連續鋼箱梁橋頂推施工下導梁設計參數分析

孫建民

（中鐵二十二局集團第二工程有限公司，北京 100041）

導梁具有減小頂推施工過程中最大懸臂長度，減小節點處最大負彎矩、減小構件變形等一系列重要作用，所以大跨度構筑物頂推施工時設置導梁有其必要性。而隨著頂推施工的使用在工程建設中的應用越來越廣泛，施工過程中導梁的設計也逐漸趨于復雜，提出導梁設計的簡化方法具有設計方面的實際意義。

廖泳華等[1]通過數值模擬探討了導梁與主梁的長度比、單位重量比、剛度比3 個參數，并用控制變量法對3 個參數進行敏感度分析，提出基于3 個參數的導梁設計優化方法，但是其沒有考慮變截面的情況，同時更偏向于理論分析。張光英等[2]通過ABAQUS 等軟件分析含初始缺陷導梁的屈曲效應問題，并提出檢驗導梁穩定性的檢測方案。鄺思芹[3]對具體工程中的頂推施工進行分解，分別對得到的子系統進行風險評估，使用模糊綜合評價法對施工的整體安全性做出判斷。白樺等[4]提出了下穿既有高鐵的連續鋼梁橋頂推施工方案的設計要點和頂推施工時的關鍵控制措施。部分文章對不同工況下導梁的設計方案優化思路進行了探討[5-6]。

根據對已有文獻的研究可知，目前對頂推施工整體工藝流程的研究較為全面，但對導梁的參數設計研究較少，尤其是在變截面導梁設計方面還存在大量空白。本文根據工程實例，通過數值模擬對變截面導梁的安全性進行驗證，根據規范計算變截面導梁各個控制指標，提出根據數值模擬計算結果進行參數優化的方法。

1 頂推施工過程概況

某跨線橋工程主橋孔跨布置采用（52+65+52）m等截面鋼箱梁結構。橋梁最大孔跨下方已有通航線路為摩托車1、2 線、濱江上行線、5 道、濱江下行線、濱北下行線、濱北上行線和北遷線共8 條線路。本工程頂推施工分為3 個階段：①拼裝64.27 m 鋼箱梁和36 m 導梁后整體頂推至鋼箱梁尾端到達臨時墩；②拼裝62.4 m鋼箱梁后整體頂推；③繼續拼裝42.17 m 鋼箱梁后按設計方案整體頂推18.5 m。由于頂推過程中鋼梁和導梁結構在不同位置時有不同的支承情況，故需要進行工況的劃分，根據實際情況將整個過程劃分為16 個工況，每個工況下都應該對臨時墩反力、導梁前端撓度及應力，鋼箱梁撓度及應力進行計算。鋼梁頂推過程中控制性工況見表1。

表1 控制性施工步驟表

2 連續鋼箱梁計算結果

橋梁主體結構受力符合規范要求是繼續進行導梁設計和參數優化的基礎，但是連續鋼箱梁的計算方法并非本文討論的重點，故此處僅給出連續鋼箱梁強度驗算的結果。

鋼箱梁最大豎向撓度在整個頂推過程中變化較小，最大豎向撓度為-43.3 mm，出現在工況6。鋼箱梁最大正應力為54.5 MPa＜250 MPa，出現在工況8；鋼箱梁最大剪應力為14.3 MPa＜140 MPa，出現在工況10，最大正應力和剪應力均未超出材料容許應力，滿足要求。

鋼箱梁最大組合應力為59.9 MPa＜1.1×250 MPa，滿足要求。根據軟件計算結果，頂推階段最大支點反力為357.7 t，鋼箱梁腹板局部承壓強度應按下式計算（依據GB 50017—2003《鋼結構設計規范》4.2.1 條）

