頂推施工中工字型導(dǎo)梁局部穩(wěn)定分析

張珺璟

摘 要：橋梁頂推法的應(yīng)用，有效地克服了被跨越道（鐵）路行車要求、跨海（深谷）等不利條件對(duì)施工進(jìn)度的影響；而在實(shí)踐中，導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性又成為決定其設(shè)計(jì)和施工成敗的先決條件。利用既有有限元軟件分析鋼結(jié)構(gòu)導(dǎo)梁，高效地滿足了工程精度和進(jìn)度的需求。在某橋梁的頂推施工中，筆者應(yīng)用ANSYS校核了導(dǎo)梁在最不利工況下的局部穩(wěn)定性，為保障施工安全提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)梁；局部穩(wěn)定性；工字鋼；頂推法

中圖分類號(hào)：U445.462 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）07-0087-02

1 概況

1.1 工程概況

位于南方某地城市立交改造項(xiàng)目，為兩快速通道的重要轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)。項(xiàng)目新建鋼箱梁主線橋一座，跨徑布置為39+50+39m，橋面豎曲線半徑3497.85m。該橋22#～23#橋墩間跨越南北交通主干線，施工中需確保該主干線的正常營運(yùn)，故設(shè)計(jì)方案為利用導(dǎo)梁頂推主梁就位。

1.2 導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)

導(dǎo)梁由1段連接節(jié)、4段標(biāo)準(zhǔn)節(jié)和1段頂節(jié)組成，節(jié)間連接為9行4列10.9級(jí)M30高強(qiáng)螺栓，連接節(jié)和標(biāo)準(zhǔn)節(jié)腹板開孔，頂節(jié)變截面，以利頂推上墩。導(dǎo)梁采用雙肢工字鋼截面，截面尺寸2000×400×18×30，梁全長30m，高2.0m（與鋼箱梁同高），兩主肢間距13.5m，由17榀鋼桁架橫向連接，桁架間設(shè)24根Φ180×6鋼管增強(qiáng)連接。導(dǎo)梁除H型鋼和圓管采用Q235B鋼外，其余均采用Q345B鋼材。導(dǎo)梁縱斷面如圖1所示。

2 導(dǎo)梁局部穩(wěn)定驗(yàn)算

2.1 工字鋼的局部失穩(wěn)

2.1.1 翼緣板的局部失穩(wěn)

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）（以下簡稱《規(guī)范》）對(duì)工字梁受壓翼緣板采取限制板伸出肢寬厚比的辦法來保證其局部穩(wěn)定。根據(jù)單向均勻受壓板的臨界應(yīng)力公式，并考慮殘余應(yīng)力的影響，翼緣板在局部翹曲前實(shí)際已進(jìn)入彈塑性階段，彈性模量已降低，取0.7E替代E計(jì)算臨界力，并要求σcr不低于屈服點(diǎn)fy，即要求梁達(dá)到強(qiáng)度極限狀態(tài)之前，翼緣不會(huì)局部失穩(wěn)[1]。

2.1.2 腹板的局部穩(wěn)定

腹板按照四邊簡支板進(jìn)行分析，在分別受到彎曲應(yīng)力、局部壓應(yīng)力及剪應(yīng)力的作用下達(dá)到臨界值時(shí)，所發(fā)生的凹凸變形的情況有所不同。上述三種應(yīng)力單獨(dú)作用下發(fā)生局部失穩(wěn)時(shí)的臨界應(yīng)力可統(tǒng)一表示為：

式中的k為腹板的屈曲系數(shù)。導(dǎo)梁同時(shí)設(shè)置有縱向和橫向加勁肋，因而由縱、橫肋分割形成的不同區(qū)格應(yīng)分別進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算。與受壓翼緣連接的區(qū)格驗(yàn)算公式為：

σ：區(qū)格內(nèi)平均彎矩產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力；σc：腹板邊緣的局部壓應(yīng)力；τ：區(qū)格內(nèi)平均剪力產(chǎn)生的腹板平均剪力；σcr1、 σc，cr1和τcr1分別為σ、σc和τ單獨(dú)作用下板的臨界應(yīng)力。

另一區(qū)格的穩(wěn)定驗(yàn)算公式為：

σ2：區(qū)格內(nèi)平均彎矩產(chǎn)生的腹板在縱向肋處的彎曲應(yīng)力；σc2：腹板在橫向肋處的壓應(yīng)力；σcr2、σc，cr2和τcr2分別按依據(jù)不同的參數(shù)計(jì)算[2]。

在驗(yàn)算中還需考慮短加勁肋對(duì)工字梁局部穩(wěn)定的加強(qiáng)和腹板開孔后的應(yīng)力集中。

2.2 導(dǎo)梁局部穩(wěn)定設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中合理地設(shè)置了縱橫向加勁肋和短加勁肋，以保證工字梁的局部穩(wěn)定。

2.3 穩(wěn)定驗(yàn)算

2.3.1 最不利工況確定

工況一：導(dǎo)梁在整體離開23#墩頂至梁底即將接觸但尚未接觸22#梁頂時(shí)，處于安全懸臂的靜定狀態(tài)。此時(shí)，導(dǎo)梁與主梁連接處出現(xiàn)負(fù)應(yīng)力極值[3]。

工況二：導(dǎo)梁頂節(jié)完全落靠在22#墩頂上時(shí)，處于一端固定一端鉸支的超靜定狀態(tài)。此時(shí)，在導(dǎo)梁與主梁的連接處出現(xiàn)負(fù)應(yīng)力極值，在距導(dǎo)梁頂節(jié)端部某距離的點(diǎn)上會(huì)出現(xiàn)最大正應(yīng)力。

2.3.2 荷載確定

導(dǎo)梁承受的荷載主要為自重，即每片工字鋼的荷載集度為8950N/m。

2.3.3 受壓翼緣驗(yàn)算

翼緣板的局部穩(wěn)定僅與其材料性能和寬厚比有關(guān)，因?qū)Я荷舷乱砭壍葘?、厚，故只取上翼緣?yàn)算。

翼緣板滿足局部穩(wěn)定要求。

2.3.4 腹板驗(yàn)算

通過有限元程序ANSYS建模分析，獲得有關(guān)應(yīng)力值后驗(yàn)算腹板局部穩(wěn)定。導(dǎo)梁懸臂狀態(tài)的有限元模型如圖2所示。

工況一有限元模型分析如圖3所示。該工況下，與受壓翼緣連接的區(qū)格和與受拉翼緣連接的區(qū)格均滿足局部穩(wěn)定要求。

經(jīng)有限元模型分析，導(dǎo)梁工況二的σ、σc、τ、σ2和σc2的應(yīng)力值遠(yuǎn)小于工況一（如圖4所示），故不再對(duì)工況二的情況做局部穩(wěn)定驗(yàn)算。

3 結(jié)語

通過對(duì)該橋梁頂推既有設(shè)計(jì)的導(dǎo)梁進(jìn)行分析，其主要受力構(gòu)件的局部穩(wěn)定性滿足相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，施工中能夠有效避免工字梁在尚未達(dá)到屈服強(qiáng)度和發(fā)生整體失穩(wěn)之前局部喪失穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

[1]蘇彥江，趙建昌.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京：中國鐵道出版社，2007.

[2]趙秋，王欣南.趙建昌.橋梁鋼箱梁腹板設(shè)計(jì)計(jì)算方法探討[J].鋼結(jié)構(gòu)，2013，28（4）：32-36.

[3]林統(tǒng)勵(lì)，伍明強(qiáng)，趙江林.頂推施工中工字型導(dǎo)梁優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].蘭州工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，22（6）：62-67.