钢箱梁斜交顶推施工整体受力分析研究.pdf

Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 20 期71文章编号：2095-6835（2023）20-0071-03钢箱梁斜交顶推施工整体受力分析研究周 帆1，王金龙2，周轶峰3（1.中铁二十四局集团有限公司，上海 200000；2.南京上铁地方铁路开发有限公司，江苏 南京 210000；3.河海大学土木与交通学院，江苏 南京 210098）摘要：根据斜交钢箱梁顶推施工的实际工程状况，建立了全桥精细化的有限元模型，详细分析了在顶推施工过程中连续钢箱梁整体的受力情况，从应力及挠度变形的角度分析了斜交顶推施工过程中结构的安全性能，并对局部高应力原因展开探讨。研究结果表明，斜交顶推过程中，桥梁结构整体受力满足规范要求，但在非对称支承状态下，结构应力应变明显呈现对称分布，设计施工过程中需要考虑结构的抗倾覆性能。关键词：钢箱梁；斜交；顶推施工；受力分析中图分类号：U445.462文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.20.020随着中国交通工程的建设及发展，在一些重要交通节点处，出现了越来越多的跨线桥梁。顶推施工技术的成熟应用，不但可以保证施工质量、提高工效，而且可以降低对既有通行道路运营的影响，甚至不影响通行高速公路的运营，对提高国民经济效益具有积极的意义1。虽然中国对正桥顶推施工技术的研究已较为成熟，有些专家已经开发了用于正桥顶推计算的有限元软件，如长安大学用 MATLAB 编制了预应力混凝土连续梁桥动态内力分析软件2，华南理工大学研发了顶推法施工过程仿真分析软件 APTLM3，但是由于斜桥的力学特性与正桥有着一定的差异（如弯扭耦合、反力的不均匀分配等），使得正桥顶推法的这些成果不能直接应用于斜桥顶推（如顶推力分配、墩顶位移控制等）4。文献5根据斜交箱梁力学行为特点，将围成闭口截面箱梁板件视为板梁，然后借助斜坐标来描述各板件子单元位移模式，由此提出了薄壁斜交箱梁空间计算的斜形板梁有限单元法；文献6将斜交箱梁沿纵向划分为若干斜梁段，依据箱梁结构进一步将斜梁段划分为若干板梁段子单元，在位移分析的基础上，通过正、斜交坐标转换关系，直接建立在斜交坐标系内描述单元空间位移的方法，用势能驻值原理建立其有限单元列式；文献7详细地介绍了钢结构在各种荷载下的稳定分析。综上所述，目前大多关于斜桥的研究仍处于结构形式层面，对于顶推施工过程中结构整体的受力情况及主要危险位置介绍仍未明晰，因此有必要针对斜桥顶推过程中的结构整体进行深入研究。本文依托斜交钢箱梁顶推施工方案，建立全桥精细化的有限元模型，分析了斜交顶推施工过程中钢箱梁及导梁结构的整体应力及变形，探明了结构在施工过程中的危险位置。计算结果为类似工程提供设计依据，对实际施工能够起到很好的指导作用。1工程概况本次设计将本联两跨 32.127 m 和 32.873 m，共计65 m，梁段采用边墩正交，中间墩斜交的布孔方式，中墩与路线夹角为 100.579，在前端设置 26 m 导梁一起作为顶推施工。该顶推节段65 m梁部采用预制拼装，顶推前施工外侧防撞护栏，连续顶推到位后，再铺设桥面铺装。最大总顶推质量约 1 404 t，该质量包含 65 m长钢箱梁 1 314 t 和 26 m 长导梁 90 t。2有限元建模2.1模型参数由于钢箱梁属于薄壁结构，其板件厚度远小于结构的整体跨径，因此在本文研究中拟采用壳单元模型，既能保证计算精度，也能有效节约计算资源。本文模型依据现场工程参数建立，基于 ABAQUS 有限元软件建立全桥壳单元模型，采用 S3R、S4R 单元进行网格划分，网格标准尺寸为 150 mm，局部区域进行细化处理。荷载主要为桥梁自重荷载，根据不同工况实际边界条件约束不同支点自由度，以达到模拟还原现场施工状态的目的。