平-豎雙曲軸線鋼箱梁平移頂進時力學性能分析

周浩東, 朱俊濤, 崔進龍, 李浩鈿

(1.中鐵七局集團第三工程有限公司,陜西 西安 710000;2.鄭州大學 水利與土木工程學院,河南 鄭州 450000)

0 引 言

隨著交通基礎設施建設的迅猛發(fā)展,各級公路跨高速公路的需求越來越大,對相應的橋梁建設要求也越來越高。目前,對運營高速公路的安全管理越來越嚴格,占壓車道或壓縮車道進行支架施工的方案往往因為安全原因而不被接受,所以在施工過程中大多使用頂推法施工, 頂推法施工[1-6]起源于鋼橋縱向拖拉,就是在沿橋軸線方向的橋臺后設置預制場,設置臨時支架、頂推軌道、水平千斤頂施力裝置,并在結構前方設置鋼導梁,通過縱向頂推使橋體結構到達指定位置的方法。該方法對橋下交通影響較小,不需要大型吊裝設備,也沒有高空作業(yè),具有造價相對較低、進度快、適用范圍廣的優(yōu)點。

橋梁結構建造復雜性的特點不僅決定了要對成橋狀態(tài)的結構進行分析,而且在橋梁建設不同的施工階段,整體結構的內(nèi)力、應力、撓曲變形等會發(fā)生較大變化。對于曲線鋼箱梁橋,橋梁的頂推軌跡、箱梁拼接、支架位置和穩(wěn)定性都會對鋼箱梁的受力及穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

目前頂推施工的應用和研究對象主要是混凝土連續(xù)梁橋,并且根據(jù)工程經(jīng)驗和研究內(nèi)容的積累,已經(jīng)形成了一套較為完善的工法,而對于鋼箱梁橋頂推施工[7-10]的方法和研究還存在明顯的不足,尤其是空間變軸線鋼箱梁橋,不足之處體現(xiàn)在對于空間變軸線鋼箱梁直線頂推方法的確定和頂推過程中動態(tài)確定頂推平臺處支頂高度均沒有較好的方法,頂推結束后頂推段與拼接梁連接的無應力構型控制和頂推過程中支架及梁穩(wěn)定控制分析,以及對指標標準的研究和分析也不夠深入[11-13],這些問題制約了頂推施工在空間變軸線鋼箱梁橋建造中推廣與應用。為了填補此項空白,本文對曲線鋼箱梁平移頂進的過程進行了力學性能分析。

1 工程概況

匝道橋?qū)?2 310 mm,為等寬結構,平面位于R=400 m的圓曲線和A=200的緩和曲線上。鋼箱梁采用連續(xù)等高梁,梁高3.2 m,懸臂長度為2 030 mm,懸臂根部厚度為550 mm,鋼箱梁頂板標準厚度為16 mm,底板標準厚度為16 mm,中墩附近頂板厚度為30mm,底板厚度為30 mm,腹板標準厚度為14 mm,支點附近厚度為16 mm。頂板加勁肋采用U肋、工肋及板肋,底板、腹板加勁肋采用板肋。鋼箱梁采用單箱三室結構,腹板豎直布置,中間橫隔板標準間距為1.5 m,實腹式、框架式交替布置。

U肋間距500(540)mm,兩側I肋間距250 mm,T肋間距300 mm;底板厚14 mm,I肋間距450 mm;腹板厚14 mm,縱向用四道不等距I肋加勁;普通橫隔板厚14 mm,中支點橫隔板厚24 mm,邊支點橫隔板厚24 mm。頂?shù)装錟肋規(guī)格為300 mm(口寬)×280 mm(高)×8 mm(厚)。所有板件均采用Q345B鋼材,標準橫斷面示意圖如圖1所示。

圖1 標準橫斷面示意圖(單位:mm)

