魏 華， 劉紅釗， 李煒東， 林憲廣， 王海軍(. 沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽 0870； . 中鐵十五局集團(tuán)有限公司 科技與信息部， 上海 00070)

跨線鋼箱梁橋頂推落梁過程的數(shù)值模擬*

魏 華1， 劉紅釗1， 李煒東2， 林憲廣2， 王海軍1
(1. 沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽 110870； 2. 中鐵十五局集團(tuán)有限公司 科技與信息部， 上海 200070)

為了研究鋼箱梁在高位落梁過程中的受力性能以及局部屈曲性能，以后丁香三號(hào)橋?yàn)楣こ瘫尘埃岢隽艘环N新的交替式高位落梁工藝.基于ABAQUS有限元軟件對(duì)落梁過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，建立了高位落梁過程三個(gè)工況的有限元模型，使用集中荷載模擬千斤頂對(duì)梁體的支反力.對(duì)三個(gè)工況的應(yīng)力云圖和屈曲模態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，模擬數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變均能滿足施工要求.本文提出的高位落梁工藝和數(shù)值模擬方法可為類似工程提供參考.

施工過程； 頂推工法； 高位落梁； 鋼箱梁； 應(yīng)力應(yīng)變； 屈曲分析； 數(shù)值模擬； 有限元

由于我國(guó)正在建設(shè)越來越多的跨線橋梁[1-2]，當(dāng)需要減少施工對(duì)橋下交通的影響時(shí)，頂推工法[3-4]則具有明顯的優(yōu)勢(shì).該方法是指梁體在橋頭逐段澆筑或拼裝，然后利用千斤頂沿順橋向推進(jìn)，使梁體依次通過各墩頂臨時(shí)滑動(dòng)支座面.當(dāng)梁體頂推到位后，需要進(jìn)行落梁，一般在頂推的過程中需要設(shè)置臨時(shí)墩，可以把頂推設(shè)備放置在臨時(shí)墩上進(jìn)行鋼箱梁頂推施工，這樣做可以保證落梁節(jié)段的安全順利完成，不需要考慮高位落梁的問題.當(dāng)需要考慮橋的地理位置和施工費(fèi)用等實(shí)際問題，不方便設(shè)置臨時(shí)墩時(shí)，需要把頂推設(shè)備放置在永久墩的頂部進(jìn)行頂推施工，這會(huì)導(dǎo)致高位落梁[5-10]問題.一般鋼箱梁橋?qū)Ω呶宦淞旱募夹g(shù)要求較高，為了防止在落梁過程中梁體遭到損壞，本文提出了交替式高位落梁技術(shù)，并對(duì)高位落梁工況進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，分析材料的應(yīng)力、應(yīng)變以及材料的局部屈曲[11-13]是否滿足施工要求.

1 工程概況

本文以沈陽后丁香大橋?yàn)楣こ瘫尘?，全長(zhǎng)2 823 m，橋梁上部為鋼箱梁與預(yù)應(yīng)力混凝土組合而成.鋼箱梁部分為一、二、四號(hào)橋.本文研究的是后丁香三號(hào)橋的高位落梁技術(shù).三號(hào)橋長(zhǎng)208 m(38 m+61 m+61 m+48 m).主體結(jié)構(gòu)材料采用Q345qENH鋼，梁體斷面結(jié)構(gòu)如圖1所示(單位：mm).該梁體結(jié)構(gòu)施工位置處于飛機(jī)起降航道位置，鋼箱梁跨越大西進(jìn)場(chǎng)線和秦沈上下行線等6股電氣化鐵路，橋梁的施工要考慮到對(duì)交通影響程度的控制.因此，為了避免搭設(shè)鐵路臨時(shí)結(jié)構(gòu)，故采用大噸位吊車進(jìn)行梁段的吊裝，將頂推設(shè)備放置于永久橋墩頂部，取消臨時(shí)墩.由于頂推設(shè)備設(shè)置在永久墩的頂部，導(dǎo)致梁體在頂推到位后需要進(jìn)行高位落梁，為了防止在落梁的過程中出現(xiàn)梁體損壞，故需要對(duì)落梁過程進(jìn)行有限元模擬分析，以保證結(jié)構(gòu)安全.

