基于有限元的上跨高速鐵路鋼箱梁頂推施工全過程分析

鄭 強

(中鐵上海設計院集團有限公司南京設計院，江蘇 南京 210000)

0 引 言

隨著城市化不斷推進，新建道路與鐵路交叉的情況愈發多見，涉鐵工程從方案設計階段至施工階段都需將確保鐵路運營安全作為第一要義。頂推施工法是橋梁施工中一種常用的方法，可有效地避免在跨越鐵路、道路、建筑物和保護區等障礙物時遇到的困難[1]。

國內很多學者及工程師對頂推施工有了較多的研究及探討。蔣洪發[2]以衡陽湘江人行鋼橋頂推滑移方案為例，介紹了頂推滑移法在鋼結構橋梁建設中的應用；黃偉等[3]針對多跨連續梁橋頂推施工雙導梁提出了優化分析設計方法；馮華龍[4]探討了鐵路大跨度鋼桁梁大型設備預拼裝及頂推施工技術；劉長超[5]論述了鋼箱梁頂推方案設計與施工技術；李兆峰等[6]利用有限元軟件研究了大型連續鋼桁梁橋頂推施工中關鍵節點力學性能；劉敬玉等[7]討論了有限元模型在鋼桁梁頂推工程中的應用。頂推施工過程中鋼箱梁受力比較復雜且不斷在變化，有必要利用有限元軟件對頂推施工全過程進行可靠模擬。

1 橋梁概況

本項目由北向南依次跨越京滬鐵路、滬寧城際鐵路。兩鐵路線間由于前期規劃已預留樁基，本項目為利用既有樁基，新建鋼箱梁橋上跨京滬鐵路和滬寧城際鐵路，橋跨布置為(32.127+32.873)m，采用頂推施工。其中線間墩蓋梁沒有現澆施工空間，采用鋼蓋梁，其他下部結構為預應力混凝土蓋梁柱式墩，基礎為鉆孔灌注樁，如圖1所示。

圖1 橋型布置圖(單位：cm)

2 頂推施工工序設計

(1) 試頂推鋼箱梁由初始狀態頂推至導梁伸出27#蓋梁中心線6 m，頂推距離約6 m。

(2) 利用滬寧城際鐵路天窗點，頂推32 m，導梁前端伸出26#橋墩中心線5 m。

(3) 利用滬寧城際天窗點及京滬鐵路封鎖點，向前頂推27 m，前導梁到達25#墩蓋梁中心線。

(4) 利用滬寧城際天窗點及京滬鐵路封鎖點，向前頂推26 m，前箱梁前端到達25#墩蓋梁中心線。頂推施工結束，拆除導梁。

3 頂推施工支架設計

支架基礎采用4根直徑1.2 m鉆孔灌注樁基礎，鋼箱梁拼裝支架采用重型鋼管支架，支架除作為鋼箱梁拼裝平臺以外，還作為頂推施工平臺，鋼支架采用φ609×12 mm鋼管柱，鋼管與混凝土橋墩上的預埋件焊接牢固，鋼管柱之間采用20#槽鋼作為剪刀撐連接，在鋼管樁上方雙拼45#工字鋼，其上搭設貝雷架作為施工平臺，在鋼管立柱及永久墩上方布設重物移運器，如圖2所示。

圖2 頂推施工支架設計(單位：cm)

4 主要技術參數

頂推施工主要技術參數：

(1) 最大頂推重量：1 430 t

(2) 凈摩擦系數按0.033控制，動摩擦系數按0.022控制；

(3) 頂推距離：96 m。

5 施工工況設計及有限元模型建立

在頂推施工過程中，隨著鋼箱梁行進長度的增加，全橋每個截面的內力呈現出正、負彎矩的交替變化。所以有必要對整個頂進過程的受力進行分析。而有限元分析中的桿系單元的計算時占用計算機空間相對較少，且方便直接內力輸出，非常適合對頂進過程整個施工階段進行全面分析。本節采用橋梁分析軟件MIDAS Civil，基于桿系單元對鋼箱梁進行頂推施工關鍵階段的受力分析。

