孫建民

（中鐵二十二局集團(tuán)第二工程有限公司，北京 100041）

導(dǎo)梁具有減小頂推施工過程中最大懸臂長(zhǎng)度，減小節(jié)點(diǎn)處最大負(fù)彎矩、減小構(gòu)件變形等一系列重要作用，所以大跨度構(gòu)筑物頂推施工時(shí)設(shè)置導(dǎo)梁有其必要性。而隨著頂推施工的使用在工程建設(shè)中的應(yīng)用越來越廣泛，施工過程中導(dǎo)梁的設(shè)計(jì)也逐漸趨于復(fù)雜，提出導(dǎo)梁設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化方法具有設(shè)計(jì)方面的實(shí)際意義。

廖泳華等[1]通過數(shù)值模擬探討了導(dǎo)梁與主梁的長(zhǎng)度比、單位重量比、剛度比3 個(gè)參數(shù)，并用控制變量法對(duì)3 個(gè)參數(shù)進(jìn)行敏感度分析，提出基于3 個(gè)參數(shù)的導(dǎo)梁設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，但是其沒有考慮變截面的情況，同時(shí)更偏向于理論分析。張光英等[2]通過ABAQUS 等軟件分析含初始缺陷導(dǎo)梁的屈曲效應(yīng)問題，并提出檢驗(yàn)導(dǎo)梁穩(wěn)定性的檢測(cè)方案。鄺思芹[3]對(duì)具體工程中的頂推施工進(jìn)行分解，分別對(duì)得到的子系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，使用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)施工的整體安全性做出判斷。白樺等[4]提出了下穿既有高鐵的連續(xù)鋼梁橋頂推施工方案的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和頂推施工時(shí)的關(guān)鍵控制措施。部分文章對(duì)不同工況下導(dǎo)梁的設(shè)計(jì)方案優(yōu)化思路進(jìn)行了探討[5-6]。

根據(jù)對(duì)已有文獻(xiàn)的研究可知，目前對(duì)頂推施工整體工藝流程的研究較為全面，但對(duì)導(dǎo)梁的參數(shù)設(shè)計(jì)研究較少，尤其是在變截面導(dǎo)梁設(shè)計(jì)方面還存在大量空白。本文根據(jù)工程實(shí)例，通過數(shù)值模擬對(duì)變截面導(dǎo)梁的安全性進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)規(guī)范計(jì)算變截面導(dǎo)梁各個(gè)控制指標(biāo)，提出根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化的方法。

1 頂推施工過程概況

某跨線橋工程主橋孔跨布置采用（52+65+52）m等截面鋼箱梁結(jié)構(gòu)。橋梁最大孔跨下方已有通航線路為摩托車1、2 線、濱江上行線、5 道、濱江下行線、濱北下行線、濱北上行線和北遷線共8 條線路。本工程頂推施工分為3 個(gè)階段：①拼裝64.27 m 鋼箱梁和36 m 導(dǎo)梁后整體頂推至鋼箱梁尾端到達(dá)臨時(shí)墩；②拼裝62.4 m鋼箱梁后整體頂推；③繼續(xù)拼裝42.17 m 鋼箱梁后按設(shè)計(jì)方案整體頂推18.5 m。由于頂推過程中鋼梁和導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)在不同位置時(shí)有不同的支承情況，故需要進(jìn)行工況的劃分，根據(jù)實(shí)際情況將整個(gè)過程劃分為16 個(gè)工況，每個(gè)工況下都應(yīng)該對(duì)臨時(shí)墩反力、導(dǎo)梁前端撓度及應(yīng)力，鋼箱梁撓度及應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。鋼梁頂推過程中控制性工況見表1。

表1 控制性施工步驟表

2 連續(xù)鋼箱梁計(jì)算結(jié)果

橋梁主體結(jié)構(gòu)受力符合規(guī)范要求是繼續(xù)進(jìn)行導(dǎo)梁設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)，但是連續(xù)鋼箱梁的計(jì)算方法并非本文討論的重點(diǎn)，故此處僅給出連續(xù)鋼箱梁強(qiáng)度驗(yàn)算的結(jié)果。

鋼箱梁最大豎向撓度在整個(gè)頂推過程中變化較小，最大豎向撓度為-43.3 mm，出現(xiàn)在工況6。鋼箱梁最大正應(yīng)力為54.5 MPa＜250 MPa，出現(xiàn)在工況8；鋼箱梁最大剪應(yīng)力為14.3 MPa＜140 MPa，出現(xiàn)在工況10，最大正應(yīng)力和剪應(yīng)力均未超出材料容許應(yīng)力，滿足要求。

鋼箱梁最大組合應(yīng)力為59.9 MPa＜1.1×250 MPa，滿足要求。根據(jù)軟件計(jì)算結(jié)果，頂推階段最大支點(diǎn)反力為357.7 t，鋼箱梁腹板局部承壓強(qiáng)度應(yīng)按下式計(jì)算（依據(jù)GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》4.2.1 條）

式中：F為集中荷載，取值357.7×9.8=3 505.5 kN；φ 為集中荷載增大系數(shù)，取1.0；lz為集中荷載在腹板計(jì)算高度上邊緣的假定分布長(zhǎng)度，按下式計(jì)算

式中：a為集中荷載沿跨度方向的支承長(zhǎng)度；hy為自頂梁至腹板計(jì)算高度上邊緣的距離；hR為軌道的高度，對(duì)梁頂無軌道的梁hR=0。

3 頂推導(dǎo)梁計(jì)算

3.1 材料參數(shù)及導(dǎo)梁設(shè)計(jì)

