹。

以上學者均未對導梁錨固區(qū)(為論述方便，將導梁與主梁的結合部簡稱為導梁錨固區(qū))的受力情況進行分析，本文將以營盤東路瀏陽河大橋頂推施工為研究對象，對連續(xù)梁頂推施工導梁錨固區(qū)的受力特性進行研究。筆者利用MIDAS/Civil軟件進行頂推整體有限元分析，確定導梁錨固區(qū)最不利工況，在此基礎上，運用ANSYS建立實體模型對其局部受力進行分析，以期為頂推施工的順利進行提供保障。

1 工程概況

營盤東路瀏陽河大橋是長沙東西主干道的關鍵節(jié)點工程，其主橋采用(48.0+3×59.0+48.0)m新穎獨特的“類雙層”預應力混凝土頂推連續(xù)箱梁，該橋集斜交、豎曲線、“類雙層”預應力混凝土頂推連續(xù)梁為一體，橋梁沿營盤東路上跨長善路、瀏陽河及濱河路，其立面布置圖如圖1所示。主橋上部結構采用單箱雙室等高連續(xù)箱梁結構，梁高為3.508m，單幅橋寬12.8m，梁底寬14.65m，梁底兩側分別懸挑出4m和3.65m懸臂板，外側懸挑4m處布置非機動車道，這種設置創(chuàng)造性地將人行道與機動車道進行了分離，增強人行通行的安全性，主梁標準斷面圖如圖2所示。

2 鋼導梁設計

目前頂推施工中常用的導梁結構主要有兩種:一種是由桿件拼裝形成的桁架梁;另一種是工字型變截面鋼板梁。桁架梁雖具有重復利用率高、抗風性能好、自重輕等優(yōu)點，但也有其不可忽視的缺點。作為桁架結構，節(jié)點受力是其主要特點，在頂推的過程中，桁架弦桿承受集中荷載性能較差，且節(jié)點多，加工復雜，隨著頂推箱梁沿著大跨、寬箱梁的發(fā)展，桁架梁也將逐漸被淘汰。鋼板導梁一般采用工字形截面，通過縱、橫向聯系將兩根工字形主梁連接起來，根據頂推前端主梁支點彎矩最小的原則，從而可確定導梁的長度，在此基礎上可根據頂推過程各個截面內力確定合理的頂、底板的寬度和厚度。鋼導梁因其受力明確，能很好地適應頂推過程中各點局部受力而被廣泛采用。

圖1 營盤東路瀏陽河大橋主橋立面圖(單位:m)

圖2 營盤東路瀏陽河大橋主橋標準斷面圖(單位:cm)

在箱梁自重較大且進行曲線頂推時，為承受較大的彎矩及便于導梁在支撐結構上進行順暢滑動，在實際工程中常采用工字形變截面鋼導梁進行頂推施工。營盤東路瀏陽河大橋縱斷面位于 R=2734m的豎曲線上，為了確保梁體的合理線性，減少結構的二次內力，因而本工程采用了受力明確、拼裝簡單、適應性好的工字形變截面實腹鋼導梁形式，導梁具體構造如圖3所示。

圖3 瀏陽河導梁立面圖(單位:cm)

3 結構有限元分析

3.1 結構有限元整體分析

3.1.1 建立有限元整體模型

瀏陽河大橋頂推施工的工藝流程如圖4所示，箱梁采用分段澆筑，逐段頂推，共分為9段進行預制，其中第1段及第九段長為33.25m，其他段長為29.5m，將箱梁在預制平臺上進行預制，然后由由東岸向西岸交替進行頂推，直到頂推完成再拆除導梁。在永久墩5#墩與10#墩之間布置5個臨時墩L1#～L5#，為順利進行頂推，需在頂推前將預制箱梁從預制平臺起落至預制平臺滑道臨時支撐墩Z1#～Z4#上。根據頂推施工的特點，采用有限元分析軟件MIDAS/Civil建立模型并進行仿真計算，采用空間梁單元模擬導梁、主梁，利用只受壓的彈性支承來模擬頂推平臺、臨時墩、永久墩對導梁、主梁的豎向支撐作用。本橋采用的是工字型的鋼導梁，為模擬方便，按照剛度相等的原則將兩排工字鋼等效為單根工字鋼的形式。通過建模助手建立正橋頂推仿真計算模型，為了準確模擬斜度對結構的受力影響，采用正橋斜支座的思想，修改邊界條件，即將所有的正支座均偏移11°變成斜支座，從而形成斜梁頂推施工全過程仿真模型，如圖5所示。

圖4 頂推施工過程圖

圖5 計算模型示意圖

3.1.2 計算結果分析

依據營盤路瀏陽大橋施工方案及導梁設計圖紙，運用MIDAS/Civil2010對結構頂推全過程進行仿真計算，可得出頂推過程中導梁錨固區(qū)截面的彎矩包絡圖如圖6所示，剪力包絡圖如圖7所示。

圖6 導梁錨固區(qū)截面的彎矩包絡圖

圖7 導梁錨固區(qū)剪力包絡圖

就頂推施工而言，導梁錨固區(qū)最大彎矩和其根部承受的最大支點反力將是導梁設計的控制因素。因此，需要分析頂推過程中彎矩與反力的變化情況，從整體計算結果可以得出，當導梁處于最大懸臂狀態(tài)時，導梁錨固區(qū)將出現最大負彎矩，其值為8071kN·m;導梁錨固區(qū)最大正彎矩出現在頂推第三梁段第12工況(即當導梁過臨時墩L2#16m，見圖8)時，其值為19422kN·m。

