某拱橋推頂施工過程仿真及施工關(guān)鍵結(jié)構(gòu)安全分析

摘要：為研究拱橋推頂施工過程以及施工關(guān)鍵結(jié)構(gòu)力學(xué)特征，文章基于有限元方法，利用Midas Civil軟件建立橋梁結(jié)構(gòu)模型，通過數(shù)值模擬與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式，針對不同推頂施工工況下不同橋梁構(gòu)件的力學(xué)機(jī)制進(jìn)行研究，同時對施工關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件位移進(jìn)行分析。結(jié)果表明：（1）隨著頂推施工階段的進(jìn)行及累計(jì)推頂距離的增加，其上部結(jié)構(gòu)的拉壓應(yīng)力也在不斷增大，其中最大拉壓應(yīng)力主要集中于前導(dǎo)梁根部；絕大多數(shù)構(gòu)件應(yīng)力也在不斷增大，但對于后導(dǎo)梁而言，在第三階段其最大應(yīng)力減小，且全橋各構(gòu)件的最大應(yīng)力主要集中于頂推第三、四階段；（2）前導(dǎo)梁、主縱梁、拱肋為施工主體受力結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)位移對橋梁整體安全穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響顯著。

關(guān)鍵詞：推頂施工；結(jié)構(gòu)；有限元；橋梁結(jié)構(gòu)模型

中圖分類號：U445.462 A 33 116 4

0 引言

目前我國拱橋施工主要采用頂推施工法，該方法具有簡便、快捷、安全等優(yōu)勢，但在工程中對頂推施工過程中的橋梁力學(xué)機(jī)理分析不夠深入，并未對施工關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行充分分析，因此需要完善對拱橋頂推施工過程及施工關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的安全分析，進(jìn)而保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，將結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險降至最低［1-3］。

國內(nèi)外研究學(xué)者針對頂推施工理論進(jìn)行了大量研究。Kwang Hoe Jung等［4］對IIsun大橋施工各階段進(jìn)行研究，分析在推頂過程中波形鋼腹板應(yīng)力變化，檢驗(yàn)預(yù)應(yīng)力箱梁施工過程的安全性。Granata Michele Fabio等［5］對直線梁以及曲線梁進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)梁重量對頂推施工中懸臂梁彎矩與扭矩影響較大，同時確定導(dǎo)梁長度與最大頂推跨徑合理比值。陳友生等［6］對寧波新典橋進(jìn)行研究，采用步履式頂推的方法保證頂推過程結(jié)構(gòu)安全，降低相應(yīng)施工成本，對沿海深厚軟土層橋梁施工提供相應(yīng)指導(dǎo)。熊斌等［7］采用BIM技術(shù)對連續(xù)鋼箱梁橋頂推施工過程進(jìn)行模擬，結(jié)合鋼箱梁橋施工特點(diǎn)，通過施工動畫指導(dǎo)鋼箱梁頂推施工。劉廣福［8］采用有限元分析軟件Midas Civil對黑龍江大橋?qū)Я鹤冃?、受力進(jìn)行研究，并采用BIM技術(shù)對黑龍江大橋頂推施工進(jìn)行三維建模，對施工過程以及相應(yīng)施工工藝進(jìn)行模擬。齊杰夫［9］對鋼箱梁頂推系統(tǒng)中拉錨器進(jìn)行力學(xué)分析，通過建立有限元模型，研究拉錨器局部受力狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)主受力板厚度的增加可以提高拉錨器安全性能。嚴(yán)定鈺［10］采用Midas Civil有限元分析軟件對連續(xù)梁橋頂推施工過程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)在頂推過程中其主梁均處于受壓狀態(tài)，導(dǎo)梁變形不大。

上述研究主要集中于橋梁頂推施工以及橋梁頂推中導(dǎo)梁的力學(xué)機(jī)理研究，較少涉及拱橋頂推施工過程的仿真以及施工關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的力學(xué)機(jī)制分析，因此，本文基于前人對橋梁頂推施工的研究，進(jìn)一步考慮施工過程中橋梁關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)特征，利用Midas Civil有限元分析軟件對拱橋頂推施工過程進(jìn)行分析，對關(guān)鍵構(gòu)件穩(wěn)定性進(jìn)行研究，為今后拱橋頂推建設(shè)施工提供相應(yīng)依據(jù)。

