大跨径钢箱梁桥顶推施工过程仿真分析

张建平,张 楠

（贵州宏信创达工程检测咨询有限公司,贵州 贵阳 550014）

0 引言

随着桥梁施工技术和相关机械设备的发展，顶推法施工已作为架设连续梁桥的先进施工工艺，在世界各国得到了广泛应用[1]。顶推技术在大跨桥梁的建设中显示了较大优势，已在桥梁建设中占据了极其重要的地位[2-3]。

桥梁跨径的增加和其他因素的影响，连续梁桥在顶推过程中出现的一些技术难题成为目前研究的重点。苏魁[4]通过分析发现桥梁顶推过程中，仅可通过优化构件截面和局部构造来解决支点局部受力情况，但其尺寸大小会受到临时支承墩的设计参数限制。蒋雄[5]通过计算分析得到采用软的橡胶垫块能够有效改善滑道处钢箱梁的局部受力性能。张鸿等[6]通过分析发现支座位置处的反力大小是影响钢梁结构局部应力的主要因素，因此在顶推施工控制过程中，支座反力的测定较为关键。董创文等[7]提出了梁体的非应力线性形状的相位和定位基准线的概念，研究了实测瞬时高程基准和固定相位梁的位置，阐明了逐步提高主梁截面非应力线性偏差的数学表达式。项敏[8]通过对顶推滑动面组成材料进行试验对比，合理选择润滑剂，成功克服了顶推中易出现的滑道板起鼓褶皱、脱离更换等问题。夏学军[9]从改善临时墩受力方面、增加临时墩整体性、实现远距离顶推控制要求等方面进行了分析与研究。周建庭[10]提出一种结合无应力状态法理论及应力增量评价法的顶推施工控制方法，指导钢箱梁节段安装定位并进行安装后线形、应力评价。

该文以贵州省顶推施工最大跨度钢箱梁桥—下坝大桥为背景，研究桥梁在结构顶推施工过程中的受力情况，分析数值结果的变化趋势，以确定顶推过程中的重要工况，以便更好地指导施工。

1 工程概况

下坝大桥是双龙航空港经济区物流外环道路工程的控制性工程，钢箱梁顶推段为305 m，跨径组合为（55+105+90+55）m，单幅桥面宽度17 m。

钢箱梁顶宽17 m，梁高4 m。为单箱四室截面，共设5 道腹板；顶板宽度为17 m，厚度根据结构受力特点作变厚度布置，顶板主要厚度有16 mm、20 mm 及28 mm；底板宽度为8.44 m，主要厚度有16 mm、28 mm。顶底板加劲肋均采用U 肋形式。桥面横坡通过变腹板高度使顶板形成1.5%横坡，底板保持水平。箱梁纵向每3 m 设置一道横隔板，每两道横隔板之间设置竖向加劲肋。钢箱梁两侧悬臂宽2.93 m，根部高80 cm，端部高31 cm，纵向每1.5 m 左右设一道悬臂梁，其位置与箱内横隔板、竖肋相对应。

2 整体有限元分析

2.1 有限元模型

采用桥梁结构分析软件Midas Civil 对该桥顶推施工阶段进行仿真分析，钢箱梁和导梁采用梁单元模拟，共计660 个单元、1 007 个节点，临时支撑通过仅受压弹性连接进行模拟。建模要点如下：

（1）钢箱梁每顶推1 m 作为一个施工阶段，每个施工阶段认为结构按照一次落架形成。

（2）墩动梁不动，每顶推一次，通过变更边界条件的方式模拟该阶段支承处的受力情况。

（3）钢箱梁局部构造复杂，容重通过线荷载的方式施加。

2.2 整体分析计算结果

2.2.1 应力及位移

应力和位移是钢箱梁顶推施工控制的2个重要指标。钢箱梁、导梁各工况下应力及位移数据如表1 所示。

表1 梁体应力及位移计算表

由表1 可知：

（1）当钢箱梁顶推至4#墩且前端导梁未上墩时，钢箱梁弯曲应力达到最大值，为-102.6 MPa，此阶段钢箱梁和导梁的位移值也最大，其值分别为-181.3 mm 和-436.2 mm。该阶段钢箱梁悬臂长度为整个顶推过程中的最大值，使得靠近支点处的钢箱梁应力增加，同时钢箱梁产生一定的转角位移，带动整个导梁产生下挠并达到最大值。

