單主纜懸索橋鋼箱梁頂推過程結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析

步樂樂　彭旭民　張海龍

(中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司　武漢　430034)

單主纜懸索橋鋼箱梁頂推過程結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析

步樂樂彭旭民張海龍

(中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司武漢430034)

摘要某單主纜地錨式懸索橋加勁鋼箱梁采用多點(diǎn)多臺步履式頂推施工方案，在頂推過程中，鋼箱梁、導(dǎo)梁和臨時(shí)支墩的變形和受力變化，以及墩頂支撐位置處鋼箱梁的局部應(yīng)力情況應(yīng)予關(guān)注，避免因鋼箱梁底板發(fā)生局部屈服而影響結(jié)構(gòu)安全和后續(xù)頂推工作。文中通過運(yùn)用有限元軟件分別進(jìn)行整體和局部模擬計(jì)算分析，對頂推施工進(jìn)行合理地指導(dǎo)。監(jiān)測結(jié)果表明，頂推過程中鋼箱梁頂推線形與理論計(jì)算線形吻合較好，臨時(shí)結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)失穩(wěn)狀況。

關(guān)鍵詞鋼箱梁臨時(shí)支墩鋼導(dǎo)梁頂推穩(wěn)定性局部應(yīng)力

隨著我國橋梁事業(yè)的發(fā)展，越來越多地采用頂推法施工。在頂推過程中，鋼箱梁、導(dǎo)梁和臨時(shí)支墩的變形和受力復(fù)雜，甚至出現(xiàn)墩頂支撐位置處鋼箱梁應(yīng)力過大而發(fā)生局部屈服現(xiàn)象，影響結(jié)構(gòu)安全和后續(xù)頂推工作[1-2]。因此須對頂推過程進(jìn)行分析計(jì)算，確保頂推工作安全進(jìn)行。

由于南寧市英華大橋只有1根主纜，不能使用纜載吊機(jī)進(jìn)行吊梁作業(yè)，只能加勁梁頂推到位后再進(jìn)行掛索作業(yè)[3]。頂推共設(shè)置2條滑道，分別位于鋼箱梁兩側(cè)，主跨搭設(shè)6個(gè)臨時(shí)支墩，支墩間距為60 m，并在其上布置頂推設(shè)備。鋼箱梁在頂推平臺上按照無應(yīng)力線形焊接后頂出，通過多點(diǎn)多臺步履式頂推系統(tǒng)同步使鋼箱梁逐段向前滑移，循環(huán)作業(yè)使鋼箱梁到達(dá)設(shè)計(jì)位置。待鋼梁全部頂推到位后，采用千斤頂落梁的方法將鋼梁整體調(diào)整至設(shè)計(jì)標(biāo)高?？傮w施工布置見圖1。

圖1　鋼箱梁頂推總體施工布置圖

1頂推過程計(jì)算分析

本橋采用步履式裝置進(jìn)行頂推，其工作原理是豎向千斤頂頂起鋼梁，水平千斤頂完成向前頂推，落梁后擱置于墊塊上，千斤頂回油完成一個(gè)行程的頂推工作，頂推過程中是一個(gè)自平衡的頂推動(dòng)作過程，由于在頂推到達(dá)臨時(shí)支墩前的懸臂狀態(tài)和上臨時(shí)支墩時(shí)的狀態(tài)對鋼箱梁受力往往較為不利，因此，根據(jù)頂推臨時(shí)支墩的總體布置形式，對鋼箱梁頂推的施工過程劃分為19個(gè)工況進(jìn)行分析，具體工況內(nèi)容見表1。

表1　頂推施工工況劃分表

根據(jù)上表施工工況，采用MIDAS/Civil建立整體計(jì)算模型，模擬計(jì)算頂推過程中鋼箱梁、導(dǎo)梁以及臨時(shí)墩的受力變形狀況。鋼箱梁和導(dǎo)梁采用空間梁單元模擬(臨時(shí)支墩后做單獨(dú)分析)，邊界條件選取與施工現(xiàn)場基本吻合，本次計(jì)算是基于20 ℃的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度，實(shí)際頂推施工過程中，需根據(jù)實(shí)際環(huán)境溫度和鋼箱梁溫度，對鋼梁線形進(jìn)行溫度修正。計(jì)算模型見圖2。

圖2　鋼箱梁頂推計(jì)算模型

2臨時(shí)支墩受力狀況研究

臨時(shí)支墩受力不僅是施工過程中結(jié)構(gòu)安全的控制性因素，也是施工過程中各千斤頂頂推力控制的主要依據(jù)，以及鋼箱梁局部穩(wěn)定性的關(guān)鍵影響因素[4]。

