基于复杂预制线形钢箱梁顶推计算探讨

2016-08-12郭玉平广州市市政工程设计研究总院广东广州510060

低碳世界 2016年19期

郭玉平（广州市市政工程设计研究总院，广东　广州　510060）

基于复杂预制线形钢箱梁顶推计算探讨

郭玉平（广州市市政工程设计研究总院，广东广州510060）

在建造大型桥梁的时候经常会用到顶推法，该种方法具备不影响桥位处交通状况、有利于生产组织、减少施工设备、缩短施工工期、安全可靠等优点．我国在顶推施工方面的研究和实践都较为成熟。某桥梁在实施过程中采用顶推法施工，根据该桥的施工方案，通过有限元分析软件建模分析计算，对桥梁结构顶推施工及成桥运营阶段等进行了模拟分析。检验了施工各环节及成桥阶段的受力性能，计算结果表明施工阶段和成桥阶段受力情况均能满足规范要求。

钢箱梁；顶推法；有限元；线形

1　引言

自从改革开放之后，我国经济建设发展迅猛，尤其在建筑工程上更加突飞猛进，而大型桥梁建设也是一项重要工作之一，其中顶推法多使用在大型桥梁的建设，这种顶推法具有很多特点：工期短、安全系数高、对被交道路交通影响小。人们对建筑工程需求越来越更加重视，顶推法不断提高，目的是以满足现代社会建筑需求。近两年，虽然我国在大型桥梁建设中顶推法计算上取得了不小的成绩，但大型桥梁建设中顶推法计算仍有待于完善和发展。因此必须结合现代化信息技术不断地提高创新技术水平，并完善大型桥梁建设中顶推法计算，才能增强建筑市场竞争力，并为大型桥梁建设中顶推法施工提供良好的应用前景，为社会经济持续发展奠定基础。

2　概述

两面寺立交连接寺瓦路工程位于昆明市盘龙区。现状两面寺立交为机场高速、虹桥路与绕城高速的相交节点，立交采用半苜蓿叶半定向的形式。现状两面寺立交缺少右转进入寺瓦路的匝道，为完善立交功能，解决两面寺立交桥底交通拥堵的问题，本工程新建三条定向匝道实现虹桥路、绕城高速与寺瓦路的快速连接。其中B匝道为寺瓦路上虹桥路的高架匝道，位于第三层，于车行天下处起坡，在跨越虹桥路高架桥后，于右侧接入现状集散车道，然后接入虹桥路。B匝道桥桥宽主要为10m和8m两种（其中有一联变宽），桥梁结构除上跨虹桥路采用一联37+60+37+30m的钢混叠合梁外，其它为现浇预应力混凝土连续箱梁。

B匝道37+60+37+30m钢混叠合梁平面位于R=270m左偏圆曲线、Ls-115m缓和曲线及R=120m左偏圆曲线上，纵断面位于R=1200m凸形竖曲线、+4.65%和-1.8%双向纵坡上；37+60+37+30m钢混叠合梁所处的平纵面线形较为复杂，曲线半径小，线形组成复杂多样。如图1所示为桥梁立面布置图，如图2所示为桥梁典型横断面图。

图1　桥梁立面布置图（单位：m）

3　施工方案

图2　典型横断面（m m）

B匝道钢箱梁施工难点是跨虹桥路高架桥，且跨度为60m，不便于在高架桥中间搭设支承系统，导致该区域吊装施工受到限制；并且虹桥路高架桥车流量大，交通复杂，吊装难度很大，因此跨虹桥路高架桥梁段采用顶推施工，剩余梁段采用吊装完成。全部顶推梁段在临时支架上拼装好后，采用液压千斤顶由北向南顶推，待梁段顶推到位后，原位拼装剩余梁段。为方便运输和制造，便于原材料定尺采购，将37+60+37+ 30m钢箱梁按全桥纵向分为17个大节段；将其横向分为4片（包含左右两片挑檐）在现场组焊，所有分段线均避开应力集中处。梁的材料选择为：主桥钢横梁、钢箱梁顶、底板及腹板钢材材质为Q345qD，横隔板、I型及U型加劲肋材质为Q235qD，后浇结合层为C50混凝土。

