跨線頂推鋼箱梁臨時支架有限元仿真分析

摘" 要：鋼箱梁頂推施工技術是鋼箱梁施工重要的技術之一，為研究鋼箱梁頂推施工過程中臨時措施設計的可行性以及施工的安全性，以崔家崖特大橋鋼箱梁工程為例，對其頂推施工的施工工藝以及臨時措施的技術參數進行研究，并對臨時頂推支架與臨時拼裝支架的施工安全性進行有限元仿真模擬分析，為類似工程提供借鑒。

關鍵詞：鋼箱梁；頂推；安全性；有限元分析；臨時措施

中圖分類號：U445" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）09-0172-04

Abstract： Steel box girder jacking construction technology is one of the important technologies in steel box girder construction. In order to study the feasibility of temporary measures design and construction safety during the steel box girder jacking construction process， taking the steel box girder project of Cuijiaya Super-large Bridge as an example， the construction technology and technical parameters of temporary measures of the jacking construction are studied， and the construction safety of temporary jacking brackets and temporary assembly brackets is analyzed by finite element simulation， providing reference for similar projects.

Keywords： steel box girder; jacking; safety; finite element analysis; temporary measures

頂推施工技術是橋梁建設中常見的施工技術之一，其可以有效地解決新建橋梁跨越既有溝渠、線路等復雜的施工環境問題[1]。步履式頂推法相比于傳統的拖拉法頂推施工，能更好地展現出對臨時墩的控制，實現鋼箱梁的頂升、平移、橫向調整等多方向移動為一體，施工中軸向和橫向位移調整更加簡單便捷，具有顯著優勢[2]。

在鋼箱梁頂推施工中，對臨時措施的研究也有很多。祁帥[3]以國道110線包頭北繞城段公路項目鋼箱梁頂推施工為例，對鋼箱梁頂推所用臨時支架結構進行設計，并通過MIDAS有限元仿真軟件分析了鋼箱梁頂推過程中支架的受力情況，同時對支架基礎進行驗算，以確保方案的安全性和可行性，為現場頂推施工的順利進行提供了保障。劉瑞等[4]對上跨高速公路鋼箱梁頂推施工支架設計與檢算進行了研究，結合宿淮高速主線橋跨京滬高速鋼箱梁頂推施工實例，根據現場條件，對鋼箱梁頂推施工支架進行了設計，建立頂推支架有限元計算模型，將最不利頂升支反力作用在頂推支架上，分析頂推支架的力學行為，經計算：頂推支架在鋼箱梁頂推施工中具有足夠的強度、剛度，能夠滿足實際工程中的應用。宋顯銳等[5]對大跨鋼箱梁橋頂推臨時支架結構受力進行了分析，結果表明，在頂推施工過程中，支架縱橋向頂部位移及底部應力較大，屬于薄弱部位，考慮到各頂推設備之間不嚴格同步可能產生較大水平力，施工過程中應對其薄弱部位進行加強，研究結果可為大跨橋梁頂推施工提供技術參考。徐博聞等[6]以蘇州工業園區珠涇路跨滬寧高速主橋步履式頂推施工為背景，通過Midas Civil有限元軟件對鋼箱梁的頂推施工進行結構整體受力分析，對每個行程下頂推墩支反力、頂推支架穩定性、鋼箱梁應力和導梁應力等參數的變化規律進行了分析計算，為項目的順利施工提供了安全保障。

綜上所述，各學者對鋼箱梁頂推施工中的關鍵技術以及臨時結構的安全性分析作了詳細的研究。本文以崔家崖特大橋鋼箱梁工程為例，對其施工過程中的部分施工工藝以及詳細的臨時措施參數進行了闡述，并對臨時結構的施工安全性進行了分析，采用Midas有限元仿真軟件對支架結構的剛度、強度、穩定性進行了計算，確保了施工的安全性，具有一定的參考價值。

1" 工程概況

崔家崖特大橋項目位于蘭州市七里河區，本橋先后跨越大金溝、既有蘭新鐵路、改建柳家營貨線鐵路，橋址北側緊鄰既有鐵路、南側臨近南山路、橋址范圍內既有房屋密集。崔家崖特大橋鋼箱梁工程位于第5孔至第7孔（5#—8#墩），跨徑分別為32.87、32.93、32.87 m，其中5#、8#墩為圓端型混凝土墩，6#、7#墩采用門式墩跨越既有中川鐵路，與既有線中線交角為75°。墩頂蓋梁為鋼蓋梁，鋼蓋梁采用工廠分段預制，現場在8#—10#墩之間設置拼裝及頂推區，通過拼裝、焊接，整體吊裝就位后頂推施工，鋼箱梁平面布置圖如圖1所示。