根據(jù)前文提到的廖泳華等[1]的研究，工程中導(dǎo)梁與鋼梁的長(zhǎng)度比和單位重量比是影響相對(duì)較大的指標(biāo)，根據(jù)規(guī)范要求，導(dǎo)梁的長(zhǎng)度一般取最大跨度的0.5~0.7倍，設(shè)計(jì)時(shí)可以先通過軟件進(jìn)行試算，該工程取33 m，36 m，39 m 3 種長(zhǎng)度進(jìn)行比選，以最不利工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)、變形情況、穩(wěn)定性作為評(píng)判依據(jù)，最后選擇了36 m 長(zhǎng)度的導(dǎo)梁。

在鋼材型號(hào)的選擇上，目前的橋梁結(jié)構(gòu)用鋼最多的就是Q345q 和Q370q 系列鋼。合適的鋼材選擇能夠有效減小導(dǎo)梁的自重，從而降低成本。為保證導(dǎo)梁具有一定的強(qiáng)度和韌性，該工程鋼梁及導(dǎo)梁均采用Q345qD型號(hào)，鋼材的抗壓和抗彎的容許應(yīng)力均取250 MPa，抗剪容許應(yīng)力取值為140 MPa。

該工程為變截面導(dǎo)梁，為防止應(yīng)力集中等問題，導(dǎo)梁的高度應(yīng)均勻變化。導(dǎo)梁的前端高度是重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)，其數(shù)值也可以通過軟件的試算和比選進(jìn)行確定，在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)先將導(dǎo)梁按等截面梁進(jìn)行計(jì)算，再根據(jù)應(yīng)力分布情況調(diào)整導(dǎo)梁兩端的高度，直到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布趨于合理。該工程經(jīng)調(diào)整后確定與主梁連接處導(dǎo)梁的截面高度為2 500 mm，導(dǎo)梁前端的截面高度為1 500 mm。為抑制導(dǎo)梁的側(cè)向變形，左右側(cè)導(dǎo)梁之間設(shè)置連接系，連接系為鋼管桁架形式。鋼導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)形式如圖1 所示。

圖1 鋼導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)圖

3.2 鋼導(dǎo)梁頂推強(qiáng)度及剛度驗(yàn)算

該工程鋼導(dǎo)梁的主要設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法已在前文提及，此處不在贅述，鋼導(dǎo)梁最大豎向撓度出現(xiàn)在工況3，前端最大懸臂55 m 時(shí)，最大豎向撓度為314.6 mm；鋼導(dǎo)梁最大正應(yīng)力為164.4 MPa＜250 MPa，出現(xiàn)在工況8；鋼導(dǎo)梁最大剪應(yīng)力為32.1 MPa＜140 MPa，出現(xiàn)在工況10，均滿足鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。各工況相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果如圖2、圖3、圖4 所示。

圖2 工況3 鋼導(dǎo)梁撓度圖

圖3 工況8 鋼導(dǎo)梁正應(yīng)力圖

圖4 工況10 鋼導(dǎo)梁剪應(yīng)力圖

3.3 鋼導(dǎo)梁截面穩(wěn)定性驗(yàn)算

剛導(dǎo)梁截面穩(wěn)定性的計(jì)算分為整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定兩個(gè)部分，該工程中鋼導(dǎo)梁為有側(cè)向支撐的工字梁，根據(jù)GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》4.2.1條，H 型鋼或等截面工字形簡(jiǎn)支梁受壓冀緣的自由長(zhǎng)度與其寬度之比不超過表2 規(guī)定時(shí)，不需計(jì)算梁的整體穩(wěn)定性。

表2 H 型鋼和等截面工字形簡(jiǎn)支梁不需計(jì)算整體穩(wěn)定性的最大l1/b1 值

連接系最大間距l(xiāng)1=6 000 mm，翼緣寬度b1=500 mm，計(jì)算l1/b1=6 000/500=12＜13.0，因此，不需要計(jì)算鋼導(dǎo)梁的整體穩(wěn)定性。

導(dǎo)梁下部共分37 個(gè)節(jié)點(diǎn)，此處展示與主梁連接的一號(hào)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果。一號(hào)節(jié)點(diǎn)截面穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果詳見表3，導(dǎo)梁的各個(gè)節(jié)點(diǎn)均在受壓翼緣與縱向加勁肋之間設(shè)置有短加勁肋。

表3 一號(hào)節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算結(jié)果

4 結(jié)束語

根據(jù)對(duì)該工程導(dǎo)梁設(shè)計(jì)過程的分析以及數(shù)值模擬的結(jié)果，得出以下結(jié)論。

鋼導(dǎo)梁最大豎向撓度出現(xiàn)在工況3，前端最大懸臂55 m 時(shí)，最大豎向撓度為314.6 mm；鋼導(dǎo)梁最大正應(yīng)力為164.4 MPa＜250 MPa，出現(xiàn)在工況8；鋼導(dǎo)梁最大剪應(yīng)力為32.1 MPa＜140 MPa，出現(xiàn)在工況10，最大正應(yīng)力和剪應(yīng)力均未超出材料容許應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

通過變截面的設(shè)計(jì)可以有效減少導(dǎo)梁的自重，根據(jù)計(jì)算，變截面的設(shè)計(jì)相對(duì)于等截面設(shè)計(jì)為導(dǎo)梁節(jié)省了7.27%的用鋼量。

運(yùn)用數(shù)值模擬的手段可以更科學(xué)地對(duì)導(dǎo)梁的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，該工程中導(dǎo)梁的長(zhǎng)度和變截面設(shè)計(jì)均通過數(shù)值模擬手段進(jìn)行試算和比選進(jìn)行了優(yōu)化。