□文/李建军 刘冬冬 王铮

连续钢箱梁顶推施工局部受力分析

□文/李建军 刘冬冬 王铮

以某连续钢箱梁桥跨越既有线顶推施工为背景，研究顶推施工过程中钢箱梁的局部受力特性。采用有限元分析软件ANSYS对钢箱梁节段进行了三维数值模拟，研究了顶推施工过程中最不利工况下钢箱梁的局部应力状态。通过对底板加劲肋位置、底板厚度、腹板厚度等关键结构参数进行了分析，结合工程实际情况，提出改善钢箱梁局部受力特性措施。

钢箱梁；顶推；有限元分析；局部受力

顶推法施工具有施工费用较低、施工设备少、无噪声、不影响桥位处交通运行和缩短施工工期等优点，当桥位施工场地狭小，而且需在运营的既有线上方施工时，为确保工程及运营线路的安全，宜采用钢箱梁顶推施工。国内对钢箱梁顶推施工过程中的受力分析研究较少。采用顶推法施工的钢箱梁设计需要同时满足成桥阶段与施工阶段的要求，目前对顶推施工桥梁基本还处于按照成桥的受力状态进行设计，然后通过对局部的构造进行补强以保证施工的安全，这种做法显然效率不高。本文以某连续钢箱梁桥顶推施工为背景，对影响施工过程中钢箱梁受力的关键结构参数进行探讨。

1　工程概况

某特大桥上部结构为连续钢箱梁，桥梁总体布置见图1。钢箱梁采用Q 370qE钢，全桥采用单箱单室等高连续钢箱梁的形式，箱梁每隔2.0 m左右设置一道横向加劲肋，顶底板设置T型加劲肋，腹板设置板型加劲肋，梁高4.8 m，箱梁顶宽7.5 m，底宽4.3 m，中支点局部加宽至5.04 m，顶板厚24 mm，底板中支点处厚32 mm，其余部分厚24mm，腹板厚26mm。

图1　桥梁总体布置

2　顶推过程计算分析

2.1顶推计算建模

在顶推施工过程中，钢箱梁纵向受力是一个比较重要的研究内容。在顶推过程中，钢箱梁主要受力特点是随着顶推长度增加，全桥每个截面的受力不断呈现正、负弯矩反复性变化。由于每个截面内力变化的复杂性，本文采用有限元方法对桥梁整个顶推过程进行模拟，得出各梁段在不同顶推工况中内力状态，得到钢箱梁在整个顶推过程中的应力和变形结果。

为得到钢箱梁顶推施工过程中的应力状况，采用有限元分析软件MIDAS/Civil 2010对钢箱梁和钢导梁采用杆系单元进行模拟，沿纵向每0.5 m划分1个单元，每顶推0.5 m作为一个计算工况，再通过改变支承点位置，模拟顶推过程。

2.2顶推计算结果分析

通过顶推施工仿真分析，得到施工过程中钢箱梁的各项控制参数的理论数值，见表1。表1中应力为钢箱梁纵向应力的理论计算值且均出现在钢箱梁最大悬臂状态的工况下。由表1可知，顶推过程中钢箱梁的最大弯曲应力为103.7 MPa，小于钢材的允许应力210 MPa，结构受力满足规范要求，但由于最大悬臂状态22号滑道梁支反力过大，极易导致滑道梁处附近钢箱梁出现局部屈曲或者钢材屈服，因此有必要对其进行局部受力分析。

表1　顶推施工分析结果

3　局部分析模型确定

3.1局部分析目的

目前对顶推施工桥梁的设计基本还是处于按照成桥的受力状态进行设计，对于施工过程中钢箱梁的受力状态没有加以考虑，因此钢箱梁的设计存在一定的不合理性，极易在施工过程中出现施工事故，本文根据实际施工状况，针对钢箱梁顶推过程中的局部受力问题进行分析并提出改善措施。通过顶推时全过程分析选出顶推过程中滑道梁出现的最大支反力，采用有限元分析软件ANSYS对钢箱梁节段进行局部受力进行分析，在顶推过程中，滑道梁上方的底板、横隔板、纵肋都处于较复杂的应力状态，通过有限元分析，利用有限元静力分析结果和特征值屈曲分析结果，结合组成构件的各部分的材料特性，准确地判断结构的破坏是始于构件屈服还是构件屈曲。如果结构中某板件的理论屈曲临界应力低于材料的屈服应力，则结构将先发生屈曲破坏；如果结构中各板件的理论屈曲临界应力高于材料的屈服应力，则各板件中应力水平最高者将先发生屈服破坏，进而引起整个结构破坏。

