钢箱梁步履式顶推施工力学行为分析

陈 鹏, 刘 月, 李 璇, 高猛镭, 王 伟

(1.中建路桥集团有限公司,河北 石家庄 050001;2.石家庄铁道大学土木工程学院,河北 石家庄 050043)

顶推技术因其施工所需空间小、操作安全性高等优势被广泛应用于桥梁施工,尤其是钢箱梁桥顶推施工居多[1],例如沪杭甬钱塘江新建大桥钢桁梁采用“步履机+滑块”方式,从两岸向跨中方向进行多点同步顶推[2];杭州江东大桥主桥采用顶推法就位[3];济南凤凰路黄河大桥采用双向分段顶推施工方法[4]等。顶推施工技术的发展提高了桥梁施工速度,在我国基础设施建设中发挥着越来越重要的作用。

常见的顶推法有步履式和拖拉式,其中,步履式顶推法具有顶升、平移、横向纠偏等多种功能,能够有效保证各个施工节段的协调性与同步性。例如,甘肃省罗家沟大桥、沈阳绕城高速公路桥梁、螺洲大桥等均利用步履式顶推施工工艺。钢箱梁顶推施工过程中,导梁是常见的标准设备。设置导梁起到承担构件荷载、传递推力、限制偏移、引钢箱梁就位的作用,对顶推施工顺利实施及安全保障起到至关重要的作用[5-9]。

本文结合某斜拉-异形拱混合结构桥梁,按照施工工序要求,采用分节段拼装后通过步履式顶推施工方法进行安装施工,借助有限元分析软件MIDAS/Civil模拟钢箱梁顶推施工全过程,分析导梁及钢箱梁在顶推过程中的受力情况,确保钢箱梁顺利施工,并为类似大跨径钢箱梁的顶推施工提供借鉴。

1 工程概况

1.1 工程简介

船厂跨江桥梁项目工程,位于广东省江门市江海区及蓬江区。路线全长约780 m,根据规划设计要点,道路规划宽度为30 m,主路道路等级为城市次干路,双向四车道,设计速度为40 km/h,辅路道路等级为城市支路,设计速度为30 km/h,路面采用沥青混凝土路面。本项目包含一座跨越江门河的桥梁,桥梁总长为421.0 m,主桥为(52+76+46)m斜拉桥和异形拱桥协作体系钢箱梁桥,位于4#～7#桥墩之间,其中主跨76 m,钢箱梁总质量约2 569 t,材质为Q345qc。主桥钢拱肋、桥塔分别通过吊杆及斜拉索与主梁连接,全桥共设有3对吊杆、4对斜拉索。目前钢箱梁顶推工作已经完成。桥梁总体布置见图1(其中实线代表施工已完成部分)。钢箱梁顶推完成效果见图2。

图1 全桥总体布置(单位:cm)

1.2 钢箱梁构造

主梁采用单箱四室钢箱梁断面,主跨设置有人行道段的钢箱总宽26.5 m,其中顶宽26.5 m、底宽15.5 m,采用等高2.8 m,箱梁顶为2%横坡,沿钢箱梁纵向每 3.0 m设一道横隔板和横肋板。主桥边跨不设置人行道段钢箱梁顶底宽度均为15.5 m。钢箱梁断面如图3所示。

图2 钢箱梁顶推完成效果

图3 钢箱梁断面(单位:mm)

钢箱梁顶板钢板厚度在跨中为16 mm,在支点附近加厚至25 mm;底板钢板厚度在跨中为16 mm,在支点附近加厚至28 mm;腹板钢板厚度在跨中为16 mm,支点附近加厚至20 mm。顶底板加劲肋采用U形加劲肋,箱室内顶底板每间隔0.6 m左右设置一道U形加劲肋,底板每间隔0.415 m左右设置一道T型加劲肋;横隔板钢板厚度为16 mm,均设置人孔。箱梁悬臂板腹板厚度为16 mm,翼板厚度为16 mm。

2 顶推施工工艺

2.1 顶推设备及布置

钢箱梁采用顶推施工。在施工过程中选用SWD-600三维步履式千斤顶(顶升承载能力为6 300 kN,行程为0.24 m;平移方向承载能力为1 000 kN,行程为0.6 m;侧向纠偏承载能力为1 000 kN,行程为0.15 m)。钢梁顶推共布置14套步履式顶推设备,其中5号、6号墩上各布置2套,其余布置在钢管桩顶端平台上,各布置2套,见图4。

