頂推施工中工字型導梁局部穩定分析

張珺璟

摘 要：橋梁頂推法的應用，有效地克服了被跨越道（鐵）路行車要求、跨海（深谷）等不利條件對施工進度的影響；而在實踐中，導梁結構自身的穩定性又成為決定其設計和施工成敗的先決條件。利用既有有限元軟件分析鋼結構導梁，高效地滿足了工程精度和進度的需求。在某橋梁的頂推施工中，筆者應用ANSYS校核了導梁在最不利工況下的局部穩定性，為保障施工安全提供了依據。

關鍵詞：導梁；局部穩定性；工字鋼；頂推法

中圖分類號：U445.462 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）07-0087-02

1 概況

1.1 工程概況

位于南方某地城市立交改造項目，為兩快速通道的重要轉換節點。項目新建鋼箱梁主線橋一座，跨徑布置為39+50+39m，橋面豎曲線半徑3497.85m。該橋22#～23#橋墩間跨越南北交通主干線，施工中需確保該主干線的正常營運，故設計方案為利用導梁頂推主梁就位。

1.2 導梁結構

導梁由1段連接節、4段標準節和1段頂節組成，節間連接為9行4列10.9級M30高強螺栓，連接節和標準節腹板開孔，頂節變截面，以利頂推上墩。導梁采用雙肢工字鋼截面，截面尺寸2000×400×18×30，梁全長30m，高2.0m（與鋼箱梁同高），兩主肢間距13.5m，由17榀鋼桁架橫向連接，桁架間設24根Φ180×6鋼管增強連接。導梁除H型鋼和圓管采用Q235B鋼外，其余均采用Q345B鋼材。導梁縱斷面如圖1所示。

2 導梁局部穩定驗算

2.1 工字鋼的局部失穩

2.1.1 翼緣板的局部失穩

《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）（以下簡稱《規范》）對工字梁受壓翼緣板采取限制板伸出肢寬厚比的辦法來保證其局部穩定。根據單向均勻受壓板的臨界應力公式，并考慮殘余應力的影響，翼緣板在局部翹曲前實際已進入彈塑性階段，彈性模量已降低，取0.7E替代E計算臨界力，并要求σcr不低于屈服點fy，即要求梁達到強度極限狀態之前，翼緣不會局部失穩[1]。

2.1.2 腹板的局部穩定

腹板按照四邊簡支板進行分析，在分別受到彎曲應力、局部壓應力及剪應力的作用下達到臨界值時，所發生的凹凸變形的情況有所不同。上述三種應力單獨作用下發生局部失穩時的臨界應力可統一表示為：

式中的k為腹板的屈曲系數。導梁同時設置有縱向和橫向加勁肋，因而由縱、橫肋分割形成的不同區格應分別進行穩定驗算。與受壓翼緣連接的區格驗算公式為：

σ：區格內平均彎矩產生的彎曲應力；σc：腹板邊緣的局部壓應力；τ：區格內平均剪力產生的腹板平均剪力；σcr1、 σc，cr1和τcr1分別為σ、σc和τ單獨作用下板的臨界應力。

另一區格的穩定驗算公式為：

σ2：區格內平均彎矩產生的腹板在縱向肋處的彎曲應力；σc2：腹板在橫向肋處的壓應力；σcr2、σc，cr2和τcr2分別按依據不同的參數計算[2]。

在驗算中還需考慮短加勁肋對工字梁局部穩定的加強和腹板開孔后的應力集中。

2.2 導梁局部穩定設計

設計中合理地設置了縱橫向加勁肋和短加勁肋，以保證工字梁的局部穩定。

2.3 穩定驗算

2.3.1 最不利工況確定

工況一：導梁在整體離開23#墩頂至梁底即將接觸但尚未接觸22#梁頂時，處于安全懸臂的靜定狀態。此時，導梁與主梁連接處出現負應力極值[3]。

工況二：導梁頂節完全落靠在22#墩頂上時，處于一端固定一端鉸支的超靜定狀態。此時，在導梁與主梁的連接處出現負應力極值，在距導梁頂節端部某距離的點上會出現最大正應力。

2.3.2 荷載確定

導梁承受的荷載主要為自重，即每片工字鋼的荷載集度為8950N/m。

2.3.3 受壓翼緣驗算

翼緣板的局部穩定僅與其材料性能和寬厚比有關，因導梁上下翼緣等寬、厚，故只取上翼緣驗算。

翼緣板滿足局部穩定要求。

2.3.4 腹板驗算

通過有限元程序ANSYS建模分析，獲得有關應力值后驗算腹板局部穩定。導梁懸臂狀態的有限元模型如圖2所示。

工況一有限元模型分析如圖3所示。該工況下，與受壓翼緣連接的區格和與受拉翼緣連接的區格均滿足局部穩定要求。

經有限元模型分析，導梁工況二的σ、σc、τ、σ2和σc2的應力值遠小于工況一（如圖4所示），故不再對工況二的情況做局部穩定驗算。

3 結語

通過對該橋梁頂推既有設計的導梁進行分析，其主要受力構件的局部穩定性滿足相關規范、標準的規定，施工中能夠有效避免工字梁在尚未達到屈服強度和發生整體失穩之前局部喪失穩定。

參考文獻

[1]蘇彥江，趙建昌.鋼結構設計原理[M].北京：中國鐵道出版社，2007.

[2]趙秋，王欣南.趙建昌.橋梁鋼箱梁腹板設計計算方法探討[J].鋼結構，2013，28（4）：32-36.

[3]林統勵，伍明強，趙江林.頂推施工中工字型導梁優化設計[J].蘭州工業學院學報，2015，22（6）：62-67.