圖1 鋼箱梁斷面Fig.1 Cross section of steel box girder

2 落梁過程及有限元模型

2.1 落梁過程

該段橋梁整體落梁高度達(dá)到21 m，落梁過程由三個(gè)工段組成.第一工段：利用步履式頂推設(shè)備直接落梁290 mm，鋼箱梁落于頂推設(shè)備梁段的箱型墊塊上.去掉設(shè)備上部水平滑塊和其周圍反力支座，利用頂推設(shè)備下部頂升裝置落梁510 mm，如圖2所示(單位：mm).

圖2 頂推設(shè)備直接落梁Fig.2 Direct falling beam with pushing device

第二工段：在支座墊石之間設(shè)立三個(gè)墊墩來代替頂推設(shè)備，墊墩長(zhǎng)、寬、高分別為1 000、1 500、1 000 mm，墊墩上放置180 t單向千斤頂(高550 mm)，頂起梁體，鎖死油缸.拆除原來放置頂推設(shè)備的懸臂梁支架.在箱梁永久支座上搭設(shè)4個(gè)落梁支墊，長(zhǎng)、寬、高分別為1 000、1 500、1 000 mm.梁體在支座位置處落梁100 mm，以后每次落梁150 mm，總落梁高度為1 000 mm，如圖3所示(單位：mm).

圖3 布置松木支墊及180 t千斤頂Fig.3 Arrangement of pine bedding and 180 t jack

第三工段：把180 t單向千斤頂換成200 t三向千斤頂(高200 mm).每次落梁200 mm，直至落梁到位，如圖4所示(單位：mm).

圖4 三向千斤頂落梁Fig.4 Falling beam with three-way jack

2.2 模型建立

本文以通用有限元分析軟件ABAQUS為依托建立后丁香三號(hào)橋的鋼箱梁有限元模型，采用shell單元模擬鋼箱梁的鋼板，因?yàn)榱后w上部的懸挑部分不影響梁體落梁過程的分析，所以只需建立中間梁體部分的模型.在落梁過程中為防止千斤頂?shù)捻斆迸c梁體作用時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中而損壞梁體，因此采取在梁體底板受力位置增設(shè)尺寸為20 mm×850 mm×850 mm的鋼板作為應(yīng)對(duì)措施，采用實(shí)體單元建立20 mm厚鋼板模型和千斤頂模型，兩者之間采用Tie連接，梁體與20 mm厚鋼板之間的作用采用法向硬接觸.使用剛性體約束來約束所有的千斤頂，梁體落梁時(shí)受到的支座反力采用對(duì)控制千斤頂?shù)膮⒖键c(diǎn)施加集中力來模擬.

本文的落梁受力分析共分為三個(gè)工況.第一工況：180 t單向千斤頂作用時(shí)的受力分析；第二工況：200 t三向千斤頂作用時(shí)的受力分析；第三工況：支墊作用時(shí)的梁體受力分析.針對(duì)第一、二、三工況建立的模型如圖5～7所示.

圖5 第一工況有限元模型Fig.5 Finite element model for first operating condition

圖6 第二工況有限元模型Fig.6 Finite element model for second operating condition

圖7 第三工況有限元模型Fig.7 Finite element model for third operating condition

3 落梁過程分析

對(duì)后丁香三號(hào)橋前20段進(jìn)行頂推施工，頂推工作完成后進(jìn)行落梁工作，其余4段梁體在原頂推拼裝區(qū)進(jìn)行拼裝，可以省去落梁這一工序.本文只針對(duì)前20段梁體進(jìn)行落梁分析，梁體頂推到位后，最大的支反力產(chǎn)生在16#墩上面，計(jì)算得到此時(shí)的最大支反力達(dá)到727 t，則可以選取該工段進(jìn)行落梁過程梁體的受力分析.落梁的第一工段與頂推階段的梁體臨時(shí)擱置狀態(tài)時(shí)的受力相同，由于頂推階段梁體臨時(shí)擱置狀態(tài)時(shí)滿足受力要求，因此不必分析落梁的第一工段.