1 工程背景及設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

本文工點(diǎn)依托于某地區(qū)實(shí)際橋梁工程，該位置屬于平原地貌，該橋?yàn)橹鞲傻?，交通量較大，跨徑為110 m，寬38.5 m，設(shè)置有4條線路，拱肋外側(cè)分別各有1條線路。

主橋的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

1.2 拱橋施工過程

本工程為鋼箱拱橋，考慮實(shí)際施工，故采用頂推施工法對拱橋進(jìn)行施工。圖2為頂推施工的具體流程。

2 鋼箱拱橋有限元模型的建立

2.1 有限元建模步驟

基于Midas Civil有限元數(shù)值模擬軟件建立相關(guān)模型。根據(jù)頂推施工過程的受力特點(diǎn)，將橋梁結(jié)構(gòu)定義為空間桿系單元，采用梁單元對橫梁、主拱圈、風(fēng)撐等結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。由于考慮到主縱梁處分布有豎曲線，但豎曲線對主縱梁受力與變形影響不大，因此將主縱梁簡化為直線并忽略豎曲線。

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)中各個構(gòu)件的受力關(guān)系，設(shè)置不同鏈接，縱梁與導(dǎo)梁、縱梁與拱肋之間均采用共節(jié)點(diǎn)剛接，而橫梁與縱梁采用剛性連接，臨時撐桿與縱梁、拱肋均采用鉸接的形式。圖3為Midas Civil有限元軟件建模流程。

2.2 鋼材的選取

全橋模型共計(jì)有4 500個節(jié)點(diǎn)以及5 021個單元，其中梁單元有4 762個，板單元有259個。鋼梁拱橋采用Q370qE鋼材，其材料容重為83.4 kN/m3，彈性模量E為2.12×105 MPa。其余部分均采用Q345B鋼材，其材料容重為77.4 kN/m3，彈性模量E為2.04×106 MPa。

2.3 頂推階段劃分

本工程采用步履式施工，因此將頂推過程主要分為三部分，包括臨時營業(yè)性施工、營業(yè)性施工以及梁體系轉(zhuǎn)換。由于橋梁結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，因此將營業(yè)性施工階段細(xì)化，將頂推施工分為五個施工階段，表1為五個施工階段細(xì)化模擬結(jié)果表。

2.4 三維模型的建立

本研究以實(shí)際橋梁工程拱橋推頂施工過程為基礎(chǔ)，依據(jù)施工圖，利用Midas Civil軟件建立簡化的橋梁模型，如圖4所示為橋梁模型示意圖。

3 基于有限元的頂推階段受力分析

3.1 上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

通過Midas Civil有限元軟件對不同頂推階段進(jìn)行模擬，并提取各階段的應(yīng)力包絡(luò)圖，依據(jù)相關(guān)規(guī)范對結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，表2和下頁圖5為不同頂推階段拉壓應(yīng)力變化情況。

由表2和圖5可知，隨著頂推施工階段的進(jìn)行，累計(jì)推頂距離的增加，其壓應(yīng)力、拉應(yīng)力也在不斷增大，當(dāng)頂推至第五階段時，由于推頂設(shè)備拆除、落梁施工及設(shè)備拆除，會導(dǎo)致拉壓應(yīng)力瞬時降低；在這五個施工階段中，其最大拉壓應(yīng)力均小于容許應(yīng)力，且最大拉壓應(yīng)力都集中于前導(dǎo)梁根部。考慮實(shí)際橋梁頂推過程，前導(dǎo)梁處應(yīng)力相對集中，與主要結(jié)構(gòu)連接，應(yīng)力交替變化，因此在實(shí)際施工過程中要對該部位進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測。

3.2 各施工階段應(yīng)力分析

表3和圖6為不同頂推階段各構(gòu)件的最大應(yīng)力值變化情況。

根據(jù)表3和圖6可知，隨著頂推施工階段的進(jìn)行，累計(jì)推頂距離的增加，絕大多數(shù)構(gòu)件應(yīng)力也在不斷增大，但對于后導(dǎo)梁而言，在第三階段其最大應(yīng)力發(fā)生減小。全橋各構(gòu)件的最大應(yīng)力主要集中于第三、四階段，施工過程中橫梁以及后導(dǎo)梁應(yīng)力較小，遠(yuǎn)小于容許應(yīng)力，而前導(dǎo)梁、主縱梁、拱肋為施工主體受力結(jié)構(gòu)，后續(xù)應(yīng)對其進(jìn)行深入研究。

