钢箱梁顶推系统中拉锚器的分析方法及局部受力状态

2022-10-11齐杰夫

铁道建筑 2022年9期

齐杰夫

中国土木工程集团有限公司，北京100038

顶推施工工艺作为一种极具竞争力的方法在混凝土连续梁桥建设中发挥了重要的作用，其主要优点是施工占地少、周期短、机械化程度高、节省投入等，在实际工程中不断得到应用推广［1-2］。随着顶推施工水平和计算机模拟技术的发展，许多大跨度钢箱梁桥逐渐开始采用顶推施工方法［3］。在顶推施工工艺中，牵引系统是顶推力的重要来源，由多个承力和传力部件组成。其中，拉锚器作为关键的传力部件，承受了巨大的牵引集中力作用，并将牵引力传递扩散到整个桥梁结构。拉锚器的受力性能与桥梁主梁顶推的行进状态、拉锚器应力影响区域有效范围和边界条件密切相关。精确的有限元分析往往要消耗大量的时间，过于简化的分析又难以捕捉拉锚器局部受力的主要特性。因此，如何快速、高效且安全地分析拉锚器在高水平荷载作用下的局部受力效应和评估拉锚器受力安全是顶推施工中一个重要的环节，国内尚缺乏相关研究。

本文结合悬索桥主梁顶推的工程实例，对在顶推施工过程中拉锚器的局部受力分析方法和安全性评判开展研究，并开展参数敏感性分析，研究成果可为类似工程和研究提供参考。

1 工程概况

以一座建成的独柱式双塔双缆空间索面悬索桥为例，该桥主桥部分长510 m，孔跨布置为（40+430+40）m，主缆垂跨比为1/9，采用高强度镀锌平行钢丝索股组成，见图1（a）。主梁采用单箱双室扁平流线型全焊钢箱梁，主梁全宽38 m，中心高3.5 m，见图1（b）。钢箱梁顶板厚16 mm，上斜腹板厚14 mm，底板、下斜腹板厚12 mm。

图1 主桥立面和主梁断面

2 顶推施工方案

2.1 施工方案比选

施工设计阶段，综合考虑桥型特点、施工现场条件等因素，将原设计的缆索吊装施工方案改为钢箱梁顶推施工工艺。该施工工艺主要优势有：①钢箱梁在焊接平台上进行安装焊接对位，保证了焊接精度和质量，且无需定制大吨位的缆索装吊设备；②通过设置临时支墩，配合钢导梁，能在一定程度上有效降低钢箱梁梁体断面内力，减小局部屈曲发生的风险；③顶推架设施工避免了缆索吊装施工中繁杂的主缆线形调整，且施工调整量小，易控制；④缆索吊装施工中对吊装设备和临时工程的要求高，投入大。

2.2 顶推施工工艺

钢箱梁顶推施工主要分为4个阶段（图2）：①顶推前期准备阶段。安装顶推施工临时支墩、钢箱梁运输栈桥、焊接平台、喂梁门架等临时结构，并按照设计线形和标高分节段焊接拼装钢导梁。②钢箱梁节段拼装阶段。按照成桥线形预抛高临时连接钢箱梁节段，将节段整体焊接成型。③钢箱梁顶推牵引阶段。安装并调整滑动装置，牵引和导向系统，进行顶推施工。④吊索安装及张拉阶段。安装吊索系统，张拉吊杆调整索力，完成体系转化，拆除顶推临时墩，完成钢箱梁顶推施工。

图2 顶推施工流程

2.3 顶推牵引系统的设计

在钢箱梁的顶推施工过程中，顶推系统主要包括滑动装置、导向系统和牵引系统。滑动装置布置在临时墩墩顶，可以减小钢导梁和钢箱梁梁体在顶推过程中产生的水平力及摩阻力，从而减少对下部支架和支墩的影响；导向系统分为限位和纠偏两种装置，用于防止钢箱梁在顶推过程中出现较大的偏位，调整梁体偏移，提高钢箱梁的就位精度；牵引系统是顶推施工的动力中枢和传力转换装置，主要作用是保证顶推牵引钢箱梁平稳前行［4-5］。