該工程臨時(shí)墩上每臺頂推千斤頂上安裝一個(gè)用于監(jiān)視載荷變化的壓力傳感器，通過現(xiàn)場控制器或主控臺上的面板可設(shè)定每臺頂?shù)淖罡邏毫巴粯蚨丈蠋着_頂?shù)淖畲髩翰?，?jì)算機(jī)通過監(jiān)測每臺頂?shù)妮d荷變化情況，準(zhǔn)確地協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的載荷分配。如果某臺頂?shù)妮d荷達(dá)到設(shè)定的最高壓力或同一橋墩上幾臺頂?shù)淖畲髩翰畲笥谠O(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)會自動(dòng)停機(jī)，并報(bào)警示意，因此不存在頂推過程中某個(gè)臨時(shí)墩與鋼箱梁發(fā)生脫離的情況。

正常頂進(jìn)過程中(支墩不會與鋼箱梁脫離)，以L1支墩為例，其受力特性和變化規(guī)律見圖3。

圖3　L1支墩支反力變化曲線圖

計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)鋼箱梁上到臨時(shí)支墩后，支墩所受反力波動(dòng)范圍很小，L1支墩所受的支反力約為10 000 kN，其他臨時(shí)支墩受力特性和變化規(guī)律與L1支墩相似。

臨時(shí)支墩鋼管樁直徑×壁厚為630 mm×10 mm，橫聯(lián)直徑×壁厚為273 mm×8 mm，材質(zhì)均為Q235B，樁與土摩擦采用彈簧來模擬，彈簧剛度根據(jù)地質(zhì)條件選取，其計(jì)算模型見圖4。

圖4　臨時(shí)支墩計(jì)算模型

在其自重、鋼箱梁支反力、水平頂推力、水流沖擊力和橫橋向風(fēng)力等共同作用下，臨時(shí)支墩產(chǎn)生的最大應(yīng)力為108 MPa<113 MPa，支墩強(qiáng)度滿足要求；屈曲分析結(jié)果表明，對應(yīng)上述荷載作用下該支墩抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)為3.2，滿足相關(guān)規(guī)范大于1.3的要求。

3導(dǎo)梁受力狀況研究

(1) 撓度值。頂推過程中，如果檢測到導(dǎo)梁由于自重懸臂下?lián)蠈?dǎo)致導(dǎo)梁無法架到前方墩頂上的頂推裝置時(shí)，通過前一個(gè)墩上的豎向支撐油缸將梁體頂起使導(dǎo)梁上翹，以適應(yīng)第二個(gè)墩上的頂推裝置，待導(dǎo)梁完全架在前方墩頂?shù)捻斖蒲b置上后，通過調(diào)整第一個(gè)墩以及第二個(gè)墩上的支撐油缸將鋼箱梁在該點(diǎn)上的標(biāo)高調(diào)到規(guī)定標(biāo)高。重復(fù)頂推鋼箱梁，此時(shí)要保證墩上的頂推油缸在設(shè)定壓力上保證位移同步，直到將鋼箱梁全部頂推到位[5]。該橋各懸臂工況下導(dǎo)梁前端撓度值見表2。

表2　各懸臂工況下導(dǎo)梁前端撓度值

(2) 組合應(yīng)力值。在懸臂狀態(tài)下，導(dǎo)梁由于自重會出現(xiàn)較大撓度，可能會導(dǎo)致鋼箱梁與導(dǎo)梁相接處應(yīng)力過大。因此，構(gòu)造上應(yīng)加大此處導(dǎo)梁面板和底板寬度，采用熔透焊對接，并保證其焊接質(zhì)量。頂推過程最大組合拉應(yīng)力和最大組合壓應(yīng)力變化趨勢見圖5~圖6。

圖5　最大組合拉應(yīng)力變化趨勢圖

圖6　最大組合壓應(yīng)力變化趨勢圖

計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)導(dǎo)梁前端剛好到達(dá)13號橫梁支座時(shí)，鋼導(dǎo)梁產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力為59.4 MPa，最大壓應(yīng)力為62.3 MPa，均小于其容許應(yīng)力值。

4鋼箱梁節(jié)段局部應(yīng)力分析

為滿足頂推需要，通常在兩側(cè)邊縱隔板設(shè)置馬蹄形加勁肋，加勁肋側(cè)面與底板縱肋焊接，加勁肋底面要求與箱梁底板磨光頂緊。本文計(jì)算分3種工況：①不設(shè)馬蹄形加勁肋；②設(shè)置馬蹄形加勁肋，間距為0.5 m；③設(shè)置馬蹄形加勁肋，間距為1.0m。通過對這3種工況的模擬計(jì)算，來分析判斷加勁肋對鋼箱梁局部受力的影響。