3.2局部分析建模

采用ANSYS的壳单元建立12 m长的钢箱梁节段模型，对滑道梁处钢箱梁局部进行仿真分析，节段模型见图2。顶推过程中钢箱梁受力主要是梁底的滑道梁处支反力和两端相邻梁段的约束，将端部边界条件近似按两端完全固结处理并在钢箱梁底板滑道梁接触位置施加竖向面荷载来模拟梁段所受的滑道梁支反力，单个滑道梁与钢箱梁底的接触尺寸：长1.8 m、宽0.9 m，滑道对钢箱梁底板的作用力按均布荷载考虑，在滑道对应的钢箱梁底板位置施加向上的均布面荷载。采用理想弹塑性本构模型对钢桥进行材料非线性分析，钢箱梁的弹性模量为2.1×108kN/m2，重度为76.98 kN/m3，泊松比为0.3。

图2　局部模型示意

3.3模型计算工况

在顶推过程中根据滑道梁处支反力作用位置不同，钢箱梁受力的情况分为支反力作用在两相邻横隔板之间和横隔板下方两种情况，见图3；根据实际施工情况，在顶推过程中将两侧滑道梁的支反力近似按1∶1分配。通过对顶推全过程分析，可知在钢箱梁最大悬臂状态，墩顶滑道梁支反力最大，其值为8.05×103kN，支反力采用均布面压力施加荷载。

图3　加载位置

4　局部分析结果

4.1局部静力分析

通过对钢箱梁局部应力分析，得到滑道梁在两种作用位置的钢箱梁等效应力图，工况1滑道梁位于横隔板正下方，此处的钢箱梁应力见图4a，工况2滑道梁位于两道横隔板之间，此处的钢箱梁应力见图4b。

由应力分析可知，除部分节点位置出现较大的应力集中外，在工况1作用下，滑道梁作用位置底板、底板板肋、腹板以及横隔板开孔处均呈现屈服状态；在工况2作用下，滑道梁作用位置底板、底板板肋以及横隔板开孔处附近均呈现屈服状态，腹板处应力低于钢材的容许应力。

由此，可以认为虽然顶推施工过程中钢箱梁整体应力满足规范要求，但是由于滑道梁处支反力过大造成部分截面构件屈服。因此目前采用顶推施工方法桥梁的基本设计流程一般是设计、施工分别考虑，在设计阶段偏重考虑成桥阶段的受力，施工过程中再对不能满足施工要求的局部进行补强的设计理念是不合理的。

图4　支承位置处钢箱梁等效应力

4.2局部稳定分析

钢箱梁各组成构件均是高强度的薄壁构件，其稳定性问题比强度问题显得更为重要，故有必要用数值分析来表述其稳定性问题。

第一类稳定问题的力学情况比较明确，在数学上作为特征值问题比较容易处理，而它的临界荷载又近似地代表相应的第二类稳定临界荷载的上限。另外，由于对于钢箱梁这一构造复杂且庞大的结构，其初始几何缺陷难以考虑且各板件的几何缺陷和残余应力各不相同，无法准确获知且进行双重非线性分析所需的计算机资源要求较高。第一类稳定问题虽然无法准确计算结构真实的临界荷载，但是由于和第二类稳定问题的相关性，因此仍然能对结构稳定性做出评价。

特征值屈曲分析得到的工况1钢箱梁横隔板与底板的第一阶失稳模态见图5，工况2与工况1失稳模态基本一致。工况1钢箱梁第一阶模态下屈曲荷载系数为3.5801，工况2钢箱梁第一阶模态下屈曲荷载系数为3.106 7，钢箱梁节段最先发生失稳的位置在横隔板入孔处。当滑道梁作用于横隔板正下方时对于局部稳定来说是最不利的，此时横隔板比较容易发生失稳，可能通过增加横隔板加劲肋的方式改善其局部稳定性能。

图5　工况1第一阶失稳模态位移

5　参数分析

通过以上分析可知，在顶推过程中，钢箱梁所受的荷载值达到临界屈曲荷载前，已有板件达到了材料的强度极限，所以该受力模式下的结构安全仍应以强度控制为主。因此对该连续钢箱梁桥进行参数分析，研究底板板肋布置位置、底板厚度、腹板厚度等关键构件参数对钢箱梁局部应力的影响，从而对钢箱梁结构设计提供一定参考。本文分别以A、B、C、D、E代表箱梁横隔板、箱梁底板、底板T肋腹板、底板T肋翼缘、箱梁腹板的最大等效应力出现的位置。

