装配式钢箱梁桥顶推施工中力学性能分析

唐寿洋，李强强，王高阳

(兰州交通大学土木工程学院 甘肃 兰州 730070)

0 引言

随着我国公路交通网不断健全，城市公路高架桥建设迎来建设高峰期，其中装配式钢箱梁桥由于在施工过程中可采用装配式拼接顶推的施工方法，不仅大大减少了施工工期，而且钢结构桥梁自重轻、造型美观，已在钢桥建设中广泛应用。

近年来国内外大量专家、学者对装配式拼接顶推施工进行了研究。其中黄成国[1]利用有限元分析法对曲线梁桥在顶推施工过程中倾覆性能影响因素进行了研究，发现纵桥向支撑布置形式及中轴线偏移量对顶推施工尤为重要；杨顺达[2]通过对不同因素作用下曲线梁桥位移进行了深入研究，发现温度变化是曲线梁桥向曲线外侧偏移的主要诱导因素；贾红兵[3]通过对步履式顶推施工中轴线的偏移问题进行研究，提出了一种自平衡步履式顶推施工工艺；张磊[4]以工程实例为背景对顶推施工过程中施工监控方案进行研究，提出顶推施工中必须对测点进行动态调整的思路；谢祺[5]分析了钢-混组合梁桥在顶推施工过程中的应力状态，提出并验证了增设橡胶垫块可以有效减小桥面板的开裂风险。

通过以上分析发现，装配式钢箱梁桥在拼装顶推施工过程中结构主梁及导梁受力特性的研究较少，本文将针对此问题进行分析研究。

1 工程概况

本桥梁工程跨径为36 m+38 m，桥宽为8.5 m，梁高为2 m，总重约325 t，其横断面图如图1所示。梁底平曲线为36 m(第一段缓和曲线)+32 m(第二段缓和曲线)+6 m(半径700 m圆曲线)，竖曲线接1.20%到-4.45%，凸曲线半径为800 m，线型较为复杂，因而在顶推施工过程中需要多次调整标高，故采用前端加装导梁的方法，顶推施工平面布置如图2所示，施工工艺如图3所示。

图1 克南桥横断面图(单位：mm)

图2 顶推施工平面布置图

图3 顶推施工工艺

2 主要材料及性能指标

2.1 主梁钢材

在桥梁建设中，选择技术指标符合《桥梁用结构钢》[6]及《碳素结构钢》[7]等相关要求的钢材。其主梁等主要受力结构采用Q345qD钢材，其余结构钢材按照相关图纸的要求选用。Q345qD钢材的主要力学性能如表1所示。

表1 主要受力结构钢材力学性能

参照《公路钢结构桥梁设计规范》[8]，抗力分项系数取1.25，Q345qD钢材强度设计值如表2所示。

表2 Q345qD钢材强度设计值

2.2 临时结构钢材

临时结构钢材等级为Q235和Q345，其容重、弹性模量、剪切模量、线膨胀系数及泊松比均与Q345qD钢材相同，具体数值如表1所示；Q235和Q345钢材其他力学性能如表3所示。

表3 钢材的强度设计值(单位：MPa)

3 主梁受力特性分析

3.1 计算工况

主梁顶推施工设计阶段将按照表4工况进行力学性能计算。

表4 计算工况表

3.2 计算方法

3.2.1 有限元建模

在计算分析时将采用3D3S程序的空间杆系有限元法及结构Frame单元，对主梁及导梁在顶推过程中的内力、变形以及各个支点反力进行模拟，并以此对结构的强度和稳定性进行校核，模型如图4所示。

图4 有限元模拟

3.2.2 恒载计算

结构主梁在恒载作用下，力学性能分析时仅考虑重力对结构的影响，其主梁自重约为3260 kN，导梁自重约为350 kN。

3.2.3 截面强度计算

截面强度验算时，将考虑强度、整体稳定性、受压翼缘局部稳定及腹板局部稳定等因素的影响。

(1)轴心受拉构件

轴心受拉构件承载力计算及摩擦型高强度螺栓连接处承载力计算将参考《公路钢结构桥梁设计规范》[8]的要求进行计算分析，如式(1)、式(2)所示。

γ0Nd≤A0fd

(1)

式中：Nd为轴心拉力设计值；A0为净截面面积。

(2)