S3R、S4R 单元分别为三、四节点曲壳单元，采用缩减积分的计算方式，适合分析薄壳及中厚壳结构，可以支持线性分析、大扭转、材料塑性、大应变、大变形和变厚度非线性分析。考虑到钢箱梁自重影响，钢材的弹性模量 E=2.1105MPa，钢材质量密度为 7.8510-9t/mm3，重力加速度 g=9 810 mm/s2，泊松比 v=0.3。全局模型采用壳模型，线性四边形减缩积分 S4R 壳单元进行划分，全桥网格尺寸为 150 mm。科技与创新Science and Technology&Innovation722023 年 第 20 期2.2工况划分依据桥梁钢结构拼装施工流程示意图，结构计算基本模拟了钢结构桥梁安装工程的施工全过程，主要针对顶推过程中的悬臂及非对称支承阶段，对一些常规工况进行了简化处理。模型施工阶段的模拟如表1 所示。表 1有限元计算模型施工阶段的模拟施工阶段说明CS1主梁节段拼装支架施工，拼装钢梁及导梁完成，准备滑移CS2钢梁前移，此时导梁前移至 26 号墩前方，此时处于最大悬臂状态CS3钢梁前移，导梁一侧刚好与 26 号墩搭接，结构处于非对称支承状态CS4钢梁继续滑移至桥墩支座处，完成滑移，准备落梁，导梁悬臂3计算结果分析3.1结构空间应力分析结合上文中划分的施工工况，针对不同的施工工况在有限元模型上施加相应约束，从而模拟现场实际施工，有限元应力计算结果如表 2 所示。从表 2 可以看出，在整个施工过程中，最大 Mises 应力出现在 CS2工况下，为 197.7 MPa。结合 CS2 工况下的支点分布情况，可以看出在此工况下结构处于最大悬臂状态，因此局部应力偏大。同时可以发现，CS3 工况与 CS2工况下的结构最大应力基本一致。考虑 CS2 工况和CS3 工况的边界条件，2 个工况下箱梁区域内的支点约束位置不变，CS3 工况一侧导梁端部支承于墩顶，因此推测当处于非对称支承状态时，虽然结构一侧已经支承在墩顶，但是其最大应力并没有明显较少，结构仍处于危险状态。表 2各工况下最大应力工况最大应力/MPaCS1166.8CS2197.7CS3196.3CS4149.4钢箱梁最大应力分布图如图 1 所示。从图 1 各工况下的最大应力位置分布可以看出，最大应力全部出现在第二组顶推支点同一侧，因此对于斜交桥的顶推施工应重点关注该位置处的应力情况，并在设计阶段进行相应的增强处理。（a）CS1 支点分布（b）CS2 支点分布（b）CS3 支点分布（d）CS4 支点分布图 1钢箱梁最大应力分布图3.2挠曲变形分析各工况下结构最大竖向位移如表 3 所示。从表 3可以看出，整体最大位移均出现在导梁前端，其中 CS2工况下竖向位移最大；CS3 工况下导梁结构的最大竖向位移与 CS2 工况基本一致，箱梁区域内竖向位移略大于其他工况。CS3工况下结构变形云图如图2所示，CS3 工况下结构变形呈现明显非对称分布，最大位移均出现在未支承一侧。表 3各工况下最大竖向位移工况最大竖向位移/mm导梁区域箱梁区域CS154.294.389CS261.184.322CS360.884.569CS449.304.232（a）导梁第四组支点第三组支点第二组支点第三组支点第一组支点第二组支点第一组支点第四组支点最大应力位置第三组支点最大应力位置第二组支点第一组支点第四组支点第一组支点最大应力位置最大应力位置第四组支点第三组支点第二组支点第五组支点Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 20 期73（b）箱梁图 2CS3 工况下结构变形云图4结论本文根据斜交钢箱梁顶推施工的实际工程状况，基于有限元模型，详细分析了在顶推施工过程中连续钢箱梁及导梁的受力情况，并得到了以下结论：该桥梁结构在顶推施工过程中最大应力值均未超过Q345 的材料强度设计值，满足规范要求；斜交顶推施工中结构最大应力往往出现在箱梁同一侧顶推支点处，有明显规律可循，在设计阶段应予以考虑；不同于常规顶推施工，斜交顶推过程中需要重点注意非对称支承工况下的结构受力。