3.1 第一工況分析

在落梁過程中千斤頂屬于臨時(shí)支承，作用位置在橫隔板底部，由于千斤頂?shù)淖饔命c(diǎn)不屬于設(shè)計(jì)的梁體支承點(diǎn)，也不位于腹板上，因此，梁體此處對(duì)支承力的抵抗能力較弱，需要分析該情況下梁體的受力.對(duì)于薄壁的鋼箱梁結(jié)構(gòu)，其破壞特征為屈曲破壞，即結(jié)構(gòu)先失穩(wěn)屈服，再導(dǎo)致材料破壞.若在數(shù)值分析中不進(jìn)行屈曲分析，計(jì)算時(shí)將按照理想結(jié)構(gòu)進(jìn)行，這對(duì)于以屈服破壞為主的鋼箱梁結(jié)構(gòu)，其計(jì)算值不準(zhǔn)確.本文將先對(duì)梁體進(jìn)行模態(tài)分析，提取特征值，再進(jìn)行后屈曲分析并引入網(wǎng)格缺陷因子來模擬現(xiàn)實(shí)中的鋼箱梁屈服特征，有限元模型如圖5所示.

由于20 mm厚的鋼板與梁底有接觸，特征值的求解將使用子空間迭代法，子空間迭代法適用于帶有接觸的屈曲分析，模型約束梁段兩端的6個(gè)自由度，對(duì)于使用剛體約束的千斤頂，除了約束其豎直方向的其他5個(gè)自由度，對(duì)其參考點(diǎn)在豎直方向上施加100 N的力，求其前5階特征值，求得的特征值分別為7.27×105、7.28×105、8.29×105、8.37×105和9.55×105.第一工況一階模態(tài)如圖8所示，由模型的一階模態(tài)可以看出，結(jié)構(gòu)橫隔板底部在荷載的作用下，屈曲失穩(wěn)情況最容易發(fā)生在橫隔板加勁較疏的地方.

圖8 第一工況一階模態(tài)Fig.8 First-order mode for first operating condition

在獲取結(jié)構(gòu)特征值后，將進(jìn)行后屈曲分析.在后屈曲分析中對(duì)材料屬性引入塑性參數(shù)，依據(jù)模態(tài)分析所得到的節(jié)點(diǎn)屈曲失穩(wěn)位移，需要引入2%的網(wǎng)格缺陷來擾動(dòng)網(wǎng)格，模擬結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)情況.在后屈曲分析中對(duì)千斤頂?shù)膮⒖键c(diǎn)施加727 t的力，分析梁體在落梁過程中受到該支反力時(shí)的響應(yīng)，計(jì)算表明，在與千斤頂作用的位置處出現(xiàn)最大的Mises應(yīng)力約為134 MPa，如圖9所示.由于20 mm厚鋼板可對(duì)千斤頂作用的巨大支反力進(jìn)行分散，結(jié)構(gòu)中的最大應(yīng)力處于允許范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)中的變形云圖如圖10所示，其最大變形約為2 mm.由于結(jié)構(gòu)仍然處于彈性狀態(tài)內(nèi)，該變形為可恢復(fù)的彈性變形，變形最大的區(qū)域?yàn)闄M隔板的失穩(wěn)突起，梁體底部的最大變形為1.77 mm.可見在千斤頂最大的支反力作用下，最大的變形是橫隔板的突起.

圖9 結(jié)構(gòu)內(nèi)部Mises應(yīng)力云圖Fig.9 Mises stress nephogram of internal structure

圖10 結(jié)構(gòu)內(nèi)部變形云圖Fig.10 Deformation nephogram of internal structure

計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)180 t單向千斤頂作用時(shí)，結(jié)構(gòu)中的最大應(yīng)力約為134 MPa，最大變形約為2 mm，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度剛度要求.

