基于ANSYS的特大桥钢箱梁顶推过程受力分析

2021-10-22杨龙涛

工程与建设 2021年4期

杨龙涛

(中交二公局第五工程有限公司，陕西西安 710119)

0 引言

特大桥钢箱梁的顶推施工法相比于其他施工方法拥有工业化程度较高、施工过程中占地面积较小、机械设备简便等优点，因此在发明出来以后就被迅速推广，并时常应用于桥梁施工工程中，并且在中大型跨径桥梁施工中拥有较强竞争力。随着科技的不断更新换代，顶推设备也在不断推陈出新，因此顶推法所适用的工程范围也在逐渐扩大[1]。这样一来，就会有很多使用传统施工方式不会出现的施工问题出现在施工现场。因此，本文基于ANSYS软件对特大桥钢箱梁顶推过程进行受力分析。

1 工程背景

本桥梁工程路线总长为3 070.18 m，由美里北路交叉口出发，经过郑家店东侧，跨越南岸堤顶、黄河、北岸堤顶，止于G309交叉口处。整个工程包括主桥部分、南北岸引桥、匝道桥梁等；主桥长度1170 m，南岸引桥长度680 m，北岸引桥长度670 m，匝道总长560 m。其中，主桥的总体布置图如图1所示。

图1 主桥总体布置图

在图1中，主桥的上部采用下承式结构，通过网状吊杆建设拱桥地基，下部的梁面宽约60.7 m，高约4.0 m。其中主跨梁最长，约420 m。而拱肋的水平投影只有69.5 m，第二长的跨梁长约280 m。拱肋的表面采用五边形钢箱作为截面，桥梁底部的吊杆全部采用强度为400 MPa的超高应力幅钢绞线拉索，呈网状布置。在钢箱梁进行拼装、顶推施工的过程中，有一些临时结构，包括钢箱梁拼装平台、临时墩、墩旁支架、支栈桥、钻孔平台及导梁等。本工程根据钢箱梁拼装、顶推施工、拱肋安装的施工工艺进行钢箱梁施工大临结构的布置及设计，根据受力计算，在P19与P20墩之间的淤背区搭设钢箱梁拼装平台，平台约长40.6 m，另在全桥共设置13个临时墩，最大跨度间距为73 m。

2 特大桥钢箱梁顶推过程受力分析研究

2.1 ANSYS有限元仿真计算

在工程设计方面，能够进行有限元分析的ANSYS软件是最有效的计算工具。ANSYS软件拥有十分强大的分析功能，是一款能够解决复杂工程问题的可视化计算软件。在以矩阵计算为基础的前提下，能够将所有计算功能集合在一个环境下，实现数学模型的仿真以及工程绘图应用程序的开发与设计。因此，在使用ANSYS软件的前提下，可以将特大桥钢箱梁顶推过程的受力问题做出分析和处理，并以此实现对于特大桥钢箱梁顶推过程的优化。

在基于ANSYS的有限元顶推仿真计算中，将特大桥钢箱梁向前顶推1 m的过程作为一个单元，因此全桥共有3 070个单元，以此在ANSYS中建立特大桥的顶推平面模型如图2所示。

图2 特大桥顶推平面模型

根据“一次落架法”的原理，本次桥梁建设工程采用“梁不动，支承体系随施工阶段变化而变化”的方法，运用ANSYS软件对全桥建设的顶推过程进行仿真。钢箱梁弯矩的仿真图像与临时反力在施工过程中的变化图像如图3所示。

图3 钢箱梁弯矩的仿真图像

如图3所示，在这个特大桥的临时墩支点中，反力是特大桥的临时墩在顶推过程中所负担的主要作用力，同样可以作为本工程的临时墩控制应力的主要途径，在墩顶上方设置一个千斤顶，并将顶推过程中所受的作用力完全控制，就可以保证这种应力能够作为桥梁工程中钢箱梁顶推施工全局稳定的关键作用力之一[2]。因此可以通过整理支点反力结果，推导顶推过程中支点反力的变化趋势，如图4所示。

图4 临时反力在施工过程中的变化图像

在以上两幅图像中，可以清楚地看出特大桥的钢箱梁跟随顶推工况的最大正弯矩超过70 000 kN·m，而最小负弯矩则能够达到-120 000 kN·m，特大桥临时墩能够提供的最大反力达到7 500 kN。根据事先提供的资料来看，由于研究区所建设的特大桥钢箱梁顶推施工过程中所包含的钢导梁是变截面钢板梁，因此在使用解析法确定梁体自重荷载集度以及抗弯刚度时，需要将这两个常量进行等效处理，并取得其等效替换值直接计算[3]。这个计算过程中的主要公式如下所示：

(1)

式中:β、γ均为参数。通过以上公式，计算出两种临时力，并由此引发以下问题，包括如何控制施工过程，如何满足能够使钢箱梁及各临时力受到制值的要求等。

2.2 实际工程中顶推过程受力问题分析

根据以上计算公式及受力模型的讨论，可以得到特大桥钢箱梁顶推过程中的部分施工步骤示意图如图5所示。

图5 特大桥钢箱梁顶推过程示意图

如图，当本工程中特大桥钢箱梁顶推施工过程从图5所示的第一阶段进行到第二阶段时，3#墩顶的钢箱梁底部会因为受力问题而无法将顶推过程进行到5#墩顶，假设施工人员贸然增高至5#墩顶的高度，则5#墩顶就会彻底将钢箱梁与墩顶底部相脱离。这样的钢箱梁施工方式使得整个钢箱梁的重量需要完全由有限元分析软件来进行事先设计，寻找最优方法使4#墩顶能够承受这个临时反力。而又因为特大桥钢箱梁的重量本身就相对较大，所以在一定的前提下，能够直接在桥梁工程建设中呈现出如图3或图4所示的钢箱梁受力超标情况。此时的3#墩顶需要由施工人员适当将这些用来分担钢箱梁重量的设备向上调整，使标高的重量均匀分布，才能达到受力平衡。

在第二阶段向第三阶段进行的过程中，特大桥钢箱梁4#墩顶的底部也缺乏应力作用产生的线形标高，这些应力值低于4#墩顶的标高就是图5中的第三阶段应力变化曲线。但是因为临时建设的墩顶通常具备较大的刚度，其竖向方向的变形能力较差，导致特大桥钢箱梁的实际受力曲线会如图5中的第三幅图一样，直接导致4#墩顶中的特大桥钢箱梁与特大桥临时墩顶之间产生一定的位置偏移，被迫迁移临时墩顶。4#墩顶的受力就会出现较大的误差，导致出现图3和图4中的结构受力超标现象。

在特大桥钢箱梁的顶推过程中，可以适当调整其他各临时墩的位置，如图5所示，但是绝不能调整5#墩顶以后的钢箱梁。而绝大多数拥有较大跨度的连续曲线特大桥钢箱梁在进行到顶推施工时，也需要根据具体情况调整临时墩顶的水平位置及高度，以确保整个研究对象的受力安全。因此在实际施工时，可以适当考虑施工的安全性，对钢箱梁水平位置及标高进行适当的调整。