跨越既有線路鋼箱梁頂推施工有限元仿真分析

曹嵩嶺

（中鐵二十二局集團第一工程有限公司，哈爾濱 150000）

鋼箱梁頂推施工是橋梁施工中的一種重要方式，它能有效地跨越山川河谷及既有道路，順利地完成橋梁的架設，形成一條有效的交通通道。同時，鋼箱梁頂推施工也是國內(nèi)外學者在工程領域重要的研究對象，吳磊等[1]以某山區(qū)曲線鋼箱連續(xù)梁橋工程為背景，介紹了頂推方向與頂推糾偏量的計算方法及大型臨時結(jié)構(gòu)的設計。同時建立了鋼箱梁局部實體單元有限元模型，以分析最大支反力作用點的局部受力性能。宋顯銳等[2]對大跨鋼箱梁橋頂推臨時支架結(jié)構(gòu)受力進行了分析，結(jié)果表明：在頂推施工過程中，支架縱橋向頂部位移及底部應力較大，屬于薄弱部位，考慮到各頂推設備之間不嚴格同步可能產(chǎn)生較大水平力，施工過程中應對其薄弱部位進行加強。喬凱等[3]對鋼桁架橋頂推施工數(shù)字化模擬安全預測技術進行了研究，通過施工階段數(shù)字化模擬、工藝試驗驗證、施工過程數(shù)據(jù)采集分析等手段預測施工中安全風險，實現(xiàn)施工過程中的風險預判，并總結(jié)了數(shù)字化模擬安全預測技術。伍彥斌等[4]對大跨簡支鋼箱梁頂推及高位落梁施工關鍵技術進行了研究，通過分析各個工序轉(zhuǎn)換時頂推及落梁系統(tǒng)的高程匹配與約束條件，建立了適用于一般情況的系統(tǒng)高程計算式，給出了合理的參數(shù)范圍，可為同類工程施工提供參考。馬義云等[5]對長跨變坡連續(xù)鋼箱梁頂推受力特性進行了分析，應用數(shù)值模擬的手段，確定合理參數(shù)范圍，明確橫向糾偏閾值，控制糾偏頻率，確保結(jié)構(gòu)在成橋前后的安全可靠。

以崔家崖特大橋鋼箱梁工程為例，介紹了鋼箱梁及鋼導梁的技術參數(shù)，并對施工全過程進行了強度、剛度力學分析，同時對危險工況下的鋼箱梁、鋼導梁進行了局部受力分析，為類似項目提供借鑒。

1 工程介紹

1.1 項目簡介

崔家崖特大橋橋址小里程端位于黃河高階地區(qū)，其余均位于黃河二級階地區(qū)，由于既有鐵路的修建及其他人為活動，對原始地形地貌改變較大，總體地形較平緩，小里程側(cè)地形起伏。鋼箱梁自5#墩至8#墩，共計3 跨，跨徑分別為32.87、32.93、32.87 m。其中6#、7#墩在該處采用門式墩跨越既有中川鐵路，與既有線中線交角為75°，墩柱頂采用永久性鋼模板鋼筋混凝土，橫梁采用鋼套箱做為模板澆筑混凝土（鋼套箱與蓋梁混凝土整體澆筑為永久結(jié)構(gòu)，不再進行拆除），鋼蓋梁橫向長30 m，縱向?qū)挾? m，高度2.8 m。

1.2 鋼箱梁頂推總體施工方案

鋼箱梁及鋼導梁由加工廠進行加工制作，采用汽運運輸方式至施工現(xiàn)場進行拼裝、頂推。

頂推支架采用Φ609×16 mm 鋼管，支架頂設置縱橫向分配梁，分配梁上放置頂推千斤頂，支墩基礎采用鋼筋混凝土條形基礎。

鋼箱梁運輸至施工現(xiàn)場后，采用ZCC9800W 履帶吊進行鋼梁吊裝，先吊裝內(nèi)側(cè)主梁后吊裝外側(cè)主梁，吊裝完成后進行焊接連接。鋼導梁吊裝之后與鋼箱梁進行焊接連接。

對頂推設備各油路、電路進行系統(tǒng)調(diào)試，調(diào)試完成后進行試頂推。

試頂推完成后，開始正式頂推。為了提高施工效率、減少對鐵路運輸?shù)挠绊?、降低安全風險存續(xù)時間，整個頂推過程均在封鎖點內(nèi)進行，頂推結(jié)構(gòu)過蘭新線時及過之后的頂推均為二級封鎖。

鋼箱梁平面位置頂推就位后，進行落梁、拆除導梁，完成頂推施工。

2 主要技術參數(shù)

2.1 鋼箱梁結(jié)構(gòu)參數(shù)

本工程鋼箱梁橋面全寬為11.9 m、底板寬9.1 m、梁高2.35 m、單箱3 室。頂板橋面鋪裝設置雙向2%橫坡，橫坡通過鋪裝高度形成。頂板厚26 mm、底板中支點處厚32 mm、其余部分厚24 mm、腹板厚20 mm。中支座處鋼箱梁底部灌注C50 混凝土。頂、底板設置T 型加勁肋，另外頂板設置6 道大縱肋，腹板設置板形加勁肋，加勁肋與鋼箱梁內(nèi)側(cè)采用焊接方式連接。鋼箱梁的縱向分為7 段，橫向分為2 段，縱向分段圖如圖1 所示。

圖1 鋼箱梁縱向分段示意圖

2.2 導梁參數(shù)