3.2 第二工況分析

在落梁的第三工段，梁體高度不斷下降，原180 t千斤頂由于高度較高，落梁后期由于空間狹小導(dǎo)致千斤頂無法正常使用，并且落梁后期需要修正梁體的軸線位置，故此時(shí)用200 t的三向千斤頂來代替之前的千斤頂.在此落梁階段，橋墩上只有4個(gè)三向千斤頂，因此每個(gè)千斤頂對(duì)梁體橫隔板產(chǎn)生的支反力更大，為了保證落梁順利完成，需對(duì)此工況進(jìn)行受力分析.

此節(jié)分析所用的梁體模型與前節(jié)所用一樣，千斤頂數(shù)量由6個(gè)變?yōu)?個(gè)，其作用位置也發(fā)生改變，模型如圖6所示.模型對(duì)梁體兩端約束全部6個(gè)自由度，通過參考點(diǎn)對(duì)千斤頂施加荷載，模擬落梁時(shí)，梁體質(zhì)量作用在千斤頂上，千斤頂與梁體作用之間設(shè)置一塊20 mm厚的鋼板，用以分散千斤頂作用處的應(yīng)力.對(duì)千斤頂?shù)目刂茀⒖键c(diǎn)施加100 N的力，對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析，獲取模型的特征值，再利用特征分析獲取節(jié)點(diǎn)的位移情況，引入2%的網(wǎng)格缺陷，分析梁體在可能的失穩(wěn)狀況下的受力狀況.對(duì)底板處參考點(diǎn)在豎直方向上施加100 N的力，求其前5階特征值，求得的特征值分別為7.27×105、7.28×105、8.29×105、8.37×105和9.55×105.第二工況一階模態(tài)如圖11所示.由一階模態(tài)可以看出，當(dāng)4個(gè)三向千斤頂作用在中間橫隔板上時(shí)，梁體最容易發(fā)生失穩(wěn)屈曲的地方是橫隔板上加勁較疏的地方，由于梁體兩側(cè)的千斤頂相對(duì)于前節(jié)各減少了一個(gè)，在一階模態(tài)下結(jié)構(gòu)橫隔板的兩側(cè)可能都將出現(xiàn)一定的失穩(wěn)變形.

圖11 第二工況一階模態(tài)Fig.11 First-order mode for second operating condition

在獲取特征值以及模型在失穩(wěn)時(shí)產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)位移的情況下，對(duì)結(jié)構(gòu)所用鋼材引入塑性數(shù)據(jù)以及網(wǎng)格缺陷，對(duì)千斤頂?shù)目刂茀⒖键c(diǎn)施加727 t的荷載，模擬梁體在此種支承下的受力情況.結(jié)果表明，梁體中的最大Mises應(yīng)力約為170 MPa.比前節(jié)使用6個(gè)千斤頂時(shí)增加了約36 MPa，最大Mises應(yīng)力發(fā)生在梁體最外側(cè)的兩個(gè)千斤頂作用處，如圖12所示，應(yīng)力在結(jié)構(gòu)允許范圍以內(nèi)，梁體中的最大變形約為2.14 mm，如圖13所示.

根據(jù)模擬結(jié)果分析可知，梁體中的最大應(yīng)力約為170 MPa，在安全范圍內(nèi)梁體底部發(fā)生結(jié)構(gòu)最大變形達(dá)到2.14 mm，為可恢復(fù)的彈性變形，滿足結(jié)構(gòu)安全要求.