（2）当钢箱梁顶推至F3#墩且前端导梁未上墩时，导梁弯曲应力达到最大值，其值为-167.4 MPa，此时导梁的位移值为99.3 mm，表明该阶段导梁端部上挠。分析原因为该阶段F2#墩和4#墩之间的主梁跨径最大，自重原因产生下挠的同时在4#墩产生一定的逆时针转角位移，但因4#墩和F3#墩之间悬臂部分自重引起的转角不足以抵消，致使导梁悬臂部分产生上挠。

2.2.2 墩顶支反力

钢箱梁顶推施工时，每个顶推支架的墩顶支反力随着结构体系的改变而不断变化，是顶推施工过程中重要的控制性因素，也是竖向千斤顶施加顶升力的主要依据。2#~6# 墩、F2#~ F3# 临时墩墩顶支反力数据如表2 所示。

表2 墩顶支反力计算表

由表2 可知，随着顶推距离的增加，除2#墩外，其余桥墩在各个工况下的支反力均有明显的变化趋势，3#墩和4#墩的支反力整体上呈台阶式上升；F2#墩、F3#墩以及5#墩具有明显的突变点，其中F2#墩支反力变化显著，当钢箱梁顶推至4#墩且前端导梁未上墩时，其值为11 479.1 kN，分析原因为该阶段F2#墩和4#墩之间的主梁悬臂长度最大，使得F2#墩支反力取得最大值。

3 局部有限元分析

结合梁体应力、位移以及墩顶最大支反力可知，钢箱梁顶推至4#墩且前端导梁未上墩时为钢箱梁顶推过程中的不利工况。由于钢箱梁结构局部构造比较复杂，局部应力问题也很突出，因此对钢箱梁墩顶处区域进行局部空间有限元分析。

3.1 有限元模型建立

取3 个梁段作为研究对象，使用Midas FEA 建立有限元局部分析模型，采用三维板壳单元模拟，墩顶支反力采用面荷载施加。整体结构模型如图1 所示。

图1 整体结构模型图

3.2 局部分析计算结果

钢箱梁节段主要计算结果见图2~5。

图2 整体应力云图

图3 整体位移云图

图4 底板应力云图

图5 底板位移云图

通过应力云图可知，在钢箱梁顶推至4#墩且前端导梁未上墩时，底板与竖向顶推装置接触区域明显产生较大的应力和位移，最大应力位于腹板正下方，其值为149.2 MPa，小于其容许值295 MPa，表明垫梁强度满足要求。

通过位移云图可知，变形最大位置位于靠近导梁侧腹板下方的底板，其值为4.61mm，底板的局部位置产生竖向挠曲变形的同时带动附近竖肋产生横向弯曲。

4 结论

（1）顶推过程中钢箱梁和导梁的应力、位移出现两种典型工况，当钢箱梁顶推至4#墩且前端导梁未上墩时，钢箱梁弯曲应力达到最大值-102.6 MPa，钢箱梁和导梁的位移值同时达到最大，分别为-181.3 mm、-436.2 mm。当钢箱梁顶推至F3#墩且前端导梁未上墩时，导梁弯曲应力达到最大值，其值为-167.4 MPa，此时导梁的位移值为99.3 mm。

（2）当钢箱梁顶推至4#墩且前端导梁未上墩时，F2#墩支反力变化显著，其值为11 479.1 kN，确定了钢箱梁顶推过程中的最不利工况。

（3）底板与竖向顶推装置接触区域明显产生较大的应力和位移，最大应力149.2 MPa 位于腹板正下方，该处位移4.61 mm。顶推过程中，应对该位置处的应力、位移引起重视，避免因操作不当引起底板及附属构件局部应力超限。