独塔双索面扁平钢箱梁斜拉桥仿真计算分析

柯亮亮，戴　杰

(1.西安公路研究院，陕西 西安　710065；2.长安大学杂志社,陕西 西安　710064)



独塔双索面扁平钢箱梁斜拉桥仿真计算分析

柯亮亮1，戴杰2

(1.西安公路研究院，陕西 西安710065；2.长安大学杂志社,陕西 西安710064)

摘要：在已有钢箱梁顶推施工的基础上，对钢箱梁顶推施工进行仿真模拟分析，分析了施工整个过程其内力、应力、位移等的变化规律，丰富了我国顶推施工的成果，完善了我国对大跨度钢箱梁顶推的研究，为其他桥梁的设计与施工提供了一定的参考。

关键词：桥梁工程；钢箱梁斜拉桥；顶推法施工；仿真分析

1钢箱梁顶推法施工工序及特点

1.1施工工序

某大桥的设计跨径组合为(60+60+160+386) m半漂浮体系独塔双索面扁平钢箱梁斜拉桥。钢箱梁中心梁高3.5 m，顶面设2%双向横坡，底面水平，顶宽40.80 m，底部板宽31.2 m，钢箱梁的其他尺寸见表1。

表1　箱梁厚度参数表(mm)

该桥由于地形限制，无法采用水面浮吊施工，据其设计竖曲线的曲率不变、标准截面梁高相等的具体特征，拟定采用多点柔性顶推施工，具体为：先顶推钢箱梁至预定梁位，再张拉斜拉索，最终拆除临时辅助桥墩。

钢箱梁顶推总长度为547.5 m，共设顶推用临时墩7处，顶推最大跨度为60 m。该桥顶推施工的前导梁为变截面工字钢，最大截面尺寸与主梁高度保持一致，最小尺寸为1.30 m，总长38.50 m(具体尺寸见图2)。

施工工序为：主梁(前三段)吊装就位到顶推平台；调整主梁位置并固定，安装标高满足设计要求；各段主梁间焊接，主梁与导梁焊接；顶推钢箱梁(每个阶段钢箱梁的顶推长度为15 m)；各施工阶段主梁顶推施工实施完毕后，采用吊装设备将主梁运输至顶推平台，将前端主梁与后续主梁进行焊接，经若干施工循环，最终完成全部主梁顶推施工。

1.2施工特点

与其他施工方法相比，顶推施工有如下优点：首先施工过程简单，计算模式简单明了，便于分析计算；其次省去了合拢环节，去除了施工难点和隐患；第三施工工序为先顶推后张拉锚固，拉锁的锚固相对可靠，质量容易保证；最后可采用固定场所、专业队伍焊接，焊接质量稳定、可靠、便于检测。

虽然顶推法有上述许多优点，但桥梁上部结构随着顶推施工的不断推进，主梁的平面位置不断向前推移，导致主梁的结构体系转换频繁，超静定次数不断加大，钢箱梁的约束条件、内力及变形相对比较复杂。本文旨在通过建立全桥有限元模型，对其整个施工过程进行仿真计算分析，以准确了解钢箱梁在整个顶推施工过程的受力及变形情况。

2钢箱梁顶推施工仿真分析

2.1仿真分析模型

基于有限元专用桥梁分析软件MIDAS Civil，进行钢箱梁顶推施工有限元模型的建立与仿真计算。将顶推施工中的钢箱梁及钢导梁按照截面面积、抗弯惯性矩、抗扭刚度和剪切面积相等的原则简化为空间梁单元。钢箱梁和钢导梁均采用Q345钢，弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3。自重荷载根据容重按单元安装时间分阶段施加，其中计入横隔板、压重槽和工地连接件的重量；梁端钢锚箱按等效集中力计入，作用在各斜拉索梁端锚点上；导梁包括工字型主梁、横联、纵联及附板等，横纵联均按集中力等效，附板按均布荷载等效，顶推平台和临时墩采用只受压弹性支承来模拟。

顶推施工过程共有三十二个施工阶段，具体划分如下：

施工阶段一：焊接前三段主梁，连接导梁，顶推前进15.00 m；施工阶段二～二十四：第四至第二十六段主梁分别与前端主梁焊接，每个施工阶段分别顶推前进15.00 m；施工阶段二十五：第二十七段主梁与前端主梁焊接，顶推前进8.75 m；施工阶段二十六、二十七：第二十八段、二十九段主梁分别与前端主梁焊接，每个梁段分别顶推前进15.00 m，第二十七段主梁顶推到位后拆除变截面段前导梁；施工阶段二十八：第三十段主梁与前端主梁焊接，顶推前进15.00 m，顶推到位后拆除等截面段前导梁；施工阶段二十九～三十一：第三十一至第三十三段主梁与前端主梁焊接，每个施工阶段分别顶推前进15.00 m；施工阶段三十二：第三十四段主梁与前端主梁焊接。

