范鵬　李志成

摘 ?要：依托某帶導(dǎo)梁鋼箱梁頂推施工工程，通過Midas Civil軟件建立鋼箱梁全橋細化模型，研究了在頂推施工過程中導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)在不同計算工況下的受力變化。考慮不同工況下對應(yīng)的邊界條件和施工荷載施加等因素，分析計算了施工全工況下及結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變。研究結(jié)果表明：在不同施工階段下，結(jié)構(gòu)受力均滿足規(guī)范要求，導(dǎo)梁在斜交鋼箱梁頂推施工過程中存在扭轉(zhuǎn)變形的現(xiàn)象，對其結(jié)構(gòu)受力不利應(yīng)重點關(guān)注。

關(guān)鍵詞：鋼箱梁? 頂推施工? 導(dǎo)梁 ?受力分析

中圖分類號：U445.462????????? 文獻標識碼：A

Force Analysis of Guide Beam Structure in the Incremental Launching Construction of Steel Box Girders

FAN Peng LI Zhicheng

（1. Yancheng Emergency Disposal Center for Highway Maintenance， Yancheng， Jiangsu Province， 224000 China；2. Hohai University， Nanjing， Jiangsu Province， 210098 China）

Abstract： Relying on the incremental launching construction project of a steel box girder with the guide beam， this paper establishes a refined model of the whole steel box girder bridge by Midas Civil software， and studies the force changes of the guide beam structure under different calculation conditions during incremental launching construction. Considering the factors such as the corresponding boundary conditions and construction load application under different working conditions， this paper analyzes and calculates the stress and strain of the whole construction condition and the structure. The results show that under different construction stages， the force of the structure meets the requirements of the code， and that the guide beam has torsional deformation during the incremental launching construction of the skew steel box girder， so the unfavorable force of the structure should be paid more attention to.

Key Words： Steel box girder; Incremental launching construction; Guide beam; Force analysis

近年來，我國交通建設(shè)發(fā)展迅速，其中公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也不斷深入。隨著近年橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計及橋梁構(gòu)件施工制造水平的不斷提升，國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)橋梁數(shù)量與日俱增。頂推施工法相對其他施工方法具有不影響橋下交通或通航的優(yōu)勢，得到了廣泛應(yīng)用^[1]。頂推施工工法包含了多個關(guān)鍵施工技術(shù)，如臨時墩、滑移平臺和導(dǎo)梁等結(jié)構(gòu)，其中導(dǎo)梁的使用可以減少結(jié)構(gòu)最大懸臂長度，改善主梁受力狀態(tài)，提高施工安全性。導(dǎo)梁在頂推過程中周期性地動態(tài)地呈現(xiàn)懸臂、簡支，直接影響著導(dǎo)梁受力狀態(tài)，使得導(dǎo)梁的內(nèi)力變化也呈現(xiàn)周期性變化。

謝福君等人^[2]通過有限元模擬對導(dǎo)梁的各個設(shè)計參數(shù)對頂推過程中主梁的應(yīng)力和變形的影響進行對比分析，結(jié)果表明：導(dǎo)梁的長度及平均線重度對導(dǎo)梁根部的彎矩的影響較大，呈線形關(guān)系。翼偉等人^[3]基于位移法原理建立節(jié)點平衡方程，推導(dǎo)出符合實際工程算例的導(dǎo)梁參數(shù)優(yōu)化計算公式，可適用于多種橋梁結(jié)構(gòu)形式的導(dǎo)梁優(yōu)化。研究表明：在實橋算例中，導(dǎo)梁的最優(yōu)長度比、單位荷載集度比及抗彎剛度比分別為 0.78、0.14 及 0.39。翟相飛^[4]基于有限元模擬，分析了施工預(yù)拱度值和各節(jié)段之間的位移變形值，并針對大跨度鋼箱梁現(xiàn)場焊接裝配精度要求高的特點，提出了鋼箱梁安裝精度和質(zhì)量控制的新方法。林華彬^[5]以某跨海大橋施工監(jiān)控為例，建立全橋桿系有限元模型，分析了梯度溫度對線形監(jiān)測的影響，結(jié)果表明：橋梁的首個大節(jié)段對梯度溫度最為敏感。時曉曄等人^[6]通過數(shù)值模擬的方法，對4種不同導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)加固方案進行了對比分析，研究發(fā)現(xiàn)：縱向加勁肋優(yōu)于豎向加勁肋的效果，且結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場施工條件，選用了兩排縱向加勁肋進行加固，加固后的導(dǎo)梁在后續(xù)頂推施工過程中未發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)在鋼箱梁頂推施工中的受力狀態(tài)呈周期性變化，考慮到導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)為工字型鋼材，其局部應(yīng)力直接影響結(jié)構(gòu)的安全，故需對導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力進行進一步的研究。本文通過有限元模擬計算的方式，分析全施工工況下導(dǎo)梁的受力情況以及撓度變形，得到導(dǎo)梁在頂推施工中的應(yīng)力變化規(guī)律，并為同類工程提供相應(yīng)的設(shè)計和施工上的指導(dǎo)。

