連續(xù)鋼箱梁頂推施工局部受力分析

□文/李建軍 劉冬冬 王錚

連續(xù)鋼箱梁頂推施工局部受力分析

□文/李建軍 劉冬冬 王錚

以某連續(xù)鋼箱梁橋跨越既有線頂推施工為背景，研究頂推施工過程中鋼箱梁的局部受力特性。采用有限元分析軟件ANSYS對鋼箱梁節(jié)段進行了三維數(shù)值模擬，研究了頂推施工過程中最不利工況下鋼箱梁的局部應力狀態(tài)。通過對底板加勁肋位置、底板厚度、腹板厚度等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了分析，結(jié)合工程實際情況，提出改善鋼箱梁局部受力特性措施。

鋼箱梁；頂推；有限元分析；局部受力

頂推法施工具有施工費用較低、施工設(shè)備少、無噪聲、不影響橋位處交通運行和縮短施工工期等優(yōu)點，當橋位施工場地狹小，而且需在運營的既有線上方施工時，為確保工程及運營線路的安全，宜采用鋼箱梁頂推施工。國內(nèi)對鋼箱梁頂推施工過程中的受力分析研究較少。采用頂推法施工的鋼箱梁設(shè)計需要同時滿足成橋階段與施工階段的要求，目前對頂推施工橋梁基本還處于按照成橋的受力狀態(tài)進行設(shè)計，然后通過對局部的構(gòu)造進行補強以保證施工的安全，這種做法顯然效率不高。本文以某連續(xù)鋼箱梁橋頂推施工為背景，對影響施工過程中鋼箱梁受力的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進行探討。

1　工程概況

某特大橋上部結(jié)構(gòu)為連續(xù)鋼箱梁，橋梁總體布置見圖1。鋼箱梁采用Q 370qE鋼，全橋采用單箱單室等高連續(xù)鋼箱梁的形式，箱梁每隔2.0 m左右設(shè)置一道橫向加勁肋，頂?shù)装逶O(shè)置T型加勁肋，腹板設(shè)置板型加勁肋，梁高4.8 m，箱梁頂寬7.5 m，底寬4.3 m，中支點局部加寬至5.04 m，頂板厚24 mm，底板中支點處厚32 mm，其余部分厚24mm，腹板厚26mm。

圖1　橋梁總體布置

2　頂推過程計算分析

2.1頂推計算建模

在頂推施工過程中，鋼箱梁縱向受力是一個比較重要的研究內(nèi)容。在頂推過程中，鋼箱梁主要受力特點是隨著頂推長度增加，全橋每個截面的受力不斷呈現(xiàn)正、負彎矩反復性變化。由于每個截面內(nèi)力變化的復雜性，本文采用有限元方法對橋梁整個頂推過程進行模擬，得出各梁段在不同頂推工況中內(nèi)力狀態(tài)，得到鋼箱梁在整個頂推過程中的應力和變形結(jié)果。

為得到鋼箱梁頂推施工過程中的應力狀況，采用有限元分析軟件MIDAS/Civil 2010對鋼箱梁和鋼導梁采用桿系單元進行模擬，沿縱向每0.5 m劃分1個單元，每頂推0.5 m作為一個計算工況，再通過改變支承點位置，模擬頂推過程。

2.2頂推計算結(jié)果分析

通過頂推施工仿真分析，得到施工過程中鋼箱梁的各項控制參數(shù)的理論數(shù)值，見表1。表1中應力為鋼箱梁縱向應力的理論計算值且均出現(xiàn)在鋼箱梁最大懸臂狀態(tài)的工況下。由表1可知，頂推過程中鋼箱梁的最大彎曲應力為103.7 MPa，小于鋼材的允許應力210 MPa，結(jié)構(gòu)受力滿足規(guī)范要求，但由于最大懸臂狀態(tài)22號滑道梁支反力過大，極易導致滑道梁處附近鋼箱梁出現(xiàn)局部屈曲或者鋼材屈服，因此有必要對其進行局部受力分析。