注：以上整个施工过程中，各段主梁的焊接均在顶推平台上进行。

2.2计算结果分析

(1)位移

顶推过程中结构位移包络见图1。由计算结果表明：在顶推施工过程中，当导梁前端悬出主塔21.25 m时，导梁前端上挠达到最大值，为0.046 m，位于导梁前端；当导梁悬出主塔达到最大悬臂时，导梁下挠达到最大值，为-0.156 m。由于导梁前端最大下挠值小于其底部圆弧过渡段的高差(为0.3 m)，则顶推施工过程中，可保证导梁前端顺利通过前方的临时墩。顶推过程中钢箱梁竖向位移变化幅度为0.202 m。

图1　顶推过程中主梁弯矩包络

(2)内力

顶推施工过程中钢箱梁弯矩包络如图2所示。由计算结果表明：在顶推施工过程中，当拆除前导梁变截面段主梁悬出7#临时墩1.25 m，距钢箱梁前端22.5 m处出现最大正弯矩，其值为52 004 kN·m；当前导梁前端悬出2#临时墩16.25 m时，1#临时墩墩顶处钢箱梁截面出现最大负弯矩，其值为-87 689 kN·m。顶推过程中主梁弯矩变化幅度为139 693 kN·m。

(3)应力

顶推施工过程中钢箱梁上下缘应力包络如图2和图3所示。由计算结果表明：顶推过程中当前导梁悬出主塔37.5 m时，与前导梁连接部位主梁上缘最大压应力为122.58 MPa，主梁下缘最大拉应力为122.58 MPa，上缘最大压应力与下缘最大拉应力相等；当导梁到达56#共用墩前的所有最大悬臂阶段，与前导梁连接部位主梁上缘最大拉应力为50.93 MPa，主梁下缘最大压应力为50.93 MPa，上缘最大拉应力与下缘最大压应力相等。顶推过程中钢箱梁上下缘应力变化幅度为173.51 MPa。

(4)支反力

顶推施工过程中各墩最大支点反力见表2。由计算结果可知，在顶推施工过程中，最大支点反力为13 441 kN，对应工况为导梁悬出2#临时墩30 m时，出现在55#主塔横梁处。

图2　顶推过程中主梁上缘应力包络

图3　顶推过程中主梁下缘应力包络

1#临时墩55#主塔横梁2#临时墩3#临时墩4#临时墩12212134411301413123130945#临时墩6#临时墩7#临时墩56#共用墩1310113099117461441/

2.3顶推施工完成后计算结果分析

(1)主梁位移

顶推施工完成后，主梁位移见图4所示。计算结果表明：主梁顶推完成后，主梁最大下挠12 mm，出现在距钢箱梁前端58.75 m处。

图4　顶推成后主梁竖向位移

(2)主梁内力

顶推施工完成后，主梁弯矩见图5所示。计算结果表明：顶推完成后，钢箱梁最大正弯矩为30 825 kN·m，出现在1#临时墩与55#主塔间的跨中处，为顶推过程中最大正弯矩的60%；最大负弯矩为-68 540 kN·m，出现6#临时墩墩顶处钢箱梁截面，为顶推过程中最大负弯矩的78%。

图5　顶推后主梁弯矩

(3)主梁应力

顶推施工完成后，主梁上下缘应力见图6所示。计算结果表明：顶推完成后，钢箱梁上缘最大拉应力为和下缘最大压应力分别为26.2 MPa、32.9 MPa，应力最值得位置均位于6#临时墩墩顶主梁截面。

(4)主梁支反力

顶推施工完成后的各临时墩支点反力见图7，由计算结果可知，顶推完成后，最大支点反力为12 537 kN，出现在55#主塔横梁处，为顶推过程中最大支反力的93%。

图6　顶推后主梁上、下缘应力

图7　顶推后临时墩支反力

3结论

本文采用专用桥梁分析软件MIDAS Civil对某独塔双索面扁平钢箱梁斜拉桥的顶推施工过程进行仿真模拟，计算结果表明：①顶推过程中导梁前端最大向下挠度为0.156 m；顶推完成后钢箱梁最大向下挠度为0.012 m；②顶推完成后钢箱梁最大正弯矩为顶推过程中最大正弯矩的60%；最大负弯矩为顶推过程中最大负弯矩的78%；③顶推施工过程中钢箱梁上下缘应力水平处于～，顶推完成后钢箱梁上下缘应力水平位于-32.9～26.2 MPa，均低于Q345钢材的强度容许值；④顶推完成后最大支点反力为顶推过程中最大支点反力的93%，且均出现在55#主塔横梁处。

参考文献：

[1]范立础. 桥梁工程(上册)[M]. 北京:人民交通出版社, 2001:184-186.

[2]刘杰.大跨度钢箱梁斜交顶推结构受力特性与施工控制技术研究[D]．长沙：长沙理工大学，2006.

[3]张晓东.桥梁施工技术[J].公路，2003，(9)，45-51.

收稿日期：2016-04-21

作者简介：柯亮亮(1983-)，男，陕西商州人，工程师，主要从事桥梁结构分析、桥梁荷载试验、桥梁加固设计及桥梁检测等工作。

中图分类号：U442

文献标识码：C

文章编号：1008-3383(2016)06-0097-03