基于ANSYS的特大橋鋼箱梁頂推過程受力分析

楊龍濤

(中交二公局第五工程有限公司，陜西 西安 710119)

0 引 言

特大橋鋼箱梁的頂推施工法相比于其他施工方法擁有工業化程度較高、施工過程中占地面積較小、機械設備簡便等優點，因此在發明出來以后就被迅速推廣，并時常應用于橋梁施工工程中，并且在中大型跨徑橋梁施工中擁有較強競爭力。隨著科技的不斷更新換代，頂推設備也在不斷推陳出新，因此頂推法所適用的工程范圍也在逐漸擴大[1]。這樣一來，就會有很多使用傳統施工方式不會出現的施工問題出現在施工現場。因此，本文基于ANSYS軟件對特大橋鋼箱梁頂推過程進行受力分析。

1 工程背景

本橋梁工程路線總長為3 070.18 m，由美里北路交叉口出發，經過鄭家店東側，跨越南岸堤頂、黃河、北岸堤頂，止于G309交叉口處。整個工程包括主橋部分、南北岸引橋、匝道橋梁等；主橋長度1170 m，南岸引橋長度680 m，北岸引橋長度670 m，匝道總長560 m。其中，主橋的總體布置圖如圖1所示。

圖1 主橋總體布置圖

在圖1中，主橋的上部采用下承式結構，通過網狀吊桿建設拱橋地基，下部的梁面寬約60.7 m，高約4.0 m。其中主跨梁最長，約420 m。而拱肋的水平投影只有69.5 m，第二長的跨梁長約280 m。拱肋的表面采用五邊形鋼箱作為截面，橋梁底部的吊桿全部采用強度為400 MPa的超高應力幅鋼絞線拉索，呈網狀布置。在鋼箱梁進行拼裝、頂推施工的過程中，有一些臨時結構，包括鋼箱梁拼裝平臺、臨時墩、墩旁支架、支棧橋、鉆孔平臺及導梁等。本工程根據鋼箱梁拼裝、頂推施工、拱肋安裝的施工工藝進行鋼箱梁施工大臨結構的布置及設計，根據受力計算，在P19與P20墩之間的淤背區搭設鋼箱梁拼裝平臺，平臺約長40.6 m，另在全橋共設置13個臨時墩，最大跨度間距為73 m。

2 特大橋鋼箱梁頂推過程受力分析研究

2.1 ANSYS有限元仿真計算

在工程設計方面，能夠進行有限元分析的ANSYS軟件是最有效的計算工具。ANSYS軟件擁有十分強大的分析功能，是一款能夠解決復雜工程問題的可視化計算軟件。在以矩陣計算為基礎的前提下，能夠將所有計算功能集合在一個環境下，實現數學模型的仿真以及工程繪圖應用程序的開發與設計。因此，在使用ANSYS軟件的前提下，可以將特大橋鋼箱梁頂推過程的受力問題做出分析和處理，并以此實現對于特大橋鋼箱梁頂推過程的優化。

在基于ANSYS的有限元頂推仿真計算中，將特大橋鋼箱梁向前頂推1 m的過程作為一個單元，因此全橋共有3 070個單元，以此在ANSYS中建立特大橋的頂推平面模型如圖2所示。

圖2 特大橋頂推平面模型

根據“一次落架法”的原理，本次橋梁建設工程采用“梁不動，支承體系隨施工階段變化而變化”的方法，運用ANSYS軟件對全橋建設的頂推過程進行仿真。鋼箱梁彎矩的仿真圖像與臨時反力在施工過程中的變化圖像如圖3所示。

圖3 鋼箱梁彎矩的仿真圖像

如圖3所示，在這個特大橋的臨時墩支點中，反力是特大橋的臨時墩在頂推過程中所負擔的主要作用力，同樣可以作為本工程的臨時墩控制應力的主要途徑，在墩頂上方設置一個千斤頂，并將頂推過程中所受的作用力完全控制，就可以保證這種應力能夠作為橋梁工程中鋼箱梁頂推施工全局穩定的關鍵作用力之一[2]。因此可以通過整理支點反力結果，推導頂推過程中支點反力的變化趨勢，如圖4所示。

