钢箱梁顶推过程中局部应力研究.pdf

科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald科技创新导报2022 NO.30 Science and Technology Innovation Herald土 木 与 建 筑 工 程钢箱梁顶推过程中局部应力研究范红波1 周轶峰2*（1.南京上铁地方铁路开发有限公司 江苏南京 210000；2.河海大学土木与交通学院江苏南京 210098）摘要：为研究斜交钢箱梁桥在顶推施工过程中局部应力的变化情况，本文采用数值模拟的方法，以实例工程为背景，建立钢梁有限元模型。通过提取钢梁顶底板、腹板、横隔板、加劲肋和导梁应力来分析斜交钢箱梁在顶推施工中局部应力的变化情况。研究结果表明：斜交顶推过程中，最不利工况是在结构处于非对称支承状态时，且施工过程中斜交钢箱梁横隔板的应力水平远高于其他构件，应予以重点关注。关键词：斜交钢箱梁 顶推施工 局部应力 数值模拟中图分类号：U445.462文献标识码：A文章编号：1674-098X(2022)10(c)-0183-04Study on Local Stress of Steel Box Girder in Incremental Launching ProcessFAN Hongbo1 ZHOU Yifeng2*(1.Nanjing Shangtie Local Railway Development Co.Ltd.,Nanjing,Jiangsu Province,210000 China;2.College of Civil Engineering and Transportation,Hohai University,Nanjing,Jiangsu Province,210098 China)Abstract:In order to study the local stress variation of inclined steel box girder bridge in the jacking process,the finite element model of steel girder was established by using numerical simulation method on the background of an example project.By extracting the stresses of the top and bottom plates,webs,diaphragms,stiffeners and guide beams of steel beams,the local stress changes of skew steel box girders during the jacking construction are analyzed.The research results show that the most unfavorable working condition in the process of oblique jacking is when the structure is in an asymmetric supporting state,and the stress level of the diaphragm of the oblique steel box girder is much higher than that of other components during the construction process,which should be paid more attention.Key Words:Skew steel box girder;Incremental launching construction;Local stress;Numerical simulation钢箱梁采用顶推法施工时，场地固定集中，便于安全施工，工作条件较好，不需要消耗过多劳动力，伴随着顶推机具的发展，顶推施工法正被广泛的应用1。顶推法施工无论从施工条件、受力情况等方面均与其他施工方法有很大差异，其具有施工设备少、不影响桥位处交通运行等优点，当桥位施工场地受限时，顶推法施工是较理想的方法2。李成刚等3为确保桥梁顶推过程的安全性，结合有限元对顶推施工中的结构受力展开分析研究，针对施工中结构的受力性能和抗倾覆稳定性等方面进行分析，并且针对顶推期间的临时支DOI：10.16660/ki.1674-098X.2211-5640-5335作者简介：范红波（1984），男，本科，工程师，研究方向为工程管理。通信作者简介：周轶峰（1999），男，硕士在读，研究方向桥梁施工，E-mail：。183科技创新导报Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald土 木 与 建 筑 工 程架和基础地基的安全稳定性进行分析。杜钊等4对梁合龙阶段运用顶推技术减少墩顶的纵向偏位这一问题，提出四点同步合龙顶推方法，并通过有限元探究了箱梁截面局部受力和变形规律。彭学军等5应用有限元软件对钢箱梁顶推施工进行仿真计算，通过分析钢箱梁在顶推施工过程中的受力性能、变形和关键位置应力等方面，研究整个钢箱梁的顶推施工过程，同时对顶推力大小进行预测。王希岗等6结合某顶推施工，通过模拟计算对顶推过程中最不利工况下各个结构物的受力情况计算分析了施工过程中结构应力、变形及对线型进行监控。黄宗光等7对顶推施工中钢箱梁顶板、底板、横隔板和纵隔板的力学特征进行了有限元计算，发现最不利工况出现在主梁悬臂最大时，且悬臂最大阶段步履机支点的反力最大。目前，针对钢箱梁顶推施工的研究主要集中在正桥顶推，而对于斜交桥梁的顶推过程中结构受力研究较少。因此，本文以实例工程为背景，通过有限元模拟结合现场实际施工过程参数，探讨一些关键结构在斜交顶推施工过程中的受力及变形情况。1 工程概况本次设计将本联两跨 32.127m 和 32.873m，共计65m，在前端设置26m导梁一起作为顶推施工。该顶推节段65m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。最大总顶推重量约1404t，该重量包含65m长钢箱梁1314t，26m长导梁90t，顶推方向由大里程往小里程方向进行。