表1　頂推施工分析結(jié)果

3　局部分析模型確定

3.1局部分析目的

目前對頂推施工橋梁的設(shè)計基本還是處于按照成橋的受力狀態(tài)進行設(shè)計，對于施工過程中鋼箱梁的受力狀態(tài)沒有加以考慮，因此鋼箱梁的設(shè)計存在一定的不合理性，極易在施工過程中出現(xiàn)施工事故，本文根據(jù)實際施工狀況，針對鋼箱梁頂推過程中的局部受力問題進行分析并提出改善措施。通過頂推時全過程分析選出頂推過程中滑道梁出現(xiàn)的最大支反力，采用有限元分析軟件ANSYS對鋼箱梁節(jié)段進行局部受力進行分析，在頂推過程中，滑道梁上方的底板、橫隔板、縱肋都處于較復雜的應力狀態(tài)，通過有限元分析，利用有限元靜力分析結(jié)果和特征值屈曲分析結(jié)果，結(jié)合組成構(gòu)件的各部分的材料特性，準確地判斷結(jié)構(gòu)的破壞是始于構(gòu)件屈服還是構(gòu)件屈曲。如果結(jié)構(gòu)中某板件的理論屈曲臨界應力低于材料的屈服應力，則結(jié)構(gòu)將先發(fā)生屈曲破壞；如果結(jié)構(gòu)中各板件的理論屈曲臨界應力高于材料的屈服應力，則各板件中應力水平最高者將先發(fā)生屈服破壞，進而引起整個結(jié)構(gòu)破壞。

3.2局部分析建模

采用ANSYS的殼單元建立12 m長的鋼箱梁節(jié)段模型，對滑道梁處鋼箱梁局部進行仿真分析，節(jié)段模型見圖2。頂推過程中鋼箱梁受力主要是梁底的滑道梁處支反力和兩端相鄰梁段的約束，將端部邊界條件近似按兩端完全固結(jié)處理并在鋼箱梁底板滑道梁接觸位置施加豎向面荷載來模擬梁段所受的滑道梁支反力，單個滑道梁與鋼箱梁底的接觸尺寸：長1.8 m、寬0.9 m，滑道對鋼箱梁底板的作用力按均布荷載考慮，在滑道對應的鋼箱梁底板位置施加向上的均布面荷載。采用理想彈塑性本構(gòu)模型對鋼橋進行材料非線性分析，鋼箱梁的彈性模量為2.1×108kN/m2，重度為76.98 kN/m3，泊松比為0.3。

圖2　局部模型示意

3.3模型計算工況

在頂推過程中根據(jù)滑道梁處支反力作用位置不同，鋼箱梁受力的情況分為支反力作用在兩相鄰橫隔板之間和橫隔板下方兩種情況，見圖3；根據(jù)實際施工情況，在頂推過程中將兩側(cè)滑道梁的支反力近似按1∶1分配。通過對頂推全過程分析，可知在鋼箱梁最大懸臂狀態(tài)，墩頂滑道梁支反力最大，其值為8.05×103kN，支反力采用均布面壓力施加荷載。

圖3　加載位置

4　局部分析結(jié)果

4.1局部靜力分析

通過對鋼箱梁局部應力分析，得到滑道梁在兩種作用位置的鋼箱梁等效應力圖，工況1滑道梁位于橫隔板正下方，此處的鋼箱梁應力見圖4a，工況2滑道梁位于兩道橫隔板之間，此處的鋼箱梁應力見圖4b。

由應力分析可知，除部分節(jié)點位置出現(xiàn)較大的應力集中外，在工況1作用下，滑道梁作用位置底板、底板板肋、腹板以及橫隔板開孔處均呈現(xiàn)屈服狀態(tài)；在工況2作用下，滑道梁作用位置底板、底板板肋以及橫隔板開孔處附近均呈現(xiàn)屈服狀態(tài)，腹板處應力低于鋼材的容許應力。

由此，可以認為雖然頂推施工過程中鋼箱梁整體應力滿足規(guī)范要求，但是由于滑道梁處支反力過大造成部分截面構(gòu)件屈服。因此目前采用頂推施工方法橋梁的基本設(shè)計流程一般是設(shè)計、施工分別考慮，在設(shè)計階段偏重考慮成橋階段的受力，施工過程中再對不能滿足施工要求的局部進行補強的設(shè)計理念是不合理的。