4　钢箱梁顶推计算分析

4.1施工控制原则

在施工过程中，要以安全作为前提，需要对施工整体进行全方面考虑。钢箱梁由于强度较大，但钢箱梁刚度不是可以控制因素，还需要进行加强整个钢箱梁的全部应力和个别的局部应力的分析，对于整体稳定不是控制整个钢箱梁的因素，但是影响整个钢箱梁的因素就是局部应力，特别是临时支点位置、横板、纵板的稳定，所以在对应力分析时要进行全面考虑。

4.2有限元模型

采用桥梁分析软件MIDAS CIVIL按空间梁单元对钢箱梁顶推整个施工过程及成桥运营阶段进行整体受力分析，截面按钢混组合截面。U形肋按照竖向抗弯惯性矩相同的原则等效为等高度的I形肋（12mm厚）进行模拟。

空间计算模型见图3所示。

图3　空间结构单梁模型示意图

单梁模型每个支点设置2个支座约束。

4.3顶推阶段计算

由于顶推悬臂长度度不大，顶推阶段的钢梁截面应力较小，在顶推过程中主要关注临时支承点钢梁底板强横隔处支承加劲肋的应力，以及最大悬臂状态顶推梁段的倾覆稳定性。

经计算，最大悬臂状态下钢导梁及主梁最大拉压应力不超过30MPa，满足规范要求。顶推施工过程中最大支反力824kN，受压加劲肋只计入50cm宽度强横隔和竖向加劲肋FV1的面积进行验算，强横隔板厚16mm，FV1板厚20mm，则承压面积 A=0.5×0.016+0.02×0.25×2=0.018m2，则 σ=0.824/ 0.018=45MPa，满足规范要求。

最大悬臂状态下顶推梁段失稳时以悬臂根部为旋转轴，计算时将悬臂根部设固结约束，则支架端与悬臂端对该处的弯矩比值即为倾覆稳定安全系数。

倾覆状态下对约束节点处的弯矩如图4所示（单位：kN·m）：

图4　

倾覆安全系数K=21596/7558=2.86〉2.5，考虑到顶推梁段平面为弯梁，有扭矩存在，计算安全系数取一定的富裕量，满足规范要求。

4.4成桥运营阶段计算

计算时考虑如下工况：①结构自重；②二期荷载；③基础变位；④温度荷载；⑤梯度温度；⑥汽车荷载（考虑冲击力）。

（1）主梁应力验算

主桥应力验算时按1.0×①+1.0×②+1.0×③+1.0×④+1.0× ⑤+1.0×⑥进行计算。该条件下，桥梁跨中最大正弯矩40658kN·m；支点最小负弯矩为49723kN·m。箱梁截面上缘最大拉应力为114.7（考虑剪力滞为144.5）MPa〈［σW］=210MPa，最大压应力为114.3（考虑剪力滞为126.9）MPa〈［σW］=210MPa；箱梁截面下缘最大拉应力为137.7（考虑剪力滞为147.3）MPa〈［σW］=210MPa，最大压应力为149.5（考虑剪力滞为174.9）MPa〈［σW］=210MPa。箱梁截面最大剪应力为62.3MPa〈［τ］=120MPa，均满足规范要求。

图5　弯矩包络图

（2）挠度验算

挠度验算时按1.0×⑥/1.05进行计算。在结构重力和静活载作用下结构的竖向位移等值图如图6所示。首跨跨中最大竖向位移值最大为3.4cm〉L/1600=3650/1600=2.28cm，需设置预拱度。主跨跨中竖向位移值最大为17.4cm〉L/1600=6000/ 1600=3.75cm，需设置预拱度。第三跨跨中最大竖向位移值最大为1.47cm〈L/1600=3700/1600=2.3cm，无需设置预拱度。第四跨跨中竖向位移值最大为 2.88cm〉L/1600=2950/1600= 1.84cm，需设置预拱度。

图6　结构重力和静活载作用下结构最大位移（m m）

汽车荷载（不计冲击力）所引起的跨中竖向挠度为：首跨2.41cm〈L/600=3700/600=6.2cm；第二跨6.27cm〈L/600=6000/ 600=10.0cm；第三跨1.87cm〈L/600=6000/600=6.2cm；第四跨1.34cm〈L/600=3000/600=5.0cm；均满足规范要求。