徐金華，楊 磊

(1.山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西太原 030012;2.山西省公路局，山西太原 030006)

0 引言

頂推施工法因其施工設(shè)備輕型簡便、施工工廠化程度高、不影響橋下通航或行車以及施工安全干擾少等優(yōu)點(diǎn)而在世界橋梁建設(shè)中被廣泛采用。頂推連續(xù)梁的形成方式與其它施工方式有顯著區(qū)別，它的形成是先由懸臂梁到簡支梁再到連續(xù)梁，先由雙跨連續(xù)梁再到多跨連續(xù)梁直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求的跨數(shù)。隨著主梁節(jié)段逐漸向?qū)Π锻七M(jìn)，將使全橋的每個(gè)截面的內(nèi)力呈反復(fù)性變化，其施工狀態(tài)的受力情況與成橋狀態(tài)的受力情況相差較大，為改善結(jié)構(gòu)在施工階段受力的不利狀態(tài)，通常在頂推梁的最前端設(shè)置自重較輕且具有一定剛度的臨時(shí)導(dǎo)梁，從而增大頂推的跨徑。導(dǎo)梁的合理與否將直接影響主梁的受力情況，因此許多學(xué)者對如何確定導(dǎo)梁的合理參數(shù)進(jìn)行深入的研究:如王衛(wèi)鋒、董創(chuàng)文、田仲初［1～3］等利用結(jié)構(gòu)力學(xué)位移法建立簡化的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，詳細(xì)推導(dǎo)出計(jì)算最優(yōu)的導(dǎo)梁參數(shù)值的公式;上官興、田啟軍，陳湘林［4，5］等卻在施工工藝上對導(dǎo)梁的制作進(jìn)行了闡述;喬亞東［6］對某大橋頂推鋼導(dǎo)梁設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。

以上學(xué)者均未對導(dǎo)梁錨固區(qū)(為論述方便，將導(dǎo)梁與主梁的結(jié)合部簡稱為導(dǎo)梁錨固區(qū))的受力情況進(jìn)行分析，本文將以營盤東路瀏陽河大橋頂推施工為研究對象，對連續(xù)梁頂推施工導(dǎo)梁錨固區(qū)的受力特性進(jìn)行研究。筆者利用MIDAS/Civil軟件進(jìn)行頂推整體有限元分析，確定導(dǎo)梁錨固區(qū)最不利工況，在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用ANSYS建立實(shí)體模型對其局部受力進(jìn)行分析，以期為頂推施工的順利進(jìn)行提供保障。

1 工程概況

營盤東路瀏陽河大橋是長沙東西主干道的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)工程，其主橋采用(48.0+3×59.0+48.0)m新穎獨(dú)特的“類雙層”預(yù)應(yīng)力混凝土頂推連續(xù)箱梁，該橋集斜交、豎曲線、“類雙層”預(yù)應(yīng)力混凝土頂推連續(xù)梁為一體，橋梁沿營盤東路上跨長善路、瀏陽河及濱河路，其立面布置圖如圖1所示。主橋上部結(jié)構(gòu)采用單箱雙室等高連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，梁高為3.508m，單幅橋?qū)?2.8m，梁底寬14.65m，梁底兩側(cè)分別懸挑出4m和3.65m懸臂板，外側(cè)懸挑4m處布置非機(jī)動(dòng)車道，這種設(shè)置創(chuàng)造性地將人行道與機(jī)動(dòng)車道進(jìn)行了分離，增強(qiáng)人行通行的安全性，主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖如圖2所示。

2 鋼導(dǎo)梁設(shè)計(jì)

目前頂推施工中常用的導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)主要有兩種:一種是由桿件拼裝形成的桁架梁;另一種是工字型變截面鋼板梁。桁架梁雖具有重復(fù)利用率高、抗風(fēng)性能好、自重輕等優(yōu)點(diǎn)，但也有其不可忽視的缺點(diǎn)。作為桁架結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)受力是其主要特點(diǎn)，在頂推的過程中，桁架弦桿承受集中荷載性能較差，且節(jié)點(diǎn)多，加工復(fù)雜，隨著頂推箱梁沿著大跨、寬箱梁的發(fā)展，桁架梁也將逐漸被淘汰。鋼板導(dǎo)梁一般采用工字形截面，通過縱、橫向聯(lián)系將兩根工字形主梁連接起來，根據(jù)頂推前端主梁支點(diǎn)彎矩最小的原則，從而可確定導(dǎo)梁的長度，在此基礎(chǔ)上可根據(jù)頂推過程各個(gè)截面內(nèi)力確定合理的頂、底板的寬度和厚度。鋼導(dǎo)梁因其受力明確，能很好地適應(yīng)頂推過程中各點(diǎn)局部受力而被廣泛采用。

圖1 營盤東路瀏陽河大橋主橋立面圖(單位:m)

圖2 營盤東路瀏陽河大橋主橋標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位:cm)

