钢箱梁顶推施工过程分析

黄霞

摘要：文章结合某特大桥工程实例，对顶推施工中导梁结构形式选择及截面尺寸的确定作了简单介绍，采用有限元方法对结构进行了数值分析，分别对施工过程中导梁在自重荷载作用下的稳定性、各墩支反力、钢箱梁抗倾覆稳定性、钢箱梁应力等进行计算。结果表明：顶推过程中，导梁稳定性满足要求;钢箱梁在上墩前弯曲应力最大，相应剪应力值则相对较小;墩顶支点反力、抗倾覆稳定性均符合设计规范要求。

关键词：顶推施工;有限元;钢箱梁;抗倾覆稳定性

0 引言

近年来，顶推施工被越来越广泛地应用于跨线、跨河等现浇施工困难的桥梁，并取得了良好的社会经济效应。在顶推过程中，导梁受力情况、悬臂端变形、箱梁抗倾覆稳定性等成为施工控制之重点。本文结合工程实际，对某特大桥的顶推施工的钢导梁进行设计、受力情况及稳定性分析，并计算钢箱梁在最不利情况下的抗倾覆稳定性，为今后该类型桥施工提供参考。

1 工程概况

某双塔双索面特大跨度斜拉桥上部结构采用的组合形式为（213+508+185）m，采用梁墩固结、塔梁分离的连结方式。塔柱采用折H型构造，主塔高为195.1m，桥梁全长956m，桥面净宽27.7m。全桥主纵梁按施工次序依次分为ZL1～ZL65共65个节段，钢梁平均重量为12.33t/m。其中贵州侧边跨ZL1～ZL22节段的施工方式为顶推施工，全长236.8m。桥梁立面图如下页图1所示。

2 钢导梁的设计[1-2]

2.1 材料选用及设计参数

参照《公路桥涵钢结构木结构设计规范》（JTJ025-86）[3]和《钢结构设计规范》（GB50017-2003）[4]，钢梁体系包含一种钢材：Q370qD钢材;导梁体系包含一种钢材：Q235钢材;临时墩体系包含一种钢材：Q345钢材。Q370qD比Q345强度大，但都按Q345参数计算，各种材料容许应力均不考虑提高系数。

2.2 辅助墩布设

在顶推过程中，由于在导梁前端上墩之前为一悬臂结构，在自重荷载作用下，通常导梁前端的底面标高会低于滑道顶面的标高。因此，当永久墩间距较大时，可在相邻永久墩之间布设辅助墩以减小顶推跨度。本桥顶推共布设3个辅助墩：在2#～3#墩间布设辅助墩L1，墩跨为28.5m+36m;在3#～5#墩间布设辅助墩L2、L3，墩跨为32.75m+2×40m+35.75m。立柱采用“4×[WTBX]610×14”钢管，钢管间用万能杆件连接成整体，保证辅助墩整体稳定性。在墩顶横向安装分配梁，纵向安装承重滑道。辅助墩构造如图2所示。

2.3 导梁结构形式比选

现阶段使用的钢导梁主要是以下两种：钢板梁;钢桁梁。现将两种导梁的受力情况、自重、刚度等主要施工参数进行比选，如表1所示。结合本桥实际施工情况，选择如图3所示的钢板梁作为本项目钢导梁的结构形式。

2.4 导梁稳定性分析

导梁在顶推过程中，需保证本身具有足够的强度、刚度和稳定性。本项目导梁的最大顶推跨度为40m，故以该最大跨度为例进行导梁自身稳定性分析。顶推前移时，导梁前端跨越40m跨径，进而伸出悬臂，改变受力状态，钢导梁的最不利情形状态下的稳定性需要计算分析才能确定。因而，选取导梁每前移2m作为一个计算工况，分析导梁在自重荷载作用下的受力状态，确定导梁前移过程中的最不利情形。本次分析中共取了12个计算截面。采用MidasCivil软件建立有限元模型（如图4所示）。模型计算时采用以下假定：

（1）将钢梁与导梁采用梁单元进行模拟;

（2）建模时，仅考虑ZL1～ZL22钢梁节段，且仅考虑主梁和横梁的作用;

（3）由模型运算可知，主梁与横梁自身重量只有设计图纸重量的70%，因此，两者结合运算时，自重恒载系数为1/0.7=1.43;

（4）进行正式顶推分析时，模型计算采取和该导梁验算模型相同的假设;