2.2 导梁设计

本项目采用单向多点顶推施工方法,在4#～5#跨间进行节段拼装,然后通过步履式千斤顶顶推到位。为减少顶推过程中钢梁前端悬臂负弯矩,在钢梁前端安装一30.5 m长的导梁配合钢梁顶推施工。钢导梁采用焊接工字钢形式,梁高2.75 m,腹板厚度20 mm;顶板和底板宽度500 mm,板厚20 mm;纵桥向每隔1.5 m采用竖向加劲板,板厚12 mm;距离顶板375 mm 和底板1 274 mm设置水平加劲板,宽度200 mm,板厚12 mm;为了满足顶推施工支承要求,底板每隔300 mm设置局部竖向加劲板,板厚16 mm。

图4 顶推设备布置平面(单位:mm)

3 有限元模型及顶推工况

3.1 建立有限元模型

根据本工程的结构特点,采用MIDAS/Civil建立钢箱梁和导梁的有限元模型。钢箱梁的顶板、底板和腹板采用板单元模拟;钢箱梁的U肋、板肋、T肋及导梁采用梁单元模拟。有限元模型中,护栏、工地连接结构等作为分布质量加载到各节点、单元上;导梁等杆件内部的筋板只考虑其质量;板件之间的焊缝及螺栓连接,以及导梁与钢箱梁之间均采用共节点方式模拟。在顶推的不同阶段,在相应墩顶的顶推支点设置横向约束(x向)和竖向约束(y向),尾部顶推支点设置顺桥向约束(z向)。有限元模型如图5所示。

图5 钢箱梁及导梁计算模型

主要计算荷载包括:①恒载,包括主梁自重和导梁自重。②活载,主要考虑风荷载作用,按《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T D60-01-2004)计算取值,横桥向正常工作状态下取1 152 N/m,非工作状态下取8 064 N/m;风向上(下)吹时,正常工作状态下取10 900 N/m,非工作状态下取76 300 N/m。每个工况考虑两种荷载组合形式,即标准组合和基本组合,其中,标准组合=恒载+活载,计算结果用来评价刚度指标;基本组合=1.35恒载+1.5活载,计算结果用来评价结构强度及稳定性指标。

3.2 顶推施工流程及计算工况

依据设计图纸及运输条件、安装方案等要求,主梁长度方向共划分为17个节段,横向共划分6个块体(含两个挑臂块体)。主梁共分为六轮次拼装及五轮次顶推,每完成一轮次拼装并顶推至一定位置后再进行下一轮次的拼装与顶推。根据顶推施工流程,顶推计算工况如图6所示。

(1)工况1:节段Z1～Z3拼装完成,顶推行走距离 15.612 m,顶推质量403 t。考虑风荷载。

(2)工况2:节段Z4～Z6拼装完成,顶推行走距离 14.988 m(总计30.6 m),顶推质量894 t。考虑风荷载。

(3)工况3:节段Z7拼装完成,顶推行走距离 13.5 m(总计44.1 m),顶推质量1 078 t。前端达到最大悬臂,考虑风荷载。

(4)工况4:节段Z8拼装完成,顶推行走距离 39.3 m(总计83.4 m),顶推质量1 324 t,导梁和钢箱梁连接部位达到6#顶推支架设备处,考虑风荷载。

(5)工况5:节段Z9～Z12拼装完成,顶推行走距离 47.161 m(总计130.7 m),顶推质量1 971 t,顶推到位后拆除掉导梁,全桥进行落梁,考虑风荷载。

(6)工况6:节段Z13～Z17拼装完成,拆除龙门吊机及岸上拼装支架。

4 仿真分析结果

4.1 顶推过程中钢箱梁和导梁的应力及变形

计算各种顶推工况下钢箱梁和导梁的应力及变形,以工况2为例,应力和变形云图见图7。

图6 顶推状态

图7 工况2下的整体结构应力及竖直位移云图

钢箱梁在顶推过程中,结构反复承受正负弯矩,且在顶推前进过程中,钢箱梁和导梁的最大应力、最大变形及其对应的截面位置也在不断变化,提取各顶推工况中钢箱梁和导梁的最大应力及竖向最大位移,并以每前进5 m为基准(根据顶推节段进行调整),进行相应节段应力及变形的极值分析,绘制全程应力包络图及变形包络图(如图8～图11所示),可以得到顶推全程钢箱梁及导梁最不利截面以及对应顶推位置,分析结果见表1。其中应力以受拉为正,受压为负;位移以上拱为正,下挠为负。

由表1可知顶推过程中钢箱梁和导梁各工况下最大应力及竖向位移在不断变化,结合图8～图11可知,当顶推里程分别为10、30、45、50、90 m时,钢箱梁应力出现极值,分别对应3#、4#、钢箱梁前端、2#及6#顶推支墩处钢箱梁截面;当顶推里程分别为10、20、45、50、105 m时,钢箱梁下挠出现极值,均对应钢箱梁与导梁连接处位置。当顶推里程分别为5、30、45、60 m时,导梁前端应力出现极值,在顶推至105 m时,距离导梁根部5 m处出现极值;当顶推里程分别为15、30、45、50、105 m时,导梁前端下挠出现极值。