式中：F為集中荷載，取值357.7×9.8=3 505.5 kN；φ 為集中荷載增大系數，取1.0；lz為集中荷載在腹板計算高度上邊緣的假定分布長度，按下式計算

式中：a為集中荷載沿跨度方向的支承長度；hy為自頂梁至腹板計算高度上邊緣的距離；hR為軌道的高度，對梁頂無軌道的梁hR=0。

3 頂推導梁計算

3.1 材料參數及導梁設計

根據前文提到的廖泳華等[1]的研究，工程中導梁與鋼梁的長度比和單位重量比是影響相對較大的指標，根據規范要求，導梁的長度一般取最大跨度的0.5~0.7倍，設計時可以先通過軟件進行試算，該工程取33 m，36 m，39 m 3 種長度進行比選，以最不利工況下結構的應力狀態、變形情況、穩定性作為評判依據，最后選擇了36 m 長度的導梁。

在鋼材型號的選擇上，目前的橋梁結構用鋼最多的就是Q345q 和Q370q 系列鋼。合適的鋼材選擇能夠有效減小導梁的自重，從而降低成本。為保證導梁具有一定的強度和韌性，該工程鋼梁及導梁均采用Q345qD型號，鋼材的抗壓和抗彎的容許應力均取250 MPa，抗剪容許應力取值為140 MPa。

該工程為變截面導梁，為防止應力集中等問題，導梁的高度應均勻變化。導梁的前端高度是重要的設計指標，其數值也可以通過軟件的試算和比選進行確定，在進行數值模擬時先將導梁按等截面梁進行計算，再根據應力分布情況調整導梁兩端的高度，直到結構的應力分布趨于合理。該工程經調整后確定與主梁連接處導梁的截面高度為2 500 mm，導梁前端的截面高度為1 500 mm。為抑制導梁的側向變形，左右側導梁之間設置連接系，連接系為鋼管桁架形式。鋼導梁結構形式如圖1 所示。

圖1 鋼導梁結構圖

3.2 鋼導梁頂推強度及剛度驗算

該工程鋼導梁的主要設計思路和設計方法已在前文提及，此處不在贅述，鋼導梁最大豎向撓度出現在工況3，前端最大懸臂55 m 時，最大豎向撓度為314.6 mm；鋼導梁最大正應力為164.4 MPa＜250 MPa，出現在工況8；鋼導梁最大剪應力為32.1 MPa＜140 MPa，出現在工況10，均滿足鋼結構設計規范。各工況相應的計算結果如圖2、圖3、圖4 所示。

圖2 工況3 鋼導梁撓度圖

圖3 工況8 鋼導梁正應力圖

圖4 工況10 鋼導梁剪應力圖

3.3 鋼導梁截面穩定性驗算

剛導梁截面穩定性的計算分為整體穩定和局部穩定兩個部分，該工程中鋼導梁為有側向支撐的工字梁，根據GB 50017—2003《鋼結構設計規范》4.2.1條，H 型鋼或等截面工字形簡支梁受壓冀緣的自由長度與其寬度之比不超過表2 規定時，不需計算梁的整體穩定性。

表2 H 型鋼和等截面工字形簡支梁不需計算整體穩定性的最大l1/b1 值

連接系最大間距l1=6 000 mm，翼緣寬度b1=500 mm，計算l1/b1=6 000/500=12＜13.0，因此，不需要計算鋼導梁的整體穩定性。

導梁下部共分37 個節點，此處展示與主梁連接的一號節點的計算結果。一號節點截面穩定性驗算結果詳見表3，導梁的各個節點均在受壓翼緣與縱向加勁肋之間設置有短加勁肋。

表3 一號節點驗算結果

4 結束語

根據對該工程導梁設計過程的分析以及數值模擬的結果，得出以下結論。

鋼導梁最大豎向撓度出現在工況3，前端最大懸臂55 m 時，最大豎向撓度為314.6 mm；鋼導梁最大正應力為164.4 MPa＜250 MPa，出現在工況8；鋼導梁最大剪應力為32.1 MPa＜140 MPa，出現在工況10，最大正應力和剪應力均未超出材料容許應力，滿足規范要求。

通過變截面的設計可以有效減少導梁的自重，根據計算，變截面的設計相對于等截面設計為導梁節省了7.27%的用鋼量。

運用數值模擬的手段可以更科學地對導梁的各項參數進行優化設計，該工程中導梁的長度和變截面設計均通過數值模擬手段進行試算和比選進行了優化。