3.3 第三工況分析

當(dāng)使用180和200 t千斤頂落梁時(shí)，需要把梁體臨時(shí)擱置在長(zhǎng)1 000 mm、寬1 500 mm，由松木搭成的落梁支墊上，該支承位置為梁體設(shè)計(jì)支承處，由于在該支承處設(shè)有加強(qiáng)板，梁底有20 mm厚的鋼板，梁體有足夠的承載力，故只需進(jìn)行一般分析即可，模型同樣采用前文所用的梁段，梁底與支承處的20 mm厚鋼板接觸，荷載直接施加在20 mm厚的鋼板上，其有限元模型如圖7所示.

圖12 200 t千斤頂作用時(shí)的應(yīng)力云圖Fig.12 Stress nephogram under action of 200 t jack

圖13 第二工況結(jié)構(gòu)內(nèi)部變形云圖Fig.13 Deformation nephogram of internal structure for second operating condition

結(jié)果表明，梁體中產(chǎn)生的最大Mises應(yīng)力約為75 MPa，如圖14所示.這是由于梁底20 mm厚鋼板對(duì)支反力的分散作用，使荷載沒有直接施加在梁體底部的薄鋼板上，從而避免了梁體的損壞.梁體中產(chǎn)生的最大變形約為1.5 mm，如圖15所示.此時(shí)材料處于彈性狀態(tài)，因此結(jié)構(gòu)變形為彈性變形，在該落梁過程中，滿足結(jié)構(gòu)受力要求，處于安全狀態(tài).

圖14 第三工況結(jié)構(gòu)內(nèi)部Mises應(yīng)力云圖Fig.14 Mises stress nephogram of internal structure for third operating condition

圖15 第三工況結(jié)構(gòu)變形云圖Fig.15 Deformation nephogram of structure for third operating condition

在落梁過程中千斤頂與梁體之間增加的20 mm鋼墊板能分散千斤頂頂帽帶來的集中力，避免梁體局部出現(xiàn)過大應(yīng)力而損壞.

4 結(jié) 論

本文通過分析得出以下結(jié)論：

1) 通過對(duì)鋼箱梁高位落梁過程三個(gè)工況的分析，提出了交替式高位落梁工藝，適用于以設(shè)計(jì)橋墩作為頂推設(shè)備支承平臺(tái)的情況，不需要另外搭建支承平臺(tái)，可縮短施工周期并節(jié)省施工費(fèi)用；

2) 對(duì)交替式落梁過程各工況的數(shù)值模擬分析表明，該工藝滿足受力、變形和局部穩(wěn)定性要求；

3) 數(shù)值模擬方法與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好，可推廣到類似過程分析中.

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(責(zé)任編輯：鐘 媛 英文審校：尹淑英)

Numerical simulation of pushing and falling process of over-line steel box girder bridge

WEI Hua1, LIU Hong-zhao1, LI Wei-dong2, LIN Xian-guang2, WANG Hai-jun1

(1. School of Architecture and Civil Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China; 2. Ministry of Science, Technology and Information, China Railway 15th Bureau Group Co. Ltd., Shanghai 200070, China)

In order to study the mechanical behavior and local buckling behavior of steel box girder in the process of high-level falling beam, the Hou Dingxiang NO.3 bridge was taken as the engineering background, and a new alternating high-level falling beam technology was proposed. The beam falling process was numerically simulated with the finite element software ABAQUS, the finite element model for three operating conditions of high-level falling beam process was established, and the supporting counterforce of the jack on the beam was simulated with the concentrated load. In addition, the stress nephogram and buckling mode under three operating conditions were analyzed. The results show that the simulated data are in good agreement with the monitored data, and the stress and strain of the structure can meet the construction requirements. The proposed high-level falling beam technology and numerical simulation method can provide the references for the similar projects.

construction process; pushing method; high-level falling beam; steel box girder; stress and strain; buckling analysis; numerical simulation; finite element

2016-10-25.

沈陽市科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目(F13-316-1-43).

魏 華(1973-)，女，山西交城人，副教授，博士，主要從事結(jié)構(gòu)工程等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.04.22

TM 343

A

1000-1646(2017)04-0475-06

*本文已于2017-06-21 21∶21在中國(guó)知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170621.2121.024.html