相比于直線梁橋,曲線梁橋由于特有的力學特性,并根據(jù)建立的模型(圖2)分析可知:曲線梁橋在頂推過程中各步履機所受支反力不同,因此在鋼箱梁移動過程中,各步履機所需克服靜摩擦力也各有不同。鋼箱梁所受靜摩擦力不同,頂推設備施加的水平力也要有所不同,從而保證鋼箱梁向前移動時協(xié)調(diào)工作,同步前移。因此為更全面了解空間空軸線鋼箱梁橋的力學特性與屈曲分析,不僅需要模擬鋼箱梁頂推到位后沒有水平力作用下各個工況的力學模型,還需要模擬鋼箱梁在受到水平力作用后各工況的施工概況,以便更好地了解頂推時鋼箱梁的應力、應變以及屈曲特征值。

圖2 模型示意圖

在原有模型的基礎上,在鋼箱梁的支撐面上添加水平力,摩擦系數(shù)按照0.05取值,根據(jù)步履機所受支反力得到平移頂進時各水平千斤頂所施加的頂推力,見表1。

表1 各工況下頂推設備施加的頂推力(單位:kN)

各個工況的約束如下:

(1) 工況一:3號墩、4號墩約束X、Z方向平動,5號墩約束X、Y、Z方向平動。

(2) 工況二:3號墩、4號墩約束X、Z方向平動,5號墩約束X、Y、Z方向平動。

(3) 工況三:2號墩、3號墩、4號墩約束X、Z方向平動,5號墩約束X、Y、Z方向平動。

(4) 工況四:2號墩、3號墩約束X、Z方向平動,4號墩約束X、Y、Z方向平動。

(5) 工況五:1號墩、2號墩、3號墩約束X、Z方向平動,4號墩約束X、Y、Z方向平動。

(6) 工況六:1號墩、2號墩約束X、Z方向平動,3號墩約束X、Y、Z方向平動。

(7) 工況七:1號墩約束X、Z方向平動,3號墩約束X、Y、Z方向平動。

根據(jù)各工況的荷載以及邊界條件展開對模型的求解,通過求解分析鋼箱梁的變形、應力分布以及屈曲特征值,從而更全面地了解在頂推過程中空間變軸線鋼箱梁的力學性能。

2 鋼箱梁定向變形分析

在鋼箱梁頂推過程中,由于空間變軸線鋼箱梁的復雜性,在頂推時頂推水平力是不對稱的,因此,要了解在添加水平力后鋼箱梁在頂推方向的變形情況,通過鋼箱梁的變形情況來了解鋼箱梁是否存在明顯的水平偏移。在對以上橋梁的各個工況進行求解后可以得到鋼箱梁的變形見表2。

表2 各工況頂推方向變形表

通過表2可以發(fā)現(xiàn),工況一的鋼箱梁縱橋向變形量較大,這是因為工況一的縱橋向頂推力與其他工況相比差值較大,但在橫橋向鋼箱梁的變形量接近相同;工況二的縱橋向變形量和工況一相比減少較多,這與工況二頂推力差值較小是分不開的,并且橫橋向的變形量也沒有太大差別;工況三導梁部分橫橋向的變形量差異較大,鋼箱梁部分基本一致,這種差異的造成是因為鋼箱梁為空間變軸線,而頂推支架是按直線布置,因此導梁內(nèi)外側不能同時到達2號墩,正是內(nèi)側頂推力的缺少導致了工況三變形情況的出現(xiàn);工況四、工況五、工況六變形情況接近,均是縱橋向變形量較小,橫橋向變形量接近;工況七雖然縱橋向變形較大,但工況七為落梁階段,在此不做過多研究。

將各工況的變形規(guī)律匯總后可以發(fā)現(xiàn),對于空間變軸線鋼箱梁橋,在應用步履式多點頂推時,根據(jù)各步履機所受的支反力而施加頂推力有利于鋼箱梁平穩(wěn)前移,防止在平移頂進過程中發(fā)生過大偏移,對鋼箱梁的線性控制有重要影響。

3 鋼箱梁數(shù)值分析

在曲線鋼箱梁的頂推施工過程中,鋼箱梁的前移通過步履式設備的起頂、前移、擱置、回程的循環(huán)往復來完成, 通過ANSYS建立空間殼單元模型進行數(shù)值模擬,通過計算可得到鋼箱梁在有無水平力作用下的應力分布情況如圖3和圖4所示(以工況一為例)。