圖4　支承位置處鋼箱梁等效應力

4.2局部穩(wěn)定分析

鋼箱梁各組成構(gòu)件均是高強度的薄壁構(gòu)件，其穩(wěn)定性問題比強度問題顯得更為重要，故有必要用數(shù)值分析來表述其穩(wěn)定性問題。

第一類穩(wěn)定問題的力學情況比較明確，在數(shù)學上作為特征值問題比較容易處理，而它的臨界荷載又近似地代表相應的第二類穩(wěn)定臨界荷載的上限。另外，由于對于鋼箱梁這一構(gòu)造復雜且龐大的結(jié)構(gòu)，其初始幾何缺陷難以考慮且各板件的幾何缺陷和殘余應力各不相同，無法準確獲知且進行雙重非線性分析所需的計算機資源要求較高。第一類穩(wěn)定問題雖然無法準確計算結(jié)構(gòu)真實的臨界荷載，但是由于和第二類穩(wěn)定問題的相關(guān)性，因此仍然能對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性做出評價。

特征值屈曲分析得到的工況1鋼箱梁橫隔板與底板的第一階失穩(wěn)模態(tài)見圖5，工況2與工況1失穩(wěn)模態(tài)基本一致。工況1鋼箱梁第一階模態(tài)下屈曲荷載系數(shù)為3.5801，工況2鋼箱梁第一階模態(tài)下屈曲荷載系數(shù)為3.106 7，鋼箱梁節(jié)段最先發(fā)生失穩(wěn)的位置在橫隔板入孔處。當滑道梁作用于橫隔板正下方時對于局部穩(wěn)定來說是最不利的，此時橫隔板比較容易發(fā)生失穩(wěn)，可能通過增加橫隔板加勁肋的方式改善其局部穩(wěn)定性能。

圖5　工況1第一階失穩(wěn)模態(tài)位移

5　參數(shù)分析

通過以上分析可知，在頂推過程中，鋼箱梁所受的荷載值達到臨界屈曲荷載前，已有板件達到了材料的強度極限，所以該受力模式下的結(jié)構(gòu)安全仍應以強度控制為主。因此對該連續(xù)鋼箱梁橋進行參數(shù)分析，研究底板板肋布置位置、底板厚度、腹板厚度等關(guān)鍵構(gòu)件參數(shù)對鋼箱梁局部應力的影響，從而對鋼箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一定參考。本文分別以A、B、C、D、E代表箱梁橫隔板、箱梁底板、底板T肋腹板、底板T肋翼緣、箱梁腹板的最大等效應力出現(xiàn)的位置。

5.1底板板肋布置對局部應力的影響

鋼箱梁在頂推施工期間，施工單位對鋼箱梁采取了在底板兩邊T肋旁增加加勁肋的加固方式，本文通過改變底板加勁肋位置、數(shù)目與鋼箱梁原截面及加固的截面進行有限元分析對比，探討底板加勁板位置與數(shù)目對結(jié)構(gòu)局部受力的影響。鋼箱梁3種截面形式見圖6。

圖6　3種鋼箱梁截面形式

由靜力分析可知鋼箱梁節(jié)段在滑道梁支反力作用下，局部應力超過屈服強度，發(fā)生塑性變形。底板加勁肋作為主要受力構(gòu)件對鋼箱梁底板受力影響很大，因此應探討底板加勁肋布置位置對結(jié)構(gòu)應力的影響。本文分別對原設(shè)計截面、施工中加固截面以及在局部荷載作用區(qū)增加加勁肋3種截面形式進行有限元分析，得到底板加勁肋布置形式對鋼箱梁局部受力的影響。在工況1作用下，3種截面形式的鋼箱梁各關(guān)鍵構(gòu)件最大等效應力變化見圖7。

圖7　不同截面形式構(gòu)件等效應力

由圖7可知，施工過程中采用的加固措施僅對底板原加勁T肋起到顯著效果，其余關(guān)鍵位置并未起到降低應力的作用；采用在鋼箱梁局部荷載作用區(qū)增加加勁肋的措施可以有效降低結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的應力值。因此合理布置底板加勁肋位置對鋼箱梁頂推施工過程局部受力極其重要，并對鋼箱梁的截面設(shè)計提供一定參考。