圖4 臨時反力在施工過程中的變化圖像

在以上兩幅圖像中，可以清楚地看出特大橋的鋼箱梁跟隨頂推工況的最大正彎矩超過70 000 kN·m，而最小負彎矩則能夠達到-120 000 kN·m，特大橋臨時墩能夠提供的最大反力達到7 500 kN。根據事先提供的資料來看，由于研究區所建設的特大橋鋼箱梁頂推施工過程中所包含的鋼導梁是變截面鋼板梁，因此在使用解析法確定梁體自重荷載集度以及抗彎剛度時，需要將這兩個常量進行等效處理，并取得其等效替換值直接計算[3]。這個計算過程中的主要公式如下所示：

(1)

式中:β、γ均為參數。通過以上公式，計算出兩種臨時力，并由此引發以下問題，包括如何控制施工過程，如何滿足能夠使鋼箱梁及各臨時力受到制值的要求等。

2.2 實際工程中頂推過程受力問題分析

根據以上計算公式及受力模型的討論，可以得到特大橋鋼箱梁頂推過程中的部分施工步驟示意圖如圖5所示。

圖5 特大橋鋼箱梁頂推過程示意圖

如圖，當本工程中特大橋鋼箱梁頂推施工過程從圖5所示的第一階段進行到第二階段時，3#墩頂的鋼箱梁底部會因為受力問題而無法將頂推過程進行到5#墩頂，假設施工人員貿然增高至5#墩頂的高度，則5#墩頂就會徹底將鋼箱梁與墩頂底部相脫離。這樣的鋼箱梁施工方式使得整個鋼箱梁的重量需要完全由有限元分析軟件來進行事先設計，尋找最優方法使4#墩頂能夠承受這個臨時反力。而又因為特大橋鋼箱梁的重量本身就相對較大，所以在一定的前提下，能夠直接在橋梁工程建設中呈現出如圖3或圖4所示的鋼箱梁受力超標情況。此時的3#墩頂需要由施工人員適當將這些用來分擔鋼箱梁重量的設備向上調整，使標高的重量均勻分布，才能達到受力平衡。

在第二階段向第三階段進行的過程中，特大橋鋼箱梁4#墩頂的底部也缺乏應力作用產生的線形標高，這些應力值低于4#墩頂的標高就是圖5中的第三階段應力變化曲線。但是因為臨時建設的墩頂通常具備較大的剛度，其豎向方向的變形能力較差，導致特大橋鋼箱梁的實際受力曲線會如圖5中的第三幅圖一樣，直接導致4#墩頂中的特大橋鋼箱梁與特大橋臨時墩頂之間產生一定的位置偏移，被迫遷移臨時墩頂。4#墩頂的受力就會出現較大的誤差，導致出現圖3和圖4中的結構受力超標現象。

在特大橋鋼箱梁的頂推過程中，可以適當調整其他各臨時墩的位置，如圖5所示，但是絕不能調整5#墩頂以后的鋼箱梁。而絕大多數擁有較大跨度的連續曲線特大橋鋼箱梁在進行到頂推施工時，也需要根據具體情況調整臨時墩頂的水平位置及高度，以確保整個研究對象的受力安全。因此在實際施工時，可以適當考慮施工的安全性，對鋼箱梁水平位置及標高進行適當的調整。

3 結束語

上文對橋梁施工過程中的頂推法施工進行了詳細的分析，并以工程中的橋梁施工為研究對象，對于其進行有限元的參數分析以及受力特點研究。在這樣的計算環境下，得到特大橋鋼箱梁頂推過程中的受力分析，并以此計算更加省力頂推方式，對橋梁頂推方法進行優化。