顶推施工中工字型导梁局部稳定分析

张珺璟

摘 要：桥梁顶推法的应用，有效地克服了被跨越道（铁）路行车要求、跨海（深谷）等不利条件对施工进度的影响；而在实践中，导梁结构自身的稳定性又成为决定其设计和施工成败的先决条件。利用既有有限元软件分析钢结构导梁，高效地满足了工程精度和进度的需求。在某桥梁的顶推施工中，笔者应用ANSYS校核了导梁在最不利工况下的局部稳定性，为保障施工安全提供了依据。

关键词：导梁；局部稳定性；工字钢；顶推法

中图分类号：U445.462 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）07-0087-02

1 概况

1.1 工程概况

位于南方某地城市立交改造项目，为两快速通道的重要转换节点。项目新建钢箱梁主线桥一座，跨径布置为39+50+39m，桥面竖曲线半径3497.85m。该桥22#～23#桥墩间跨越南北交通主干线，施工中需确保该主干线的正常营运，故设计方案为利用导梁顶推主梁就位。

1.2 导梁结构

导梁由1段连接节、4段标准节和1段顶节组成，节间连接为9行4列10.9级M30高强螺栓，连接节和标准节腹板开孔，顶节变截面，以利顶推上墩。导梁采用双肢工字钢截面，截面尺寸2000×400×18×30，梁全长30m，高2.0m（与钢箱梁同高），两主肢间距13.5m，由17榀钢桁架横向连接，桁架间设24根Φ180×6钢管增强连接。导梁除H型钢和圆管采用Q235B钢外，其余均采用Q345B钢材。导梁纵断面如图1所示。

2 导梁局部稳定验算

2.1 工字钢的局部失稳

2.1.1 翼缘板的局部失稳

《钢结构设计规范》（GB50017-2003）（以下简称《规范》）对工字梁受压翼缘板采取限制板伸出肢宽厚比的办法来保证其局部稳定。根据单向均匀受压板的临界应力公式，并考虑残余应力的影响，翼缘板在局部翘曲前实际已进入弹塑性阶段，弹性模量已降低，取0.7E替代E计算临界力，并要求σcr不低于屈服点fy，即要求梁达到强度极限状态之前，翼缘不会局部失稳[1]。

2.1.2 腹板的局部稳定

腹板按照四边简支板进行分析，在分别受到弯曲应力、局部压应力及剪应力的作用下达到临界值时，所发生的凹凸变形的情况有所不同。上述三种应力单独作用下发生局部失稳时的临界应力可统一表示为：

式中的k为腹板的屈曲系数。导梁同时设置有纵向和横向加劲肋，因而由纵、横肋分割形成的不同区格应分别进行稳定验算。与受压翼缘连接的区格验算公式为：

σ：区格内平均弯矩产生的弯曲应力；σc：腹板边缘的局部压应力；τ：区格内平均剪力产生的腹板平均剪力；σcr1、 σc，cr1和τcr1分别为σ、σc和τ单独作用下板的临界应力。

另一区格的稳定验算公式为：

σ2：区格内平均弯矩产生的腹板在纵向肋处的弯曲应力；σc2：腹板在横向肋处的压应力；σcr2、σc，cr2和τcr2分别按依据不同的参数计算[2]。

在验算中还需考慮短加劲肋对工字梁局部稳定的加强和腹板开孔后的应力集中。

2.2 导梁局部稳定设计

设计中合理地设置了纵横向加劲肋和短加劲肋，以保证工字梁的局部稳定。

2.3 稳定验算

2.3.1 最不利工况确定

工况一：导梁在整体离开23#墩顶至梁底即将接触但尚未接触22#梁顶时，处于安全悬臂的静定状态。此时，导梁与主梁连接处出现负应力极值[3]。

工况二：导梁顶节完全落靠在22#墩顶上时，处于一端固定一端铰支的超静定状态。此时，在导梁与主梁的连接处出现负应力极值，在距导梁顶节端部某距离的点上会出现最大正应力。

2.3.2 荷载确定

导梁承受的荷载主要为自重，即每片工字钢的荷载集度为8950N/m。

2.3.3 受压翼缘验算

翼缘板的局部稳定仅与其材料性能和宽厚比有关，因导梁上下翼缘等宽、厚，故只取上翼缘验算。

翼缘板满足局部稳定要求。

2.3.4 腹板验算

通过有限元程序ANSYS建模分析，获得有关应力值后验算腹板局部稳定。导梁悬臂状态的有限元模型如图2所示。

工况一有限元模型分析如图3所示。该工况下，与受压翼缘连接的区格和与受拉翼缘连接的区格均满足局部稳定要求。

经有限元模型分析，导梁工况二的σ、σc、τ、σ2和σc2的应力值远小于工况一（如图4所示），故不再对工况二的情况做局部稳定验算。

3 结语

通过对该桥梁顶推既有设计的导梁进行分析，其主要受力构件的局部稳定性满足相关规范、标准的规定，施工中能够有效避免工字梁在尚未达到屈服强度和发生整体失稳之前局部丧失稳定。

参考文献

[1]苏彦江，赵建昌.钢结构设计原理[M].北京：中国铁道出版社，2007.

[2]赵秋，王欣南.赵建昌.桥梁钢箱梁腹板设计计算方法探讨[J].钢结构，2013，28（4）：32-36.

[3]林统励，伍明强，赵江林.顶推施工中工字型导梁优化设计[J].兰州工业学院学报，2015，22（6）：62-67.