4 施工關(guān)鍵結(jié)構(gòu)安全分析

由上節(jié)應(yīng)力分析可知，前導(dǎo)梁、主縱梁、拱肋為施工主體受力結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)位移對橋梁整體安全穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響，對三個結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，得出其最小豎向位移以及最大豎向位移。

4.1 前導(dǎo)梁位移分析

前導(dǎo)梁位移變化對頂推施工過程產(chǎn)生較大影響，因此要對前導(dǎo)梁豎向位移進(jìn)行監(jiān)測。通過實(shí)際施工過程以及數(shù)值模擬監(jiān)測可知，前導(dǎo)梁最大豎向位移出現(xiàn)于前導(dǎo)梁前端，此時最大豎向位移為33.5 mm，前導(dǎo)梁最小豎向位移出現(xiàn)在頂推施工的第三階段的最大懸臂工況，此時最小豎向位移為-343.5 mm。橋梁前導(dǎo)梁豎向位移處于安全范圍內(nèi)。

4.2 主縱梁位移分析

主縱梁位移變化對頂推施工過程產(chǎn)生較大影響，因此要對主縱梁豎向位移進(jìn)行監(jiān)測。通過實(shí)際施工過程以及數(shù)值模擬監(jiān)測可知，主縱梁最大豎向位移出現(xiàn)于主縱梁小里程端部，此時最大豎向位移為12.5 mm，主縱梁最小豎向位移出現(xiàn)在頂推施工的第四階段的主縱梁大里程端部，此時最小豎向位移為-88.3 mm。橋梁主縱梁豎向位移處于安全范圍內(nèi)。

4.3 拱肋位移分析

拱肋位移主要由上拱肋位移與下拱肋位移兩部分組成，由數(shù)值模擬結(jié)果可知，在頂推施工過程中，拱肋最小豎向位移發(fā)生在大里程拱肋角處，為-87.43 mm，而拱肋最大豎向位移發(fā)生在小里程拱肋角處，為10.56 mm。

5 結(jié)語

本文通過對橋梁頂推施工過程仿真及施工關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，采用Midas Civil有限元數(shù)值模擬軟件，得出不同頂推階段不同構(gòu)件的力學(xué)響應(yīng)機(jī)制，并針對前導(dǎo)梁、主縱梁、拱肋三類施工主體受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行位移分析，提出鋼箱拱橋關(guān)鍵構(gòu)件的位移變化規(guī)律，為今后橋梁工程中拱橋施工提供相應(yīng)參考依據(jù)。

本文得到如下主要結(jié)論：

（1）隨著頂推施工階段的進(jìn)行，累計(jì)推頂距離的增加，其上部結(jié)構(gòu)的拉壓應(yīng)力也在不斷增大，其中最大拉壓應(yīng)力主要集中于前導(dǎo)梁根部；絕大多數(shù)構(gòu)件應(yīng)力也在不斷增大，但對于后導(dǎo)梁而言，在第三階段其最大應(yīng)力發(fā)生減小。全橋各構(gòu)件的最大應(yīng)力主要集中于第三、四階段。

（2）前導(dǎo)梁、主縱梁、拱肋為施工主體受力結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)位移對橋梁整體安全穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。

（3）前導(dǎo)梁最大豎向位移出現(xiàn)于前導(dǎo)梁前端，其位移值為33.5 mm，前導(dǎo)梁最小豎向位移為-343.5 mm；主縱梁最大豎向位移出現(xiàn)于主縱梁小里程端部，其位移值為12.5 mm，主縱梁最小豎向位移出現(xiàn)于主縱梁大里程端部，其值為-88.3 mm；拱肋最小豎向位移發(fā)生在大里程拱肋角處，其值為-87.43 mm，而拱肋最大豎向位移發(fā)生在小里程拱肋角處，其值為10.56 mm。

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收稿日期：2022-12-20