5.2底板厚度對局部應力的影響

在滑道梁支反力作用下，鋼箱梁底板作為主要受力構(gòu)件其剛度對結(jié)構(gòu)應力的影響很大，底板的厚度決定了底板的剛度，因此應探討底板厚度對應力的影響。模型中底板厚度分別為26、30、40、50 mm，在工況1作用下鋼箱梁的各關(guān)鍵構(gòu)件最大等效應力變化見圖8。

圖8　不同底板厚度構(gòu)件等效應力

由圖8可知，隨著底板厚度的增大，各構(gòu)件的最大等效應力值相應減小，有利于結(jié)構(gòu)受力。但底板厚度不能過大，否則加大了結(jié)構(gòu)自重且不經(jīng)濟。因此需要綜合考慮各方面的因素，從而確定一個合理的底板厚度。

5.3腹板厚度對局部應力的影響

鋼箱梁腹板同樣作為主要受力構(gòu)件其剛度對結(jié)構(gòu)應力的影響很大，腹板的厚度決定了腹板的剛度，因此應探討腹板厚度對應力的影響。模型中腹板厚度分別為26、30、40、50 mm，在工況1作用下鋼箱梁的各關(guān)鍵構(gòu)件最大等效應力變化見圖9。

圖9　不同腹板厚度構(gòu)件等效應力

由圖9可知，隨著腹板厚度的增大，箱梁橫隔板、底板T肋腹板、箱梁腹板的最大等效應力值相應減小，有利于結(jié)構(gòu)受力；箱梁底板、底板T肋翼緣的最大等效應力變化不大，超出鋼材屈服強度。因此增大腹板厚度對鋼箱梁的局部受力作用有限。

6　結(jié)論

1）頂推施工鋼箱梁橋按照成橋的受力狀態(tài)進行設(shè)計，施工過程中通過對局部的構(gòu)造進行補強以保證施工安全的做法是不合理的。

2）鋼箱梁腹板、橫隔板、底板以及底板加勁肋作為局部受力的主要構(gòu)件，為避免局部應力過大，產(chǎn)生塑性變形而危及結(jié)構(gòu)安全，在最不利截面附近可適當增加關(guān)鍵構(gòu)件厚度以使局部應力值滿足規(guī)范要求。其中，底板的厚度對鋼箱梁局部受力效應最為顯著，在對結(jié)構(gòu)自重影響不大的前提下，可將部分梁段底板厚度作為鋼箱梁頂推施工設(shè)計考慮因素之一。

3）鋼箱梁的底板作為關(guān)鍵受力構(gòu)件，其等效應力最大值明顯高于其他構(gòu)件。在滑道梁支反力直接作用的底板位置，增加加勁肋可以有效地控制底板及其他構(gòu)件的應力值。因此，底板加勁肋布置數(shù)目及位置應在設(shè)計時重點考慮。

4）鋼箱梁各關(guān)鍵構(gòu)件的厚度增大雖有利于結(jié)構(gòu)局部受力，但容易造成結(jié)構(gòu)自重過大，不夠經(jīng)濟，因此應將各構(gòu)件厚度及底板加肋布置綜合考慮，以確定一個合理的構(gòu)件厚度值及加肋布置位置。

5）由特征值屈曲分析得到的鋼箱梁局部穩(wěn)定臨界荷載值雖然滿足要求，但是其計算結(jié)果夸大了結(jié)構(gòu)的承載能力，得到的結(jié)果將偏于不安全，只能作為結(jié)構(gòu)承載能力的上限。因此考慮材料非線性、幾何非線性和初始缺陷的第二類穩(wěn)定分析才能正確地估計結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力，應該加以研究以期準確得到結(jié)構(gòu)的局部失穩(wěn)和局部屈曲之間作為結(jié)構(gòu)破壞的控制因素。

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

□劉冬冬/天津城建設(shè)計院有限公司。

□王錚/天津市交通運輸工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站。

□U445.462

□C

□1008-3197（2015）04-64-04

□2015-04-10

□李建軍/男，1972年出生，高級工程師，碩士，天津高速集團有限公司，從事工程技術(shù)管理工作。