（5）钢箱梁顶推在前行时，除自身自重恒载外，不考虑其他诸如风荷载、温度荷载等相关荷载的影响，故不进行其他荷载加载。

通过计算分析，可得出顶推前行时导梁在自身自重荷载作用下的最大弯矩和最大剪力值（详见表2）。由此可见，当导梁从辅助墩上顶推前移距离达到16m位置时，其在自重荷载作用下所受到的弯矩最大，达到了112.3MPa<145MPa;当导梁从辅助墩上顶推前移距离达到20m位置时，其在自重荷载作用下所受到的剪力最大，相应的剪应力大小仅有28.2MPa<85MPa。此外，在导梁前移过程中，每个阶段其弯曲应力值相对较大，且出现的位置位于横梁之上，而相应的，剪切应力值较小，其最大值位置均位于鋼板梁之上。基于以上分析，得出在导梁前移过程中，在自重荷载作用下，其稳定性满足规范要求的结论。

2.5 顶推过程中导梁前端最大下挠

钢箱梁顶推前移时需注意随时观察导梁前端下挠位移情况。钢箱梁在顶推到最大悬臂工况下时，即当其前端位置上墩前，此时导梁前端下挠达到极值。经计算分析，导梁前移过程中各悬臂工况下其前端最大下挠位移在36～162mm之间。

3 顶推过程受力分析

3.1 计算工况划分

钢梁的特征工况主要为钢梁顶推至每一跨间的最大悬臂状态及其后上墩状态，因而选取以下15个工况作为计算工况：

工况1：钢箱梁前移到2#墩上墩前;

工况2：钢箱梁前移到2#墩上墩后;

工况3：钢箱梁前移到L1#墩上墩前;

工况4：钢箱梁前移到L1#墩上墩后;

工况5：钢箱梁前移到3#墩上墩前;

工况6：钢箱梁前移到3#墩上墩后;

工况7：钢箱梁前移到L2#墩上墩前;

工况8：钢箱梁前移到L2#墩上墩前;

工况9：钢箱梁前移到L3#墩上墩前;

工况10：钢箱梁前移到L3#墩上墩后;

工况11：钢箱梁前移到L4#墩上墩前;

工况12：钢箱梁前移到L4#墩上墩后;

工况13：钢箱梁前移到5#主塔上墩前;

工况14：钢箱梁前移到5#主塔上墩后;

工况15：钢箱梁前移到5#主塔尾端最大悬臂处。

3.2 顶推过程各工况下支点反力

本次顶推施工边跨钢梁在前行过程中需越过6个桥跨段，因而将施工方式分成6个节段推进。为减小尾端悬臂引起的较大反力及钢梁应力，在顶推ZL1节段时不拼装其钢横梁，直到顶推完毕后再拼装ZL1节段钢横梁。随着顶推的进行，钢梁节段不断增加，悬臂跨度变大，结构整体受力体系亦随之发生改变，支撑点反力亦反复变化。分析得出，墩支点最大支反力出现在工况14状态下，位置位于2#墩，其值为6063kN。

3.3 抗倾覆计算

在工况1情况下，即首批钢梁顶推至2#墩前端上墩前，此时抗倾覆最不利，钢箱梁最大悬臂为40m，而施工平台上钢梁简支段为42m，偏于安全考虑，将导梁当作均布荷载进行计算，导梁重量为18.2kN/m，后支点的支反力为626kN。抗倾覆系数为K=抗倾覆力矩/倾覆力矩=（123.3×42×21）/（626×42+123.3×18×9+18.2×22×29）=1.88>1.4，所以满足抗倾覆要求。

3.4 钢梁受力分析

通过MidasCivil软件计算可得各工况状态应力值（见表3），由表中数据可知，钢梁最大弯应力出现在工况1、9、11、13状态，为90.8MPa<210MPa;而在工况13、14作用下的剪应力值最大，达到19.7MPa<120MPa，符合设计规范。

4 结语

近年来，顶推法作为桥梁施工的一种方法正在被普遍使用，对其施工受力性能的研究也不断深入。使用顶推法施工时，为了减小主梁的受力和挠度，往往需要采用临时墩和导梁等辅助设备。本文通过有限元分析了钢箱梁在顶推施工过程中的受力情况，可得出以下结论：

（1）钢梁在工况1、9、11、13状态下的弯曲应力最大，均为顶推过程中钢梁上墩前;

（2）顶推过程中各墩顶支点反力均较小，最大为6066kN，箱梁抗倾覆稳定性为1.88，满足规范要求。

参考文献：

[1]乔亚东.钢箱梁顶推施工钢板梁式钢导梁设计[J].公路交通科技（應用技术版），2011（3）：132-136.

[2]庞建国.钢箱梁顶推箱型导梁设计与施工[J].中国公路，2012（2）：116-117.

[3]JTJ025-86，公路桥涵钢结构及木结构设计规范[S].

[4]GB50017-2003，钢结构设计规范[S].