楊龍濤

(中交二公局第五工程有限公司，陜西 西安 710119)

0 引 言

特大橋鋼箱梁的頂推施工法相比于其他施工方法擁有工業(yè)化程度較高、施工過程中占地面積較小、機(jī)械設(shè)備簡便等優(yōu)點(diǎn)，因此在發(fā)明出來以后就被迅速推廣，并時(shí)常應(yīng)用于橋梁施工工程中，并且在中大型跨徑橋梁施工中擁有較強(qiáng)競爭力。隨著科技的不斷更新?lián)Q代，頂推設(shè)備也在不斷推陳出新，因此頂推法所適用的工程范圍也在逐漸擴(kuò)大[1]。這樣一來，就會(huì)有很多使用傳統(tǒng)施工方式不會(huì)出現(xiàn)的施工問題出現(xiàn)在施工現(xiàn)場。因此，本文基于ANSYS軟件對特大橋鋼箱梁頂推過程進(jìn)行受力分析。

1 工程背景

本橋梁工程路線總長為3 070.18 m，由美里北路交叉口出發(fā)，經(jīng)過鄭家店東側(cè)，跨越南岸堤頂、黃河、北岸堤頂，止于G309交叉口處。整個(gè)工程包括主橋部分、南北岸引橋、匝道橋梁等；主橋長度1170 m，南岸引橋長度680 m，北岸引橋長度670 m，匝道總長560 m。其中，主橋的總體布置圖如圖1所示。

圖1 主橋總體布置圖

在圖1中，主橋的上部采用下承式結(jié)構(gòu)，通過網(wǎng)狀吊桿建設(shè)拱橋地基，下部的梁面寬約60.7 m，高約4.0 m。其中主跨梁最長，約420 m。而拱肋的水平投影只有69.5 m，第二長的跨梁長約280 m。拱肋的表面采用五邊形鋼箱作為截面，橋梁底部的吊桿全部采用強(qiáng)度為400 MPa的超高應(yīng)力幅鋼絞線拉索，呈網(wǎng)狀布置。在鋼箱梁進(jìn)行拼裝、頂推施工的過程中，有一些臨時(shí)結(jié)構(gòu)，包括鋼箱梁拼裝平臺(tái)、臨時(shí)墩、墩旁支架、支棧橋、鉆孔平臺(tái)及導(dǎo)梁等。本工程根據(jù)鋼箱梁拼裝、頂推施工、拱肋安裝的施工工藝進(jìn)行鋼箱梁施工大臨結(jié)構(gòu)的布置及設(shè)計(jì)，根據(jù)受力計(jì)算，在P19與P20墩之間的淤背區(qū)搭設(shè)鋼箱梁拼裝平臺(tái)，平臺(tái)約長40.6 m，另在全橋共設(shè)置13個(gè)臨時(shí)墩，最大跨度間距為73 m。

2 特大橋鋼箱梁頂推過程受力分析研究

2.1 ANSYS有限元仿真計(jì)算

在工程設(shè)計(jì)方面，能夠進(jìn)行有限元分析的ANSYS軟件是最有效的計(jì)算工具。ANSYS軟件擁有十分強(qiáng)大的分析功能，是一款能夠解決復(fù)雜工程問題的可視化計(jì)算軟件。在以矩陣計(jì)算為基礎(chǔ)的前提下，能夠?qū)⑺杏?jì)算功能集合在一個(gè)環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型的仿真以及工程繪圖應(yīng)用程序的開發(fā)與設(shè)計(jì)。因此，在使用ANSYS軟件的前提下，可以將特大橋鋼箱梁頂推過程的受力問題做出分析和處理，并以此實(shí)現(xiàn)對于特大橋鋼箱梁頂推過程的優(yōu)化。

在基于ANSYS的有限元頂推仿真計(jì)算中，將特大橋鋼箱梁向前頂推1 m的過程作為一個(gè)單元，因此全橋共有3 070個(gè)單元，以此在ANSYS中建立特大橋的頂推平面模型如圖2所示。

圖2 特大橋頂推平面模型

根據(jù)“一次落架法”的原理，本次橋梁建設(shè)工程采用“梁不動(dòng)，支承體系隨施工階段變化而變化”的方法，運(yùn)用ANSYS軟件對全橋建設(shè)的頂推過程進(jìn)行仿真。鋼箱梁彎矩的仿真圖像與臨時(shí)反力在施工過程中的變化圖像如圖3所示。

圖3 鋼箱梁彎矩的仿真圖像

如圖3所示，在這個(gè)特大橋的臨時(shí)墩支點(diǎn)中，反力是特大橋的臨時(shí)墩在頂推過程中所負(fù)擔(dān)的主要作用力，同樣可以作為本工程的臨時(shí)墩控制應(yīng)力的主要途徑，在墩頂上方設(shè)置一個(gè)千斤頂，并將頂推過程中所受的作用力完全控制，就可以保證這種應(yīng)力能夠作為橋梁工程中鋼箱梁頂推施工全局穩(wěn)定的關(guān)鍵作用力之一[2]。因此可以通過整理支點(diǎn)反力結(jié)果，推導(dǎo)頂推過程中支點(diǎn)反力的變化趨勢，如圖4所示。