牵引系统主要设备有千斤顶、反力座、钢绞线、拉锚器等。在钢箱梁顶推过程中，牵引系统利用千斤顶、反力座等提供的转换顶推动力，通过钢绞线传递至拉锚器，再传递给主梁，进而带动钢箱梁前进至指定距离，反力座将顶推反作用力传递给临时墩。

2.4 拉锚器的设计

在牵引系统中拉锚器布置在钢箱梁节段的尾部，通过钢绞线与千斤顶构成传力系统。拉锚器不仅能将千斤顶的顶推力传递到梁体，实现力的传导，还能增大钢箱梁受力接触面积，避免钢箱梁在顶推过程中因应力集中产生变形，从而减少后续调整钢箱梁而花费的时间，达到缩短工期的目的［6-7］。因此，顶推系统中拉锚器的结构设计需满足以下三项基本要求：①安全性。拉锚器的自身结构、拉锚器与钢箱梁的组合局部区域部位需满足千斤顶最大顶推力的承载要求，保证结构的安全。②稳定性。拉锚器的尺寸设计与构架形态需考虑其受力分布特点等因素，保证结构受力状态稳定。③适用性。拉锚器与钢箱梁能较好地组合，且施工方便，便于实际工程使用。

拉锚器由构造尺寸和厚度不同的钢板构件焊接而成（编号N1—N4），拉锚器各组成构件信息见表1。拉锚器与箱梁之间由8.8级M30高强度螺栓（N5）栓接在横隔板与纵隔板交叉处的梁底板上。拉锚器结构尺寸见图3。

表1 拉锚器各组成构件信息

2.5 拉锚器结构传力机理分析

拉锚器结构受力如图4所示。在钢绞线的牵引作用下，通过拉锚器各钢板间区域应力状态的连续改变实现应力传递。其中，拉锚器主受力腹板N1的中心区域受纵向牵引力P的作用；通过各构件间的连接关系，顶板N2与螺栓N5将牵引力传递至钢箱主梁形成顶推力F，方向与牵引方向一致；构件N3与N4分别为竖向和水平加劲板，起到保持结构局部稳定的作用。

图4 拉锚器结构受力示意

在千斤顶最大牵引力作用下，拉锚器的腹板和顶板强度，以及加劲板的局部稳定是结构受力的关键［8-9］。因此，对结构局部受力进行有限元数值模拟，分析拉锚器加劲板的应力和变形分布规律。

3 数值模拟方法

结构局部受力分析方法主要包括子模型法和直接建模法。其中，直接建模法适用性强，且在整体模型中能考虑施工过程、混凝土收缩徐变、预应力钢筋等因素，在工程实践中应用较多［10-11］。在整体建模分析中采用梁单元和厚板单元，局部分析时采用板壳单元对节点细节构造进行离散。综合比较后，本文采用直接建模法对拉锚器结构进行局部受力分析。

3.1 有限元离散模型

考虑主梁长度相对于拉锚器的尺寸大很多，根据圣维南原理，取需要分析的局部模型中最小截面尺寸一倍以上的主梁截面为分析模型，这样得到的模型应力分布与实桥结构应力具有较好的对应性，同时加快了分析的速度。利用有限元软件建立局部有限元模型（图5），拉锚器与钢箱梁均采用板单元模拟，材质为Q345钢材。全模型共划分28 700个单元、24 905个节点。

图5 拉锚器与主梁连接的局部模型

3.2 边界条件

由于钢箱梁的整体尺寸相对于建立的局部模型大很多，所以模型以外的梁体对模型的约束较强。建立的钢箱梁模型仅选取了主梁的局部部分，因此箱梁周边节点采用固结方式模拟附近梁体对模型的约束作用。