2 顶推施工工序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。模型的施工阶段模拟见表1。3 有限元模型建立由于钢箱梁结构板件厚度远小于其跨径，因此在全桥模型建立过程中，可以采取壳单元对模型进行简化处理，在保证计算精度的情况下同时节约计算资源。本研究基于ABAQUS有限元软件建立钢箱梁壳单元有限元分析模型如图1所示，其中所有结构板件均采用壳单元建模模拟，采用S3R、S4R单元进行网格划分，网格标准尺寸为150mm，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。由于钢箱梁在顶推施工过程中，考虑现场纠偏操作及安全因素，纵向速度较慢，因此可采用“梁不动，支承体系（临时墩或主桥墩与钢箱梁之间的支承单元）随各个施工阶段变化而变化”的方法对顶推过程进行仿真模拟。钢箱梁的材料采用Q345qD，材料属性及设计强度依据 钢结构设计规范（GB 50017-2017），模型仅考虑钢材的弹性变形，采用理想弹性的本构关系。4 顶推施工过程局部应力分析4.1 顶、底板计算分析顶推施工过程中顶、底板有限元计算结果如表2所示，可以看出，在顶推施工过程中各工况下顶、底板的最大应力、位移均无明显变化。4.2 腹板计算分析各工况下腹板有限元计算结果如表3所示，可以发现顶推施工过程中腹板的应力在工况3下达到最大。工况3下结构处于非对称支承状态，一侧导梁支承于墩顶，另一侧导梁悬臂，而最大应力位置恰好在与悬臂侧导梁相接的腹板上，因此工况3下腹板应力增大考虑是由于非对称支承状态下悬臂侧导梁引起的局部区域的应力集中。4.3 横隔板计算分析由表4可知，顶推施工各工况下，横隔板应力水平均较高，各工况下结构整体的最大应力均分布在横隔板上。尤其在工况2、工况3下，横隔板应力达到最大，此时结构处于顶推最大悬臂阶段及非对称支承阶段，最大应力接近200MPa。从图2不同工况下的结构应力云图中可以看出，横隔板上应力主要分布在顶推支点处，局部应力较大，除支点区域横隔板外其他横隔板上应力水平均保持较低水平。4.4 导梁计算分析各工况下导梁结构有限元计算结果如表5所示，表1有限元计算模型施工阶段模拟施工阶段CS1CS2CS3CS4说明主梁节段拼装支架施工，拼装钢梁及导梁完成，准备滑移钢梁前移，此时导梁前移至26号墩前方，此时最大悬臂状态钢梁前移，导梁一侧刚好与26号墩搭接，结构处于非对称支承状态钢梁继续滑移至桥墩支座处，完成滑移，准备落梁，导梁悬臂184科技创新导报Science and Technology Innovation Herald科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 土 木 与 建 筑 工 程可以看出，在不同工况下，导梁结构应力值最大值为125.2MPa，对比工况1、工况2、工况4显著增大。工况3下结构应力、应变结果如图3所示。工况3下导梁结构处于非对称支承状态，一侧支承于墩顶，另一侧悬臂，在模型计算结果中，可以看出在导梁结构变形主要也是集中在未支承一侧，而在支承侧几乎没有变形。图3（a）中可以看出，工况3下结构最大应力分布在导梁最前端横撑与支承侧导梁腹板连接位置处，可以判断当导梁处于非对称支承状态时，支撑一侧腹板与未支承侧腹板通过横撑相互作用，约束互相之间的位移，且在横撑的连接位置产生较大的应力集中。同时，对图1有限元模型图表2顶底板应力应变变化情况施工阶段CS1CS2CS3CS4顶板最大应力/MPa48.558.7955.155.07最大位移/mm4.5874.324.5696.81底板最大应力/MPa80.5180.5379.9179.23最大位移/mm4.5874.324.4125.927表3腹板应力应变变化情况施工阶段CS1CS2CS3CS4最大应力/MPa57.657.9873.9261.72最大位移/mm4.5884.3184.4793.935表4横隔板应力应变变化情况施工阶段CS1CS2CS3CS4最大应力/MPa165.5197.7196.3158.3最大位移/mm4.1584.3164.4964.245（a）工况2（b）工况3图2不同工况下横隔板应力云图185科技创新导报Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald土 木 与 建 筑 工 程比工况2、工况3可以发现，由于工况3中一侧导梁已经支承在墩顶，在中间横撑的约束作用下，未支承一侧的导梁竖向挠度对比工况2有明显减小。5 结论本文通过建立钢箱梁桥全桥细化模型，模拟分析了顶推施工过程中各箱梁构件的应力、变形水平，得到以下结论。（1）基于该模型下各工况的局部最大应力值均未超过Q345的材料强度设计值，满足规范要求。（2）顶推过程中，钢箱梁横隔板局部应力水平较高，因此在设计过程中应针对横隔板作相应的加劲处理。（3）对于本文结构斜交顶推，最不利工况为结构非对称支承阶段，此时结构一端支承于墩顶一端悬臂，在导梁和腹板上均引起了较大的应力突变，因此有必要重点密切监测该工况施工过程中的应力应变情况，确保工程顺利完成。参考文献1 赵人达,张双洋.桥梁顶推法施工研究现状及发展趋势J.中国公路学报,2016,29(2):32-43.2 杨金龙,曾华新,赵林.大跨径多跨连续槽形钢梁顶推施工方案比选与力学性能分析J.施工技术(中英文),2022,51(9):80-84.3 李成刚.钢桁架桥顶推施工过程及临时结构受力分析J.价值工程,2021,40(29):119-121.4 杜钊,赵伟,陈家龙,等.连续刚构桥四点合龙顶推下箱梁局部受力分析J.公路工程,2020,45(4):30-35.5 彭学军,杨文国,凌涛,等.镇罗黄河特大桥顶推施工过程分析J.价值工程,2021,40(6):147-149.6 王希岗.高墩钢桁梁步履式顶推施工监控技术J.价值工程,2021,40(4):129-131.7 黄宗光,罗天.单主缆悬索桥主梁在顶推施工中的局部受力特征J.公路交通技术,2021,37(4):83-88.表5导梁应力应变变化情况施工阶段CS1CS2CS3CS4最大应力/MPa61.0868.73125.257.48最大位移/mm54.2966.1860.8849.30（a）导梁应力（b）导梁变形图3工况3下导梁计算结果云图186