式中：n1为节点拼接处，构件一端连接的高强度螺栓数目；n为所计算截面上(最外列)高强度螺栓数目。

(2)轴心受压构件

轴心受压构件承载力及整体稳定性计算将按照《公路钢结构桥梁设计规范》[8]相关要求进行计算分析，如式(3)、式(4)所示。

γ0Nd≤Aeff,cfd

(3)

式中：Nd为最不利截面轴心压力设计值；Aeff,c为考虑局部稳定影响的有效截面面积。

(4)

式中：Nd为轴心压力设计值，当压力沿轴向变化时取构件中间1/3部分的最大值；χ为轴心受压构件整体稳定折减系数，按附录A计算，取两主轴方向的较小值；Aeff,c为考虑局部稳定影响的有效截面面积；ey，ez为有效截面形心在z轴、y轴方向距离毛截面形心的偏心距；Wy,eff，Wz,eff为考虑局部稳定影响的有效截面相对于y轴和z轴的截面模量。

(3)受弯构件

主平面内单向受弯实腹构件，翼缘板弯曲正应力按式(5)计算；主平面内双向受弯实腹构件，翼缘板弯曲正应力按式(6)计算。

(5)

(6)

式中，My为计算截面y轴弯矩设计值；Mz为计算截面的弯矩设计值。

其中受拉翼缘应考虑剪力滞影响，受压翼缘应同时考虑剪力滞和局部稳定影响。腹板剪应力按照式(7)计算，开口截面腹板弯曲剪应力按式(8)计算。

γ0τ≤fvd

(7)

(8)

式中：V为剪力设计值；S、I分别为有效截面面积矩和惯性矩；tw为腹板厚度。

平面内受弯实腹构件腹板在正应力σx和剪应力τ共同作用时，应满足式(9)要求

(9)

3.2.4 工况荷载组合

工况荷载组合将依据《公路桥涵设计通用规范》[9]分为标准组合和基本组合两种进行计算，具体如表5所示。

表5 荷载组合工况表

其中：γGi为第i个永久作用的分项系数，在施工阶段动载系数取1.20，冲击系数取1.10；Gk为结构自重；γQ1为可变荷载的分项系数，分析时取1.40；Q1k为可变荷载的标准值；ψc为其他可变荷载组合值系数，分析时取0.75；γQ2为其他可变荷载分项系数，其中风荷载取1.10，其他取1.40；Q2k为其他可变荷载的标准值。

3.2.5 支点反力计算

在标准组合荷载作用时，各阶段各临时支墩的支点反力如图5所示。

根据图5分析发现，临时支墩L1最大竖向反力出现在顶推到位后内侧支点处，为675.3 kN；临时支墩L2最大反力出现在导梁L1前内侧支点处，为1010.2 kN；临时支墩L3最大反力出现在尾部脱离L4前内侧支点处，为1073.0 kN；临时支墩L4最大竖向反力出现在三次拼装时内侧支点处，为670.5 kN。

图5 顶推施工各阶段支点反力

3.2.6 挠度计算

在标准组合荷载作用时，各阶段结构主梁及导梁挠度计算如表6所示。

表6 挠度统计表

根据表6可知，结构导梁最大挠度出现在悬臂端L1前，为175.00 mm；结构主梁最大挠度出现在尾部脱离L4时，为71.00 mm。

3.2.7 应力计算

在基本组合荷载作用时，各阶段结构主梁及导梁应力计算如表7所示。

表7 最大应力比统计

根据表7可知，结构导梁最大应力出现在尾部脱离L4时，为35 MPa，仅占设计值的12.7%；结构主梁最大应力出现在导梁进入L1时，为105 MPa，仅占设计值的38.2%。

4 总结

(1)在标准组合荷载作用下，曲线梁桥顶推施工过程中，各临时支墩支点处最大竖向反力均出现在曲线内侧各支点。

(2)在标准组合荷载作用下，曲线梁桥顶推施工过程中，结构主梁最大挠度将会出现在尾部脱离顶推方向第一个临时支墩时；结构导梁最大挠度出现在其悬臂端即将到达顶推方向最后一个临时支墩时。

(3)在基本组合荷载作用下，曲线梁桥顶推施工过程中，结构主梁最大应力将会出现在尾部脱离顶推方向第一个临时支墩时；结构导梁最大应力出现在其悬臂端即将到达顶推方向最后一个临时支墩时。