取10 m長標(biāo)準(zhǔn)梁段，運(yùn)用通用有限元分析軟件ANSYS建立殼單元節(jié)段模型，計(jì)算鋼箱梁承受最大支反力工況下的局部應(yīng)力分布，仿真計(jì)算模型見圖7。

圖7　鋼箱梁節(jié)段局部計(jì)算模型

模型約束了底板在主滑道承壓板位置的豎向位移(墊塊尺寸為4 m×1.5 m)，根據(jù)頂推施工過程的整體模型計(jì)算結(jié)果，在節(jié)段兩端施加相應(yīng)的內(nèi)力[6]，其中第2種工況下構(gòu)件各部位等效應(yīng)力云圖見圖8。

a)底板等效b)頂板等效c)邊縱隔板等效d)橫隔板等效

應(yīng)力云圖應(yīng)力原圖應(yīng)力云圖應(yīng)力云圖

圖8鋼箱梁節(jié)段各部位等效應(yīng)力云圖

3種工況下的最大等效應(yīng)力分別為162.3，34.6，146.8 MPa，由此可知，設(shè)置馬蹄肋比沒有設(shè)置時(shí)應(yīng)力最大可以減少21%，馬蹄肋間距變大后應(yīng)力值比原先增大10%左右，為保證底板不發(fā)生局部屈服，建議按照0.5 m的間距沿著邊縱隔板設(shè)置馬蹄形加勁肋，以避免墊塊與箱梁接觸面處出現(xiàn)應(yīng)力過大現(xiàn)象。

5結(jié)語

通過本文分析可知，臨時(shí)支墩的強(qiáng)度和穩(wěn)定性均滿足要求，鋼箱梁在馬蹄形加勁肋間距為0.5 m工況下的局部應(yīng)力驗(yàn)算亦滿足要求。在頂推過程中，極易發(fā)生橫向偏位，從而對結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生不利影響，所以要做到動(dòng)態(tài)糾偏，即隨頂隨糾。同時(shí)要保證支墩上墊塊與鋼箱梁底面密貼，使其均勻受力，避免因接觸面積變小引起局部應(yīng)力過大而發(fā)生底板屈服。通過頂推全過程模擬計(jì)算分析，對頂推施工進(jìn)行科學(xué)合理地指導(dǎo)，確保施工過程中鋼箱梁頂推線形和各臨時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全，最終使鋼箱梁成橋線形與理論計(jì)算線形較好吻合。

參考文獻(xiàn)

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[2]周世清.連續(xù)鋼箱梁頂推施工的監(jiān)理控制[J].交通科技，2014(6):57-60.

[3]顏全勝，王衛(wèi)鋒，鄒小江.頂推法施工過程仿真分析軟件的研制[J].世界橋梁，2003(3):66-69.

[4]胡建華.現(xiàn)代自錨式懸索橋理論與應(yīng)用[M].北京：人民交通出版社，2008.

[5]崔清強(qiáng).復(fù)雜預(yù)制線形鋼箱梁理論與應(yīng)用[J].橋梁建設(shè)，2009(6):50-53.

[6]張欣禹.懸索橋扁平鋼箱梁頂推施工受力分析[J].世界橋梁，2012(1)：37-40.

Structural Mechanics Performance Analysis on the Steel Box Girder of

Single Cable Suspension Bridge during Incremental Launching Process

BuLele,PengXumin,ZhangHailong

(Science Research Institute Ltd., China Zhongtie Major Bridge, Wuhan 430034, China )

Abstract：The construction technology for a single main cable suspension bridge is that the stiffened steel box girder is multi-point and multi-stage walking style launched. In the process of incremental launching, in order to avoid the steel box girder bottom partial yield with the result of affecting structural safety and subsequent pushing construction technology, the problems should be paid attention to, including the deformation and stress change in the steel box girder, the nose girder and the temporary support pier as well as the local stress in the steel box girder which located on the supported pier. For scientific and effective guiding the launch construction, global and local simulation calculations are respectively analyzed by finite element software. Monitor results show that: the steel box girder bridge alignment agrees well with the designed alignment and instability does not happen to the temporary structure during the construction.

Key words:steel box girder; temporary support pier; nose girder; incremental launching method; stability; local stress

收稿日期：2015-10-23

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.005