圖4 臨時(shí)反力在施工過程中的變化圖像

在以上兩幅圖像中，可以清楚地看出特大橋的鋼箱梁跟隨頂推工況的最大正彎矩超過70 000 kN·m，而最小負(fù)彎矩則能夠達(dá)到-120 000 kN·m，特大橋臨時(shí)墩能夠提供的最大反力達(dá)到7 500 kN。根據(jù)事先提供的資料來看，由于研究區(qū)所建設(shè)的特大橋鋼箱梁頂推施工過程中所包含的鋼導(dǎo)梁是變截面鋼板梁，因此在使用解析法確定梁體自重荷載集度以及抗彎剛度時(shí)，需要將這兩個(gè)常量進(jìn)行等效處理，并取得其等效替換值直接計(jì)算[3]。這個(gè)計(jì)算過程中的主要公式如下所示：

(1)

式中:β、γ均為參數(shù)。通過以上公式，計(jì)算出兩種臨時(shí)力，并由此引發(fā)以下問題，包括如何控制施工過程，如何滿足能夠使鋼箱梁及各臨時(shí)力受到制值的要求等。

2.2 實(shí)際工程中頂推過程受力問題分析

根據(jù)以上計(jì)算公式及受力模型的討論，可以得到特大橋鋼箱梁頂推過程中的部分施工步驟示意圖如圖5所示。

圖5 特大橋鋼箱梁頂推過程示意圖

如圖，當(dāng)本工程中特大橋鋼箱梁頂推施工過程從圖5所示的第一階段進(jìn)行到第二階段時(shí)，3#墩頂?shù)匿撓淞旱撞繒?huì)因?yàn)槭芰栴}而無法將頂推過程進(jìn)行到5#墩頂，假設(shè)施工人員貿(mào)然增高至5#墩頂?shù)母叨龋瑒t5#墩頂就會(huì)徹底將鋼箱梁與墩頂?shù)撞肯嗝撾x。這樣的鋼箱梁施工方式使得整個(gè)鋼箱梁的重量需要完全由有限元分析軟件來進(jìn)行事先設(shè)計(jì)，尋找最優(yōu)方法使4#墩頂能夠承受這個(gè)臨時(shí)反力。而又因?yàn)樘卮髽蜾撓淞旱闹亓勘旧砭拖鄬^大，所以在一定的前提下，能夠直接在橋梁工程建設(shè)中呈現(xiàn)出如圖3或圖4所示的鋼箱梁受力超標(biāo)情況。此時(shí)的3#墩頂需要由施工人員適當(dāng)將這些用來分擔(dān)鋼箱梁重量的設(shè)備向上調(diào)整，使標(biāo)高的重量均勻分布，才能達(dá)到受力平衡。

在第二階段向第三階段進(jìn)行的過程中，特大橋鋼箱梁4#墩頂?shù)牡撞恳踩狈?yīng)力作用產(chǎn)生的線形標(biāo)高，這些應(yīng)力值低于4#墩頂?shù)臉?biāo)高就是圖5中的第三階段應(yīng)力變化曲線。但是因?yàn)榕R時(shí)建設(shè)的墩頂通常具備較大的剛度，其豎向方向的變形能力較差，導(dǎo)致特大橋鋼箱梁的實(shí)際受力曲線會(huì)如圖5中的第三幅圖一樣，直接導(dǎo)致4#墩頂中的特大橋鋼箱梁與特大橋臨時(shí)墩頂之間產(chǎn)生一定的位置偏移，被迫遷移臨時(shí)墩頂。4#墩頂?shù)氖芰蜁?huì)出現(xiàn)較大的誤差，導(dǎo)致出現(xiàn)圖3和圖4中的結(jié)構(gòu)受力超標(biāo)現(xiàn)象。

在特大橋鋼箱梁的頂推過程中，可以適當(dāng)調(diào)整其他各臨時(shí)墩的位置，如圖5所示，但是絕不能調(diào)整5#墩頂以后的鋼箱梁。而絕大多數(shù)擁有較大跨度的連續(xù)曲線特大橋鋼箱梁在進(jìn)行到頂推施工時(shí)，也需要根據(jù)具體情況調(diào)整臨時(shí)墩頂?shù)乃轿恢眉案叨?，以確保整個(gè)研究對象的受力安全。因此在實(shí)際施工時(shí)，可以適當(dāng)考慮施工的安全性，對鋼箱梁水平位置及標(biāo)高進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

3 結(jié)束語

上文對橋梁施工過程中的頂推法施工進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并以工程中的橋梁施工為研究對象，對于其進(jìn)行有限元的參數(shù)分析以及受力特點(diǎn)研究。在這樣的計(jì)算環(huán)境下，得到特大橋鋼箱梁頂推過程中的受力分析，并以此計(jì)算更加省力頂推方式，對橋梁頂推方法進(jìn)行優(yōu)化。