1? 工程概況

本文依托工程連續(xù)鋼箱梁一連三跨共154 m，橋梁上跨鹽靖高速， 采用三跨連續(xù)鋼箱梁，路線中心線處跨徑布置為42 m+70 m+42 m。主橋上部結(jié)構(gòu)采用全焊單箱三室截面鋼箱梁，輔道上部結(jié)構(gòu)采用全焊單箱單室截面鋼箱梁，主橋?qū)挾?8 m，左輔道、右輔道寬均為9.775 m，梁高 3.0 m。輔道由于路線中心偏離結(jié)構(gòu)中心較遠，橫隔板及腹板豎向加勁肋沿結(jié)構(gòu)中心線布置。

2? 有限元模型

現(xiàn)場施工為頂推與吊裝相結(jié)合，其中129 m為頂推鋼箱梁，剩余25 m為吊裝鋼箱梁。主梁結(jié)構(gòu)為單箱三室鋼箱梁，材料采用Q345qD，全寬20.8 m，兩側(cè)采用1.9 m長的懸臂板，底板寬度為23.7 m，各腹板均鉛垂布置，各腹板縱向均采用肋板加勁，鋼箱梁頂?shù)装寰谥ё恢锰庍M行加厚處理。導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)同樣采用Q235鋼，導(dǎo)梁腹板采用工字形截面，腹板間通過橫撐橫向連接，導(dǎo)梁總長20 m，導(dǎo)梁工字形截面腹板厚16 mm，上下緣厚16 mm，左右腹板間距4.75 m。本文計算采用 Midas Civil進行頂推模擬，取主橋進行分析。采用容許應(yīng)力設(shè)計法進行計算，整體模型采用梁格法進行模擬計算。鋼箱梁自重及導(dǎo)梁自重通過自重系數(shù)進行調(diào)整。鋼梁單幅主梁重1 833 t（含混凝土欄桿），每延米重量約12 t/m。頂推導(dǎo)梁總重24 t，總長20 m，每延米重量約1.2 t/m。與設(shè)計參數(shù)基本一致，導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)細節(jié)及全橋模型如圖1所示。模型采用“梁不動，支承體系（臨時墩或主橋墩與鋼箱梁之間的支承單元）隨各個施工階段變化而變化”的方法對頂推過程進行仿真模擬。

3 ?有限元計算

3.1? 工況分析

本文依托工程結(jié)合項目設(shè)計圖紙和安裝現(xiàn)場工況，擬采用步履式頂推施工工藝進行鋼箱梁安裝施工，利用步履式頂推設(shè)備將鋼箱梁由北側(cè)拼裝區(qū)域分別由15#墩向18#進行頂，頂推最大懸臂43 m。由于在實際現(xiàn)場頂推施工過程中，不同工況下的支承方式會發(fā)生變化，根據(jù)頂推施工圖紙中的頂推工藝步驟圖，采用Midas/Civil軟件用梁單元進行計算，取其中多個工況來對此次頂推流程進行計算，如表1所示。

3.2有限元結(jié)果

據(jù)表2各工況下導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)計算結(jié)果可知，在鋼箱梁頂推施工過程中，導(dǎo)梁最大折算應(yīng)力值為90.0 MPa，發(fā)生在工況五，即導(dǎo)梁前端頂過7#臨時支架18 m。導(dǎo)梁最大位移值為68.7 mm，發(fā)生在工況三中，即鋼梁前端剛好到達7#臨時支架，未落梁，此時鋼箱梁處于最大懸臂狀態(tài)，為43 m。導(dǎo)梁應(yīng)力在鋼箱梁施工全過程中出現(xiàn)了3次峰值，分別為工況二、工況六和工況八，根據(jù)該3個工況下的鋼箱梁施工狀態(tài)可知，工況二、八的峰值現(xiàn)象是因結(jié)構(gòu)體系發(fā)生變化，導(dǎo)梁部分由懸臂狀態(tài)變?yōu)楹喼顟B(tài)，大大減小了導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力，進而產(chǎn)生突變現(xiàn)象。導(dǎo)梁位移在施工全過程中出現(xiàn)了兩次波動，分別為工況二、工況六，與導(dǎo)梁應(yīng)力變化趨勢一致，但在波動程度上相互錯開。