圖8 導梁與主梁結合截面產生最大正彎矩工況

為確保箱梁頂推過程中主梁與導梁的有效連接，確保結構在受彎狀態(tài)下彎矩形成的拉力或壓力能傳遞到混凝土箱梁中，避免在頂推過程中混凝土錨固區(qū)出現開裂現象，對錨固區(qū)進行加強處理，在導梁錨固區(qū)的上、下緣配置縱向預應鋼束，其上、下緣分別配置了32根、40根Φ32預應力精軋螺紋鋼，單根張拉噸位為58.6t，即在錨固區(qū)的上緣配置了1817t的預應力、下緣配置了2272t的預應力，其箱梁與導梁連接預應力束如圖9所示。

圖9 箱梁與導梁連接預應力束圖(單位:cm)

3.2 結構有限元局部建立

3.2.1 建立有限元局部模型

導梁錨固區(qū)在頂推過程中將承受反復的荷載作用，局部受力復雜，為確保結構受力安全需對其進行空間有限元分析，運用ANSYS對其受力最不利工況(見圖8)進行分析。在大型有限元分析軟件ANSYS中，可用于模擬主梁、導梁各板件及兩者之間的連接單元類型有很多，因此需要綜合考慮計算精度、模型建立的難易程度以及計算時間等因素，選擇合適的單元對結構進行模擬。本文采用有限元軟ANSYS11.0建立三維有限元實體模型，采用殼單元shell63模擬導梁，采用梁單元beam3模擬導梁的橫向聯系，采用實體單元SOLID65模擬頂推混凝土箱梁，對于導梁錨固區(qū)的預應力精軋螺紋鋼筋用link10進行模擬，預應力的模擬方法有降溫法與初應變法，降溫方式比較簡單，同時可以設定預應力鋼筋不同位置的預應力的不同分布，能夠對預應力損失進行模擬，因此本模型采用降溫方式模擬預應力對結構的作用［7］。鑒于模擬導梁錨固區(qū)的兩種單元的自由度不相同，需要建立“約束方程”，其基本方法為:在殼與實體單元的連接部位建立豎向剛性線，選擇連接區(qū)域的節(jié)點，利用CERIG命令自動生成約束方程，其命令如 CERIG，1，ALL，UX，UZ，其中“X”為縱橋向方向，“Y”為豎橋向方向，“Z”為橫橋向方向，模型的部分結構圖如圖10所示。

圖10 有限元分析局部模型

3.2.2 計算結果分析

對最不利工況下導梁錨固區(qū)截面應力進行分析，其正應力云圖與主拉應力云圖如圖11、圖12所示。

圖11 導梁錨固區(qū)正應力云圖(單位:Pa)

圖12 導梁錨固區(qū)主拉應云圖(單位:Pa)

由圖11和圖12分析可得，在最大正彎矩作用下，導梁錨固區(qū)截面最大正應力發(fā)生在橫隔板內部，為0.2MPa，主拉應力最大值為 2.0MPa，出現在底板的梗腋處，主拉應力最小值為－1.2MPa，位于中腹板處;從正應力計算結果可以得出，導梁錨固區(qū)大部分區(qū)域處于受壓狀態(tài)，中間區(qū)域處于受拉狀態(tài)，但是拉應力較少，從主拉應力結果分析可得，導梁錨固區(qū)的主拉應力略超過混凝土抗拉強度設計值，主要發(fā)生在底板的梗腋處，該區(qū)域范圍較少，根據圣維南原理，這種應力突變值可以考慮剔除，且在計算中未考慮普遍鋼筋的作用，根據以往的設計經驗，認為該應力不會對結構產生危害，結構處于安全狀態(tài)。

4 結論

以營盤東路瀏陽河大橋頂推施工為研究對象，利用MIDAS/Civil軟件建立頂推整體有限元模型，并對其進行仿真分析，得到了導梁錨固區(qū)的最不利受力工況，在此基礎上，建立導梁錨固區(qū)的局部模型，通過計算得到導梁錨固區(qū)的受力情況，得出如下結論:在最不利工況時，導梁錨固區(qū)最大正應力發(fā)生在橫隔板內部，為0.2MPa，其主拉應力最大值為2.0MPa，出現在底板的梗腋處，計算結果表明導梁錨固區(qū)大部分區(qū)域處于受壓狀態(tài)，部分區(qū)域處于受拉狀態(tài)，該區(qū)域范圍較少，根據圣維南原理，這種應力突變值可以考慮剔除，且在計算中未考慮普遍鋼筋的作用，根據以往的設計經驗，認為該應力不會對結構產生危害，結構處于安全狀態(tài)。

［1］王衛(wèi)鋒，林俊鋒，馬文田.橋梁頂推施工導梁的優(yōu)化分析［J］.工程力學，2007(2):132－138.

［2］董創(chuàng)文，李傳習.連續(xù)梁頂推導梁合理參數的確定方法［J］.公路交通科技，2010(9):55－62.

［3］田仲初，張華平.頂推施工中導梁的合理配置［J］.世界橋梁，2005(2):41－43.

［4］上官興，付書林，萬 藝，等.中國橋梁頂推技術綜述［C］.組合橋梁和頂推技術應用學術會議，2010.

［5］田啟軍，陳湘林.頂推施工中導梁的應用與錨固措施的優(yōu)化［J］.中外公路，2003(6):38 －40.

［6］喬亞東.鋼箱梁頂推施工鋼板梁式鋼導梁設計［J］.公路交通科技，2011(3):132 －136.

［7］楊 進，羅 永，羅學成.連續(xù)剛構0號塊的空間應力分析［J］.公路，2011(6):90 －94.