图8 钢箱梁顶推全程应力包络

图10 钢箱梁顶推全程变形包络

图11 导梁顶推全程变形包络

表1 各工况下钢箱梁和导梁的最大应力和竖直方向位移

由图8～图11可知,顶推过程中钢箱梁最大拉、压应力,均出现在工况4,此时顶推距离为50 m;上挠最大为2.3 mm,此时对应顶推距离131 m。顶推过程中,导梁最大拉、压应力对应顶推距离65 m,导梁前端下挠最大对应顶推距离50 m;上挠最大对应顶推距离55 m,均出现在工况4。

本文工程项目钢箱梁材料为Q345qc,其抗拉、抗压、抗弯强度设计值f=275 MPa,钢箱梁挠度取值范围小于等于L/500=348 mm,外伸悬臂端挠度取值范围小于等于L/350=497 mm。由以上计算结果可知:钢箱梁整个顶推过程中的最大应力及变形均满足要求;导梁在工况1～5最大应力及变形满足要求,但在最大悬臂状态下(工况3),为保证结构安全,需对结构进行加固,可在导梁端部及跨中加横向约束进行加固。

4.2 顶推过程中各支点反力分析

根据钢箱梁顶推施工流程,提取不同顶推阶段各支点最大支反力,见表2。各顶推支墩支反力随顶推运行距离变化分析结果见图12(图中L为顶推前进方向左侧,R为顶推前进方向右侧)。

表2 各工况下最大支反力汇总(含载荷系数) kN

图12 1#～7#顶推支墩全程支反力变化

由表2及图12可知,在整个顶推过程中,支座与梁底紧密接触,无临时墩位置支撑脱空现象,符合施工要求。

4.3 钢箱梁和导梁局部稳定性分析

顶推过程中,在悬臂状态下箱梁及导梁下翼缘受压,上翼缘受拉,当顶推设备处于箱梁或导梁相邻两块腹板竖向加劲肋之间时,腹板受力最危险。为了分析钢箱梁在顶推时局部受力是否处于安全状态,分别选取钢箱梁和导梁在顶推支架最大支反力作用下作为其局部受力的最不利工况。

根据《钢结构设计标准》(GB 50017-2017)第6.3.4条,同时配置横向与纵向加劲肋的腹板,其局部稳定性按照下式计算:

(1)

式中:σ为所计算腹板区格内,由平均弯矩产生的腹板计算高度边缘的弯曲压应力,本文在有限元模型中直接取用;τ为所计算腹板区格内,由平均剪力V产生的腹板平均剪应力,τ=V/(hwtw),hw、tw分别为钢箱梁或导梁腹板的高度和厚度;σc为腹板计算高度边缘的局部压应力,σc=F/Ae,其中Ae为腹板承压面积;F为最大支反力,根据表2计算结果,对于钢箱梁,在节段Z9～Z12顶推过程时出现最大反力F=4 281 kN;对于导梁,在顶推过程时出现的最大反力F=2 033 kN;σcr1、τcr1、σc,cr1分别为各种应力单独作用下的临界应力,按规范方法计算。

钢箱梁和导梁局部稳定性计算结果见表3。由表3可知,钢箱梁和导梁在顶推过程中局部稳定性均满足要求,但为了增强安全性,在实际顶推施工过程中支点正上方可增设300 mm×500 mm×20 mm的短加劲肋。

表3 钢箱梁和导梁局部稳定性计算结果

此外,导梁与钢箱梁连接处易出现应力集中现象,故需验证该连接处应力是否满足规范要求。根据建立的有限元模型,在钢箱梁进行第四轮次顶推过程中(工况4),当Z8节段第三次顶推5 m时,导梁根部与箱梁连接处的应力最大,此时对应的应力云图如图13所示。

图13 导梁根部及箱梁头部应力云图

由图13可知,节段Z8第三次顶推5 m时箱梁上顶板连接处最大应力为115 MPa< 275 MPa,满足要求。

5 结论

(1)顶推过程中钢箱梁及导梁的强度和变形均满足设计及规范要求。

(2)顶推施工过程中,顶推支墩支反力最大为4 281 kN,对应顶推距离130.7 m。在整个顶推过程中,支座与梁底紧密接触,无临时墩位置支撑脱空现象,符合施工要求。各顶推支墩受力均满足设计及规范要求。

(3)对钢箱梁及导梁关键部位稳定性进行分析,选取钢箱梁和导梁在顶推支架最大支反力作用下作为其局部受力的最不利工况。研究表明,钢箱梁和导梁在顶推过程中局部稳定性均满足要求,但在实际顶推施工过程中,钢箱梁顶推位置的钢腹板需增设短加劲肋。