为了描述钢箱梁与拉锚器之间的高强度螺栓连接状态，箱梁底板与拉锚器之间采用弹性连接中的刚性连接来模拟非完全固结约束作用。

3.3 荷载工况

钢箱梁顶推过程中当主梁滑动起来以后，顶推力逐渐减小到一个恒定水平，最大的顶推力发生在主梁即将滑动瞬间的临界状态。采用静力荷载工况，荷载包括临界最大顶推力和模型自重。通过现场试顶推测试反演，拉锚器所受最大荷载为730 kN。为安全考虑，计算荷载采用750 kN，在有限元模拟时以均布面荷载的方式沿顶推方向作用于拉锚器腹板N1的中心区域，均布面荷载为6.7 MPa。

4 计算结果与分析

4.1 主梁计算结果

通过有限元模型进行静力分析，发现在自重和拉锚荷载共同作用下主梁与拉锚器在连接区域附近的应力变化较为明显。单独取出该部分主梁的底板应力，见图6。可知，主梁底板出现了多个直径约为30 mm的圆形应力集中区域，最大应力为134.62 MPa，这是主梁各纵隔板结点和拉锚器各板件与主梁连接处的应力集中造成的。为避免应力集中，需要通过构造措施增大局部接触面积，以减小局部承压应力。在实际工程中，往往采用多排螺栓栓接方式。

图6 主梁底板应力分布（单位：MPa）

4.2 拉锚器计算结果

拉锚器应力分布云图见图7。可知：腹板N1的最大应力为205.13 MPa，发生在中心开孔位置；顶板N2最大应力为129.07 MPa，发生在与主梁底板连接的位置；竖向加劲板N3最大应力为144.52 MPa，发生在与顶板N2相交的位置；水平加劲板N4的最大应力为83.64 MPa，发生在与N3连接处。

图7 拉锚器应力分布云图（单位：MPa）

各连接处均出现较大的应力集中现象，腹板N1的应力集中程度最大，该部位由于设计了中心钢绞线预留孔而存在截面突变，导致应力集中。对于钢材而言，应力集中程度越严重，钢材的塑性变形能力降低越多，脆性断裂的危险性越大。因此，对拉锚器应力集中的N1板件作参数分析。

4.3 参数分析

在顶推系统中综合考虑拉锚器结构的安全性和经济性，分析在拉锚荷载和自重作用下不同拉锚器腹板N1厚度对结构受力的影响，其应力分布见图8。

图8 不同厚度下腹板N1的应力分布（单位：MPa）

由图8可知，随着拉锚器腹板N1厚度的增加，钢板结构的应力状态发生了明显变化：腹板N1与水平加劲板N4连接下半部分的应力，以及腹板N1与顶板N2连接中间部分的应力均得到了显著改善，应力集中区域的分布范围和大小逐渐减小。

最大有效应力随腹板N1厚度变化规律见图9。可知，随着腹板厚度的增加，结构有效最大应力逐渐减小，在板厚30～40 mm时应力减小幅值最大。

图9 最大有效应力随板厚度变化规律

虽然增加腹板厚度改善了结构的应力分布，降低了最大有效应力，但是从材料性能考虑，钢板厚度对脆性断裂有较大的影响。随着钢板厚度增加，钢材的缺口脆性增加，钢结构易发生脆性破坏［12-13］。综合数值模拟分析和脆性断裂理论，在模型最大应力满足设计要求的前提下，设计时应适当控制拉锚器构件钢板的厚度，防止因钢板厚度过厚而引起脆性破坏发生，同时减少不必要的钢材耗量，节省施工成本。因此，根据本文模拟计算结果，拉锚器腹板N1的厚度建议取40 mm。同时，建议通过增加竖向加劲板N3与水平加劲板N4厚度，进一步提高结构局部稳定性。