導梁長度為15 m，分2 個節(jié)段，主梁一截面規(guī)格為（2 300×800×20×20）mm、主梁二截面規(guī)格為（1 800×800×20×20）mm，材質(zhì)為Q355。導梁中間橫向聯(lián)系采用Φ159×6 mm 的圓管連接、材質(zhì)為Q235，鋼導梁重為31.7 t。在導梁底部設置加勁板增強導梁剛度，加勁板1截面為（15 000×39×12）mm、加勁板2 截面為（500×390×12）mm、加勁板3 截面為（1 798×390×12）mm、加勁板間距為300 mm。導梁的平面及立面圖如圖2—圖3所示。

圖2 導梁平面圖

圖3 導梁立面圖

3 施工模擬分析

3.1 建立模型

分別用不同的施工模擬分析軟件對不同的施工情況進行建模分析，首先用Midas-civil 仿真軟件對鋼箱梁與導梁進行整個施工過程的模擬計算進行建模，然后采用Midas-FEA 仿真軟件對鋼箱梁局部受力的最危險工況進行建模分析，最后應用ANSYS 仿真軟件對導梁的局部受力的最危險工況進行建模分析，其中Midas-civil 采用梁單元對鋼箱梁與導梁進行建模，Midas-FEA 與ANSYS 均采用板單元對鋼箱梁、導梁局部進行建模，滿足不同的受力分析要求。

3.2 荷載

整個施工模擬分析過程主要有以下幾個荷載部分組成：鋼箱梁自重，鋼箱梁容重：78.5 kN/m3，鋼梁總重為976.63 t、剪力釘重6.1 t；風荷載，鋼梁吊裝及頂推工作時作業(yè)風力為6 級及以下，相應風速為13.8 m/s；非工作狀態(tài)下，驗算風力為10 級，相應風速為28.4 m/s。風載按TB 10002—2017《鐵路橋涵設計規(guī)范》進行計算，6 級風荷載強度W1=107 Pa，每延米鋼梁6 級風風載F1=0.252 kN/m。10 級風荷載強度W2=454 Pa，每延米鋼梁10 級風風載F2=1.07 kN/m；頂推水平力，按豎向荷載的0.1 倍考慮；橋面荷載，頂推前將欄桿及混凝土基礎施工完成，混凝土尺寸為0.42 m×0.45 m、線荷載為9.6 kN/m，內(nèi)配鋼筋線荷載為0.2+0.2=0.4 kN/m；中支座混凝土，頂推前將中支座處混凝土澆筑完成，混凝土集中荷載為7.8 kN。

3.3 模擬結(jié)果

3.3.1 頂推強度與剛度計算

整個頂推施工根據(jù)實際頂推工序及荷載情況劃分為53 個計算工況，由施工模擬得到施工過程中鋼箱梁最大組合應力為31.0 MPa，發(fā)生在結(jié)構(gòu)的支點處，導梁最大組合應力為62.7 MPa，發(fā)生在導梁中間部位，其受力云圖如圖4—圖5 所示。

圖4 鋼箱梁最大應力云圖

圖5 導梁最大應力云圖

在整個施工過程中，鋼箱梁的撓度最大值為21.8mm、導梁的撓度最大值為48.0 mm，且發(fā)生在同一工況下，即導梁最大懸臂長度為33.3 m 時，如圖6 所示。

圖6 鋼箱梁與導梁最大變形圖

3.3.2 鋼箱梁局部分析

選取頂推施工中鋼箱梁受力最危險工況，對鋼箱梁進行局部受力分析，根據(jù)計算可知梁底最大反力為4 790 kN，在墊梁與鋼箱梁底接觸位置施加該反力，其受力面積為400 mm×9 140 mm。由仿真模擬分析得到，在鋼箱梁與墊梁接觸位置的端部產(chǎn)生了應力集中，最大應力為137.5 MPa，如圖7 所示。

圖7 鋼箱梁局部受力應力云圖

3.3.3 導梁局部分析

選取頂推施工中導梁受力最危險工況，對導梁進行局部受力分析，根據(jù)計算可知導梁底最大反力為2 483 kN，在墊梁與鋼箱梁底接觸位置施加該反力，其受力面積為400 mm×800 mm。同樣的，在導梁與墊梁接觸位置的端部產(chǎn)生了應力集中，最大應力為176.5 MPa，如圖8 所示。

圖8 導梁局部受力應力云圖

4 結(jié)論

通過對崔家崖鋼箱梁頂推施工力學行為進行研究，解決了鋼箱梁跨越既有線路施工問題，保證了施工的安全性，主要得到以下結(jié)論：①施工過程中鋼箱梁最大組合應力為31.0 MPa＜265 MPa 發(fā)生在鋼箱梁支點處，導梁最大組合應力為62.7 MPa＜250 MPa 發(fā)生在導梁的中間部位，根據(jù)TB 10091—2017《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》知鋼箱梁、導梁在頂推過程中應力均滿足要求。施工過程中鋼箱梁撓度最大值21.8 mm、導梁撓度最大值48.0 mm，發(fā)生在導梁最大懸臂長度33.3 m時，根據(jù)GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》附錄A 知撓度最大值均小于L/400=83.2 mm，剛度滿足要求。②鋼箱梁局部受力分析，最大應力為137.5 MPa＜265 MPa，且發(fā)生在鋼箱梁與墊梁接觸位置的端部，根據(jù)TB 10091—2017《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》知鋼箱梁強度滿足要求。③導梁局部受力分析，最大應力為176.5 MPa＜265 MPa，且發(fā)生在導梁與墊梁接觸位置的端部，根據(jù)TB 10091—2017《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》知導梁強度滿足要求。