在箱梁自重較大且進(jìn)行曲線頂推時(shí)，為承受較大的彎矩及便于導(dǎo)梁在支撐結(jié)構(gòu)上進(jìn)行順暢滑動(dòng)，在實(shí)際工程中常采用工字形變截面鋼導(dǎo)梁進(jìn)行頂推施工。營盤東路瀏陽河大橋縱斷面位于 R=2734m的豎曲線上，為了確保梁體的合理線性，減少結(jié)構(gòu)的二次內(nèi)力，因而本工程采用了受力明確、拼裝簡單、適應(yīng)性好的工字形變截面實(shí)腹鋼導(dǎo)梁形式，導(dǎo)梁具體構(gòu)造如圖3所示。

圖3 瀏陽河導(dǎo)梁立面圖(單位:cm)

3 結(jié)構(gòu)有限元分析

3.1 結(jié)構(gòu)有限元整體分析

3.1.1 建立有限元整體模型

瀏陽河大橋頂推施工的工藝流程如圖4所示，箱梁采用分段澆筑，逐段頂推，共分為9段進(jìn)行預(yù)制，其中第1段及第九段長為33.25m，其他段長為29.5m，將箱梁在預(yù)制平臺(tái)上進(jìn)行預(yù)制，然后由由東岸向西岸交替進(jìn)行頂推，直到頂推完成再拆除導(dǎo)梁。在永久墩5#墩與10#墩之間布置5個(gè)臨時(shí)墩L1#～L5#，為順利進(jìn)行頂推，需在頂推前將預(yù)制箱梁從預(yù)制平臺(tái)起落至預(yù)制平臺(tái)滑道臨時(shí)支撐墩Z1#～Z4#上。根據(jù)頂推施工的特點(diǎn)，采用有限元分析軟件MIDAS/Civil建立模型并進(jìn)行仿真計(jì)算，采用空間梁單元模擬導(dǎo)梁、主梁，利用只受壓的彈性支承來模擬頂推平臺(tái)、臨時(shí)墩、永久墩對導(dǎo)梁、主梁的豎向支撐作用。本橋采用的是工字型的鋼導(dǎo)梁，為模擬方便，按照剛度相等的原則將兩排工字鋼等效為單根工字鋼的形式。通過建模助手建立正橋頂推仿真計(jì)算模型，為了準(zhǔn)確模擬斜度對結(jié)構(gòu)的受力影響，采用正橋斜支座的思想，修改邊界條件，即將所有的正支座均偏移11°變成斜支座，從而形成斜梁頂推施工全過程仿真模型，如圖5所示。

圖4 頂推施工過程圖

圖5 計(jì)算模型示意圖

3.1.2 計(jì)算結(jié)果分析

依據(jù)營盤路瀏陽大橋施工方案及導(dǎo)梁設(shè)計(jì)圖紙，運(yùn)用MIDAS/Civil2010對結(jié)構(gòu)頂推全過程進(jìn)行仿真計(jì)算，可得出頂推過程中導(dǎo)梁錨固區(qū)截面的彎矩包絡(luò)圖如圖6所示，剪力包絡(luò)圖如圖7所示。

圖6 導(dǎo)梁錨固區(qū)截面的彎矩包絡(luò)圖

圖7 導(dǎo)梁錨固區(qū)剪力包絡(luò)圖

就頂推施工而言，導(dǎo)梁錨固區(qū)最大彎矩和其根部承受的最大支點(diǎn)反力將是導(dǎo)梁設(shè)計(jì)的控制因素。因此，需要分析頂推過程中彎矩與反力的變化情況，從整體計(jì)算結(jié)果可以得出，當(dāng)導(dǎo)梁處于最大懸臂狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)梁錨固區(qū)將出現(xiàn)最大負(fù)彎矩，其值為8071kN·m;導(dǎo)梁錨固區(qū)最大正彎矩出現(xiàn)在頂推第三梁段第12工況(即當(dāng)導(dǎo)梁過臨時(shí)墩L2#16m，見圖8)時(shí)，其值為19422kN·m。

圖8 導(dǎo)梁與主梁結(jié)合截面產(chǎn)生最大正彎矩工況

為確保箱梁頂推過程中主梁與導(dǎo)梁的有效連接，確保結(jié)構(gòu)在受彎狀態(tài)下彎矩形成的拉力或壓力能傳遞到混凝土箱梁中，避免在頂推過程中混凝土錨固區(qū)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，對錨固區(qū)進(jìn)行加強(qiáng)處理，在導(dǎo)梁錨固區(qū)的上、下緣配置縱向預(yù)應(yīng)鋼束，其上、下緣分別配置了32根、40根Φ32預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼，單根張拉噸位為58.6t，即在錨固區(qū)的上緣配置了1817t的預(yù)應(yīng)力、下緣配置了2272t的預(yù)應(yīng)力，其箱梁與導(dǎo)梁連接預(yù)應(yīng)力束如圖9所示。

圖9 箱梁與導(dǎo)梁連接預(yù)應(yīng)力束圖(單位:cm)