从本文的研究可以看出，虽然非对称支承阶段的最大应力及竖向变形值基本与结构处于悬臂状态时一致，但明显呈现非对称分布的情况，因此在斜交顶推过程中同时需要考虑结构抗倾覆。参考文献：1陈示光.桥梁工程钢箱梁顶推施工技术C/2021 年全国工程建设行业施工技术交流会.2021 年全国工程建设行业施工技术交流会论文集（下册）.北京：施工技术编辑部，2021：141-144.2梁爱斌，王春生，徐岳.采用 MATLAB 语言开发连续梁桥顶推施工结构分析程序J.交通与计算机，2000（5）：57-61.3颜全胜，王卫锋，邹小江.顶推法施工过程仿真分析软件的研制J.世界桥梁，2003（3）：66-69.4黄平明.混凝土斜梁桥M.北京：人民交通出版社，2000：84-118.5王荣辉，张俊平，邱波.薄壁斜交箱梁的斜形板梁有限单元法J.中国公路学报，2000（3）：41-44.6盛兴旺，曾庆元.斜交箱梁的板梁段有限元法J.中国铁道科学，2004（3）：55-60.7陈绍礼.钢结构稳定设计：理论与实践J.建筑钢结构进展，2002（4）：12-17.作者简介：周帆（1998），男，本科，助理工程师，研究方向为桥梁施工。通信作者：王金龙（1992），男，本科，助理工程师，研究方向为工程施工。（编辑：丁琳）（上接第 70 页）参数做相应修改，即可实现从有线到无线传输的快速切换10。经测试，ZigBee 无线数据传输稳定可靠，成功率高，完全能满足自动站应急通信的需要，具有较好的应用前景。参考文献：1龚贤创，杨维发，杨代才，等.基于 ZigBee 技术的无线气象数据采集系统的设计与实现J.气象科技，2015，43（4）：607-611.2艾红，邱靖鹏.基于 ZigBee 无线传输的供暖温度监测系统研究J.现代电子技术，2018，41（23）：113-117，122.3BODUNDE O P，ADIE U C，IKUMAPAYI O M，etal.Architectural design and performance evaluation of a ZigBeetechnologybasedadaptivesprinklerirrigationrobotJ.Computersandelectronicsinagriculture，2019，160：168-178.4刘雁.基于 ZigBee 通信和 ARM 控制器的车内有害气体浓度带电检测J.中国电子科学研究院学报，2018，13（6）：725-731.5GUAN Y X，FANG Z，WANG T R.Fire risk assessment anddaily maintenance management of cultural relic buildingsbased on ZigBee technologyJ.Fire science&technology，2018，211：192-198.6徐兵.基于 ZigBee 的自动气象站系统的设计D.南京：南京信息工程大学，2008.7鞠春光.Zigbee无线传输技术在数字图书馆中的应用J.硅谷，2012（9）：126，132.8候洪丽，张霄霞，王福明.ZigBee 无线传输技术综述J.山西电子技术，2011（4）：84-86.9张兵，林建辉，伍川辉.基于 ZigBee 技术无线传输网络的设计与实现J.仪表技术与传感器，2009（2）：49-52.10吕抒航.综合集成硬件控制器在气象数据通信传输中的应用J.气象研究与应用，2017，38（1）：128-130.作者简介：陈国强（1980），男，工程师，主要从事自动气象站技术保障工作。（编辑：王霞）