圖3 自重作用下應力分布

通過圖3和圖4的對比分析可以發(fā)現(xiàn),在結構自重以及水平力的作用下,鋼箱梁的應力分布圖與鋼箱梁僅在結構自重下的應力分布圖極其相似,并且最大等效應力的大小基本一致(表3)。這說明水平力對鋼箱梁所受應力沒有太大影響,鋼箱梁的應力集中現(xiàn)象還是由于支撐面積較小,局部承壓所引起的。

表3 鋼箱梁最大應力數(shù)值表(單位:MPa)

圖5 工況一許可應力云圖

由圖5可知,工況一情況下鋼箱梁所受應力主要在20 MPa以下,當應力大于20 MPa時,應力主要分布在鋼箱梁支撐面。其他工況的應力分布與工況一相似。

根據(jù)各個工況的應力云圖可以發(fā)現(xiàn)鋼箱梁主體的應力小于20 MPa,當應力大于20 MPa時,應力主要分布在鋼箱梁支撐面,這種應力集中現(xiàn)象主要是由于頂推過程接觸面積較小引起的,并且鋼箱梁的最大應力為300.57 MPa,由于材質(zhì)為Q345鋼,鋼板厚度小于16 mm,許用應力為257.5 MPa,存在部分區(qū)域應力超過許用應力。但通過云圖發(fā)現(xiàn),由于模型主梁均為薄板,應力最值以極小范圍區(qū)域零散分散在模型支撐位置,應力在250 MPa及以上的位置幾乎看不到,不會降低施工過程中結構的安全性。

4 鋼箱梁頂推受力時屈曲特征值分析

對于鋼箱梁的施工問題,薄壁結構的屈曲問題一直是關注的重點,前面已經(jīng)對自重作用下鋼箱梁的局部穩(wěn)定性進行了分析,鋼箱梁在承受水平頂推力之后結構的穩(wěn)定性會不會發(fā)生明顯改變?nèi)孕枰獙Y構進行模擬求解。各個工況的屈曲特征值見表4。

表4 頂推力作用下各個工況下的屈曲特征值

通過對比,在頂推力作用下鋼箱梁最有可能發(fā)生屈曲的位置和沒有頂推力作用下鋼箱梁發(fā)生屈曲的位置相同;施加頂推力之后,工況一的特征值變大,工況二、工況三、工況四、工況五、工況六、工況七的特征值均減小,但改變量不超過0.1,所以在施加頂推力之后可以認為結構的屈曲特征值沒有發(fā)生變化。因此,頂推力對鋼箱梁屈曲穩(wěn)定性的影響非常小,它不是決定鋼箱梁屈曲穩(wěn)定性的主要因素。

5 結 論

本文主要進行了曲線鋼箱梁頂推過程中力學性能和屈曲特征值分析,在結構自重作用下,在步履機頂推設備和鋼箱梁的接觸面上按摩擦系數(shù)為0.05施加水平頂推力。通過研究頂推受力后曲線鋼箱梁的變形、應力和屈曲穩(wěn)定性可發(fā)現(xiàn):

(1) 對于空間變軸線鋼箱梁橋,在應用步履式多點頂推時,根據(jù)各步履機所受的支反力而施加頂推力有利于鋼箱梁平穩(wěn)前移,防止在平移頂進過程中發(fā)生過大偏移,對鋼箱梁的線性控制有重要影響,因此在空間變軸線頂推過程中要及時監(jiān)測各個步履機所受壓力以及水平千斤頂施加的頂推力,從而保證空間變軸線鋼箱梁按照預定軌道前進。

(2) 在鋼箱梁平移頂進時,各工況下鋼箱梁主體結構的應力小于20 MPa,當應力大于 20 MPa時,應力主要分布在鋼箱梁支撐面,這種應力集中現(xiàn)象主要是由于頂推過程接觸面積較小引起的,并且超過許用應力250 MPa的區(qū)域分布在應力最大處,不影響結構的安全性。

(3) 與無頂推力相比,鋼箱梁一階屈曲模態(tài)的最大變形位置沒有改變,屈曲特征值僅改變了0.1,說明頂推力對曲線鋼箱梁的屈曲穩(wěn)定性影響很小,相比之下,鋼箱梁的自重才是影響穩(wěn)定性的主要因素。