工況2下的導(dǎo)梁處于懸臂狀態(tài)，根據(jù)圖3可知，導(dǎo)梁左側(cè)位移從導(dǎo)梁根部開始逐漸增大，最大值為68.7 mm，最大撓度出現(xiàn)在導(dǎo)梁最前端位置，右側(cè)位移分布規(guī)律與左側(cè)一致，最大值為58.4 mm，兩者差值為10.3 mm，故導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)發(fā)生了扭轉(zhuǎn)變形，導(dǎo)致兩側(cè)位移出現(xiàn)較大差距。從應(yīng)力計算結(jié)果看，導(dǎo)梁左右兩側(cè)底板整體未出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，且其兩側(cè)應(yīng)力均勻變化，最大應(yīng)力出現(xiàn)在導(dǎo)梁根部與鋼箱梁連接位置處，最大應(yīng)力43.6 MPa。工況六下導(dǎo)梁部分處于懸臂狀態(tài)，由圖4可知，導(dǎo)梁懸臂部分位移和應(yīng)力分布規(guī)律與工況2一致，而非懸臂部分右側(cè)底板在支承位置處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，且發(fā)生應(yīng)力集中位置處的應(yīng)力最大達90.0 MPa，兩側(cè)應(yīng)力峰值相差18.3 MPa，支承一側(cè)導(dǎo)梁的應(yīng)力水平均較大，局部區(qū)域存在屈服的風險。

3.3? 導(dǎo)梁整體穩(wěn)定性計算

導(dǎo)梁取最不利工況（工況五，導(dǎo)梁前端懸挑12 m）計算結(jié)果進行分析。在工況五基本組合下，導(dǎo)梁最大彎矩為M_x=3150.4 kN·m，M_y=368.7 kN·m。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》（GB 50017-2017）6.2.3條：對兩個主平面受彎的H型鋼截面或工字形截面構(gòu)件的整體穩(wěn)定性公式可得：

4? 結(jié)論

本文依托某斜交鋼箱梁頂推施工的實際工程參數(shù)，基于Midas Civil有限元模型，詳細分析了在頂推施工過程中導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)的受力情況，并得到了以下結(jié)論。

（1）根據(jù)鋼箱梁頂推施工全過程的數(shù)值模擬結(jié)果，導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)在各計算工況下的所有構(gòu)件受力以及整體穩(wěn)定性均滿足設(shè)計要求。

（2）斜交頂推施工過程中，導(dǎo)梁撓度與應(yīng)力的峰值并不同步，最大撓度發(fā)生于最大懸臂狀態(tài)，而最大應(yīng)力發(fā)生于導(dǎo)梁越過7號支架10 m處?，F(xiàn)場施工應(yīng)重點關(guān)注最大懸臂狀態(tài)下的懸臂端導(dǎo)梁的撓度變形以及懸臂狀態(tài)過后的導(dǎo)梁局部應(yīng)力。

（3）導(dǎo)梁在斜交鋼箱梁頂推施工過程中存在扭轉(zhuǎn)變形的現(xiàn)象，對結(jié)構(gòu)受力不利，其銳角側(cè)支撐位置的應(yīng)力較大，有局部應(yīng)力集中導(dǎo)致局部屈曲的風險，應(yīng)重點關(guān)注。

參考文獻

[1]曹廣飛，申巖，焦仲偉，等.鋼箱梁步履式多點頂推技術(shù)實踐[J].建筑結(jié)構(gòu)，2022，52（S2）：2797-2801.

[2]謝福君，張家生.鋼箱梁頂推參數(shù)影響及穩(wěn)定性分析[J].鐵道科學與工程學報，2019，16（6）：1484-1492.

[3]冀偉，邵天彥.多跨連續(xù)梁橋頂推施工雙導(dǎo)梁的優(yōu)化分析[J].浙江大學學報（工學版），2021，55（7）：1289-1298.

[4]翟相飛.大跨度鋼箱梁跨河安裝技術(shù)研究[J].市政技術(shù)，2022，40（5）：40-44.

[5]林華彬，徐嶺華，吳義平，等.溫度對大節(jié)段鋼箱梁線形監(jiān)測的影響及其應(yīng)對措施[J].市政技術(shù)，2022，40（10）：101-106，119.

[6] 時曉曄，梁巖，萬德坤，等.橋梁頂推施工導(dǎo)梁屈曲分析及加固措施研究[J].鄭州大學學報（工學版），2021，42（5）：74-78.