5.1底板板肋布置对局部应力的影响

钢箱梁在顶推施工期间，施工单位对钢箱梁采取了在底板两边T肋旁增加加劲肋的加固方式，本文通过改变底板加劲肋位置、数目与钢箱梁原截面及加固的截面进行有限元分析对比，探讨底板加劲板位置与数目对结构局部受力的影响。钢箱梁3种截面形式见图6。

图6　3种钢箱梁截面形式

由静力分析可知钢箱梁节段在滑道梁支反力作用下，局部应力超过屈服强度，发生塑性变形。底板加劲肋作为主要受力构件对钢箱梁底板受力影响很大，因此应探讨底板加劲肋布置位置对结构应力的影响。本文分别对原设计截面、施工中加固截面以及在局部荷载作用区增加加劲肋3种截面形式进行有限元分析，得到底板加劲肋布置形式对钢箱梁局部受力的影响。在工况1作用下，3种截面形式的钢箱梁各关键构件最大等效应力变化见图7。

图7　不同截面形式构件等效应力

由图7可知，施工过程中采用的加固措施仅对底板原加劲T肋起到显著效果，其余关键位置并未起到降低应力的作用；采用在钢箱梁局部荷载作用区增加加劲肋的措施可以有效降低结构各构件的应力值。因此合理布置底板加劲肋位置对钢箱梁顶推施工过程局部受力极其重要，并对钢箱梁的截面设计提供一定参考。

5.2底板厚度对局部应力的影响

在滑道梁支反力作用下，钢箱梁底板作为主要受力构件其刚度对结构应力的影响很大，底板的厚度决定了底板的刚度，因此应探讨底板厚度对应力的影响。模型中底板厚度分别为26、30、40、50 mm，在工况1作用下钢箱梁的各关键构件最大等效应力变化见图8。

图8　不同底板厚度构件等效应力

由图8可知，随着底板厚度的增大，各构件的最大等效应力值相应减小，有利于结构受力。但底板厚度不能过大，否则加大了结构自重且不经济。因此需要综合考虑各方面的因素，从而确定一个合理的底板厚度。

5.3腹板厚度对局部应力的影响

钢箱梁腹板同样作为主要受力构件其刚度对结构应力的影响很大，腹板的厚度决定了腹板的刚度，因此应探讨腹板厚度对应力的影响。模型中腹板厚度分别为26、30、40、50 mm，在工况1作用下钢箱梁的各关键构件最大等效应力变化见图9。

图9　不同腹板厚度构件等效应力

由图9可知，随着腹板厚度的增大，箱梁横隔板、底板T肋腹板、箱梁腹板的最大等效应力值相应减小，有利于结构受力；箱梁底板、底板T肋翼缘的最大等效应力变化不大，超出钢材屈服强度。因此增大腹板厚度对钢箱梁的局部受力作用有限。

6　结论

1）顶推施工钢箱梁桥按照成桥的受力状态进行设计，施工过程中通过对局部的构造进行补强以保证施工安全的做法是不合理的。

2）钢箱梁腹板、横隔板、底板以及底板加劲肋作为局部受力的主要构件，为避免局部应力过大，产生塑性变形而危及结构安全，在最不利截面附近可适当增加关键构件厚度以使局部应力值满足规范要求。其中，底板的厚度对钢箱梁局部受力效应最为显著，在对结构自重影响不大的前提下，可将部分梁段底板厚度作为钢箱梁顶推施工设计考虑因素之一。

3）钢箱梁的底板作为关键受力构件，其等效应力最大值明显高于其他构件。在滑道梁支反力直接作用的底板位置，增加加劲肋可以有效地控制底板及其他构件的应力值。因此，底板加劲肋布置数目及位置应在设计时重点考虑。

4）钢箱梁各关键构件的厚度增大虽有利于结构局部受力，但容易造成结构自重过大，不够经济，因此应将各构件厚度及底板加肋布置综合考虑，以确定一个合理的构件厚度值及加肋布置位置。

5）由特征值屈曲分析得到的钢箱梁局部稳定临界荷载值虽然满足要求，但是其计算结果夸大了结构的承载能力，得到的结果将偏于不安全，只能作为结构承载能力的上限。因此考虑材料非线性、几何非线性和初始缺陷的第二类稳定分析才能正确地估计结构的稳定承载力，应该加以研究以期准确得到结构的局部失稳和局部屈曲之间作为结构破坏的控制因素。

□DOI编码：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.04.026

□刘冬冬/天津城建设计院有限公司。

□王铮/天津市交通运输工程质量安全监督总站。

□U445.462

□C

□1008-3197（2015）04-64-04

□2015-04-10

□李建军/男，1972年出生，高级工程师，硕士，天津高速集团有限公司，从事工程技术管理工作。