自锚式悬索桥钢箱梁顶推施工阶段结构分析

陈帅++隆佩钦

摘   要：结合工程实例邵阳市跨资江连接大祥区和北塔区桂花大桥，采用空间有限元软件MIDAS/CIVIL，对自锚式悬索桥钢箱梁顶推施工阶段的空间位移与应力进行计算分析，为钢箱梁顶推施工时的线形、应力控制提供理论依据。

关键词：自锚式;悬索桥;钢箱梁;位移与应力;有限元分析

中图分类号：U448.25;U445.4      文献标识码：A        文章编号：1005-5312（2016）32-0256-02

自锚式悬索桥主要由主缆、索塔、吊杆和加劲梁等构件组成，它是将主缆直接锚固在加劲梁上，由加劲梁承受主缆拉力的水平分量，竖直分量主要由锚固端横梁承受，从而形成整个体系的平衡。自锚式悬索桥的结构受力特点一一自锚式悬索桥的主缆直接锚固在加劲梁上，加劲梁要承受巨大的轴向压力决定了其施工顺序为：先架设加劲梁，再架设主缆。 由自锚式悬索桥的架设通常“先梁后缆”，而钢箱梁的架设方法无非有如下几种：满布支架法、吊装法、顶推法。本文以桂花大桥为对象，分析自锚式悬索桥钢箱梁顶推施工阶段的空间变形与应力，为桥梁施工控制提供理论依据。

一、工程概况

本项目为邵阳市跨资江连接大祥区和北塔区桂花大桥。主桥为（60m+120m+60m+22.13m）双塔三跨自锚式悬索桥。路线平面线型为直线，桥梁范围内设1.035%和-2%双向纵坡，竖曲线半径为6000m。全桥共设置两片主纵梁，纵梁为等高度单箱单室截面，内高2.5m，内宽3.5m，与中横梁、箱型横梁、小纵梁、平联组成双主梁梁格体系，主梁全宽33.8m。

本次采用端部加装导梁顶推安装到位，顶推总重量约为3419t（钢主梁）+153t（导梁）+152t（背撑），累积顶推距离为290.63m。

Fig1 steel box girder elevation layout

二、钢箱梁顶推有限元模型与计算工况

（一）钢箱梁有限元模型

本次计算选用MIDAS/CIVIL软件，采用空间直梁单元，按照施工顺序分阶段建立钢箱梁顶推的计算模型进行空间分析。

1.主纵梁、横梁、小纵梁

全桥共两片主纵梁，主纵梁长268.745m，主纵梁中心距30m，为钢箱结构，宽3800mm，高2500mm，顶板厚22mm，底板厚24mm，两腹板厚16mm。

桥梁纵向每5m设置一道横梁，为工字型截面，顶板600×22mm，底板650×24mm，腹板厚16mm，截面总高2500mm。

小纵梁：横断面上设两道小纵梁，小纵梁采用工字型截面，顶板尺寸为500×16mm，底板为300×12mm，腹板为312×12mm。

主纵梁、次纵梁及横梁均为Q345钢材。

2.导梁

导梁由两片主梁及两道横撑组成，导梁总长40m，两片主梁中心距30m，与两主纵梁连接，导梁的两主梁为变截面工字型结构，高度为2500mm～1500mm，材质为Q345钢材。

3.背撑

导梁及主梁上方设置钢背撑，其总长为（20+10+10+10+19）=69m，高5m，背撑立柱及立柱间纵斜撑为700×700mm钢箱结构，顶板、底板及腹板厚均为24mm，背撑立柱顶纵向联系及背撑两侧纵斜撑为700×1000mm钢箱结构，顶板、底板及腹板厚亦为24mm，背撑立柱顶平面横撑及斜撑均为500×700mm工字型钢结构，其顶、底板厚为20mm，腹板厚为14mm。背撑材质为Q345钢材。

（二）计算工况

桂花大桥临时墩主要为主桥顶推时，用于支撑主桥、顶升调位、顶推施工的临时支撑体系。

Fig2 temporary pier structure arrangement as a whole

由于钢箱梁质量较大，顶推过程中受顶推平台长度和顶推设备（穿心式千斤顶）的限制，全桥顶推过程中分为37个工况进行。

三、模型计算结果分析

（一）挠度计算

Fig3 The guide beam under the condition of maximum deflection figure

Fig4 The girder under the condition of maximum deflection figure

Fig5 The back brace under the condition of maximum deflection figure

由图3～图5可知，在顶推过程，导梁、主梁、背撑的最大挠度分别为310.9mm，53mm，171.6mm。

（二）应力计算

Fig6 The guide beam under the condition of maximum stress diagram

Fig7 The girder under the condition of maximum stress diagram

Fig8 The back brace under the condition of maximum stress diagram

由图6～图8可知，导梁的最大压应力为56.4MPa，最大拉应力为64.8MPa;主梁的最大压应力为83.2MPa，最大拉应力为65.3;背撑的最大拉应力为110MPa，拉应力为133.4MPa。

（三）各墩座支反力

Fig9 The temporary pier reaction time history curve

由临时墩支反力时程曲线图示可知：0号墩最大支反力出现在第6号工况，对应反力值为18203.2 KN;1号墩最大支反力出现在第14号工况，对应反力值为18315 KN ; 临时墩最大支反力出现第22工况，对应的反力值为17884KN;2号墩最大支反力出现在第30号工况，对应反力值为17949 KN ;3号墩最大支反力出现在第3700号工况，对应反力值为10400 KN 。

四、结语

1.通过有限元模型midas，对钢箱梁顶推进行了仿真，顶推全过程进行了受力分析。计算出主梁，导梁，背撑的最大挠度分别为310.9mm，53mm，171.6mm，根据计算结果可防止钢箱梁和导梁无法落到下一个支墩上。

2.计算出钢箱梁所受应力绝对值的最大值为背撑处133.4MPa，远远低于设计值。

3.总结出顶推过程中各支撑墩支反力的基本变化规律：从导梁前端接触滑道起，随着顶推导梁前移、导梁与接触长度的增加使得各支撑墩反力从零开始逐渐增大，同时，随着钢箱梁的顶进，当导梁接触到下一个支撑墩时，顶推达到某一工况，接触墩后方支撑墩支反力出现最大值;伴随着顶推的进行，后方支撑墩反力有逐渐变小的趋势;随着钢箱梁继续顶进，各支撑墩反力并最终趋于平稳状态。

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