3.2 結(jié)構(gòu)有限元局部建立

3.2.1 建立有限元局部模型

導(dǎo)梁錨固區(qū)在頂推過程中將承受反復(fù)的荷載作用，局部受力復(fù)雜，為確保結(jié)構(gòu)受力安全需對其進(jìn)行空間有限元分析，運(yùn)用ANSYS對其受力最不利工況(見圖8)進(jìn)行分析。在大型有限元分析軟件ANSYS中，可用于模擬主梁、導(dǎo)梁各板件及兩者之間的連接單元類型有很多，因此需要綜合考慮計(jì)算精度、模型建立的難易程度以及計(jì)算時(shí)間等因素，選擇合適的單元對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。本文采用有限元軟ANSYS11.0建立三維有限元實(shí)體模型，采用殼單元shell63模擬導(dǎo)梁，采用梁單元beam3模擬導(dǎo)梁的橫向聯(lián)系，采用實(shí)體單元SOLID65模擬頂推混凝土箱梁，對于導(dǎo)梁錨固區(qū)的預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼筋用link10進(jìn)行模擬，預(yù)應(yīng)力的模擬方法有降溫法與初應(yīng)變法，降溫方式比較簡單，同時(shí)可以設(shè)定預(yù)應(yīng)力鋼筋不同位置的預(yù)應(yīng)力的不同分布，能夠?qū)︻A(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行模擬，因此本模型采用降溫方式模擬預(yù)應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的作用［7］。鑒于模擬導(dǎo)梁錨固區(qū)的兩種單元的自由度不相同，需要建立“約束方程”，其基本方法為:在殼與實(shí)體單元的連接部位建立豎向剛性線，選擇連接區(qū)域的節(jié)點(diǎn)，利用CERIG命令自動(dòng)生成約束方程，其命令如 CERIG，1，ALL，UX，UZ，其中“X”為縱橋向方向，“Y”為豎橋向方向，“Z”為橫橋向方向，模型的部分結(jié)構(gòu)圖如圖10所示。

圖10 有限元分析局部模型

3.2.2 計(jì)算結(jié)果分析

對最不利工況下導(dǎo)梁錨固區(qū)截面應(yīng)力進(jìn)行分析，其正應(yīng)力云圖與主拉應(yīng)力云圖如圖11、圖12所示。

圖11 導(dǎo)梁錨固區(qū)正應(yīng)力云圖(單位:Pa)

圖12 導(dǎo)梁錨固區(qū)主拉應(yīng)云圖(單位:Pa)

由圖11和圖12分析可得，在最大正彎矩作用下，導(dǎo)梁錨固區(qū)截面最大正應(yīng)力發(fā)生在橫隔板內(nèi)部，為0.2MPa，主拉應(yīng)力最大值為 2.0MPa，出現(xiàn)在底板的梗腋處，主拉應(yīng)力最小值為－1.2MPa，位于中腹板處;從正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可以得出，導(dǎo)梁錨固區(qū)大部分區(qū)域處于受壓狀態(tài)，中間區(qū)域處于受拉狀態(tài)，但是拉應(yīng)力較少，從主拉應(yīng)力結(jié)果分析可得，導(dǎo)梁錨固區(qū)的主拉應(yīng)力略超過混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，主要發(fā)生在底板的梗腋處，該區(qū)域范圍較少，根據(jù)圣維南原理，這種應(yīng)力突變值可以考慮剔除，且在計(jì)算中未考慮普遍鋼筋的作用，根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為該應(yīng)力不會(huì)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危害，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)論

以營盤東路瀏陽河大橋頂推施工為研究對象，利用MIDAS/Civil軟件建立頂推整體有限元模型，并對其進(jìn)行仿真分析，得到了導(dǎo)梁錨固區(qū)的最不利受力工況，在此基礎(chǔ)上，建立導(dǎo)梁錨固區(qū)的局部模型，通過計(jì)算得到導(dǎo)梁錨固區(qū)的受力情況，得出如下結(jié)論:在最不利工況時(shí)，導(dǎo)梁錨固區(qū)最大正應(yīng)力發(fā)生在橫隔板內(nèi)部，為0.2MPa，其主拉應(yīng)力最大值為2.0MPa，出現(xiàn)在底板的梗腋處，計(jì)算結(jié)果表明導(dǎo)梁錨固區(qū)大部分區(qū)域處于受壓狀態(tài)，部分區(qū)域處于受拉狀態(tài)，該區(qū)域范圍較少，根據(jù)圣維南原理，這種應(yīng)力突變值可以考慮剔除，且在計(jì)算中未考慮普遍鋼筋的作用，根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為該應(yīng)力不會(huì)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危害，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

［1］王衛(wèi)鋒，林俊鋒，馬文田.橋梁頂推施工導(dǎo)梁的優(yōu)化分析［J］.工程力學(xué)，2007(2):132－138.

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［3］田仲初，張華平.頂推施工中導(dǎo)梁的合理配置［J］.世界橋梁，2005(2):41－43.

［4］上官興，付書林，萬 藝，等.中國橋梁頂推技術(shù)綜述［C］.組合橋梁和頂推技術(shù)應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議，2010.

［5］田啟軍，陳湘林.頂推施工中導(dǎo)梁的應(yīng)用與錨固措施的優(yōu)化［J］.中外公路，2003(6):38 －40.

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