5.1 施工工況設計

為模擬施工過程中導梁及主梁結構最不利受力狀態，共設計10個施工工況，見表1。

表1 施工工況設計表

5.2 有限元模型建立

采用MIDAS Civil軟件建立有限元模型，由于雙導梁間設置可靠橫向聯系，故導梁模擬時采用分離式工字鋼截面，根據施工指導性方案，建立有限元模型。 導梁及主梁有限元模型如圖3所示，主墩及臨時墩支架平臺有限元模型如圖4所示。

圖3 導梁及主梁有限元模型

圖4 主墩及臨時支架平臺有限元模型

6 頂推施工過程分析

由于上跨鐵路安全風險較大，對頂推過程中導梁的豎向位移需嚴格控制，由于鋼導梁的特殊性，根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362—2018)相關規定并適當嚴格，將控制值定為L/300。對于應力，根據《公路鋼結構橋梁設計規范》，取鋼材Q345B的強度設計值fd=260 MPa作為控制值。

6.1 導梁分析

各工況下導梁最大豎向位移和最大組合應力見表2。

表2 各工況下導梁最大位移和最大組合應力值

導梁最大變形發生在工況2，導梁過第一孔最大懸臂狀態，最大豎向變形為31 mm，如圖5所示，此時導梁根部最大應力為34.2 MPa<260 MPa。

圖5 工況2導梁最大變形

導梁最大組合應力發生在工況8，鋼箱梁過第二孔最大懸臂狀態，最大應力為70.2 MPa<260 MPa，如圖6所示。鋼箱梁與導梁連接位置應有不小于導梁自身強度的可靠焊接。

圖6 工況8導梁組合應力云圖

導梁在整個頂推過程中受力及變形在彈性范圍內，對鐵路安全影響較小。

6.2 鋼箱梁應力

各工況下鋼箱梁最大豎向位移和最大應力見表3。

表3 各工況下鋼箱梁最大位移和最大組合應力值

鋼箱梁最大變形發生在工況4，鋼箱梁第一孔最大懸臂狀態，最大豎向變形為10.128 mm，如圖7所示，此時鋼箱梁最大應力為11.9 MPa<260 MPa。

圖7 工況4鋼箱梁最大變形

鋼箱梁最大組合應力發生在工況7，導梁過第二孔就位狀態，最大應力為12.5 MPa<260 MPa，如圖8所示。

圖8 工況7鋼箱梁組合應力云圖

鋼箱梁在整個頂推過程中受力及變形在彈性范圍內，對鐵路安全影響較小。

6.3 摩擦力對墩的作用

鋼箱梁頂推過程中，由于摩擦力的作用，會在永久墩及臨時墩的墩頂產生水平力，提取模型墩頂反力，靜摩擦系數按設計值0.033控制，得到水平力，永久墩最大水平位移為0.084 mm，如圖9所示；鋼管支撐最大水平位移為0.104 mm，如圖10所示。位移及應力均在彈性范圍內。

圖9 永久墩水平位移

圖10 臨時輔助墩水平位移

7 結 論

結合前述計算分析，可得出以下結論：

(1) 本項目鋼箱梁頂推施工最不利工況為鋼箱梁過第二孔最大懸臂狀態，此時導梁與鋼箱梁搭接處最大應力為70.2 MPa，小于鋼材容許應力。鋼箱梁與導梁連接位置應有不小于導梁自身強度的可靠焊接。

(2) 導梁過第一孔最大懸臂狀態下，導梁前段豎向撓度達到最大，最大撓度值為31.9 mm。

(3) 鋼箱梁箱身在整個拖拉施工過程中，保持較小的應力狀態。

(4) 頂推摩阻力引起的墩頂水平推力在永久墩及臨時輔助墩墩頂產生的水平位移及應力狀態均在彈性范圍內。