2" 施工關鍵技術分析

崔家崖特大橋鋼結構工程采用吊裝拼裝與頂推施工交叉結合的施工方式進行，具體施工工藝流程如下：施工準備→臨時墩基礎施工→臨時墩支架施工→頂推設備安裝、調試→鋼箱梁節段一、二、三拼裝及焊接→導梁安裝→第一次頂推14 m→鋼箱梁節段四拼裝焊接→第二次頂推43.6 m→鋼箱梁節段五、六、七拼裝及焊接→第三次頂推46.7 m至設計位置→拆除導梁→落梁→臨時支墩拆除。

在整個施工過程中，臨時拼裝支墩以及臨時頂推支墩是整個施工環節中的重要一環，是保證鋼箱梁拼裝及頂推施工順利實施不可或缺的一部分。崔家崖特大橋鋼箱梁工程一共布置8組支架，其中臨時拼裝支架1組，臨時頂推支架7組。全橋布置7組步履頂推器，其中2組步履頂推器布置在5#及8#墩柱上，2組步履頂推器布置在6#及7#鋼蓋梁上，最后3組布置在臨時頂推支架五、六、七之上。1組臨時拼裝支架位于10#墩處，臨時頂推支架七位于9#墩與10#墩之間，臨時頂推支架五、六位于8#墩與9#墩之間，臨時頂推支架一至四位于5#—8#墩之上，8組支架間距分別為11.7、14.3、12.3、6.04、33.2、33.2和33.2 m，具體布置情況如圖2所示，下面將就該項目的臨時支撐結構進行詳細的技術分析。

2.1" 臨時頂推支架

臨時頂推支架五、六、七尺寸為3 m×9.1 m，豎向支撐間距為2.5 m，如圖3所示。單組臨時支撐主肢為8根？準609 mm×16 mm的圓管，材質為Q235，綴條為？準159 mm×6 mm的圓管、材質為Q235；墊梁一采用雙拼H型鋼型號為600 mm×200 mm×20 mm×20 mm，材質為Q355；墊梁二采用三拼H型鋼型號為600 mm×300 mm×20 mm×20 mm，材質為Q355；墊梁三采用三拼56b工字鋼，材質為Q235，支撐短柱采用截面尺寸為600 mm×600 mm×20 mm×20 mm的方管，材質為Q355。

臨時頂推支架一—支架四設置在5#—8#墩之上，主要為雙拼H型鋼600 mm×200 mm×20 mm×20 mm組成的墊梁與截面尺寸為600 mm×600 mm×20 mm×20 mm的方管組成的短柱。

2.2" 臨時拼裝支架

臨時拼裝支架位于10#墩處，支架尺寸為3 m×9 m，豎向支撐間距為2.5 m，如圖4所示。單組臨時支撐主肢為4根■426 mm×8 mm的圓管，材質為Q235，綴條為■159 mm×6 mm的圓管，材質為Q235，分配梁采用雙拼56b工字鋼，材質為Q235。

3" 有限元仿真分析

采用Midas有限元仿真模擬軟件對臨時拼裝及頂推支架進行施工安全性分析，臨時支架所有桿件均采用梁單元來模擬，桿件之間采用共節點連接，桿件型號及其他屬性參數根據實際情況進行設定，支架底部采用6個方向上的固定約束，來模擬與基礎的連接。

3.1" 臨時頂推支架有限元仿真模擬分析

臨時頂推支架五—支架七高h=15 m，由分析可知，當導梁剛上8#墩時，臨時頂推支架七的支反力達到最大值，大小為1 754 kN，頂推水平力取豎向荷載的10%即175.4 kN，風荷載取值為4.336 kN。

對臨時頂推支架七進行有限元仿真模擬分析，仿真結果表明支撐柱最大應力比為0.52、墊梁二最大應力比為0.30、墊梁三最大應力比為0.63，桿件應力比均小于1，滿足相關施工安全性要求；通過對該支架進行屈曲分析，在現有的荷載作用下放大71.70倍后，該支撐架才會發生整體失穩，故支架的整體穩定性滿足要求；支架頂部最大位移為u=19.73 mm，u/h=19.73/15 000=1/760＜1/550，層間位移角滿足要求。結果如圖5所示。

對臨時頂推支架七以及臨時支架一—支架四的墊梁進行有限元仿真分析，由仿真結果可知，支架七墊梁一的最大組合應力σ=172 MPa≤[σ]=250 MPa，最大剪應力τ=81 MPa≤[τ]=140 MPa，最大豎向變形u=4.0 mm≤[u]=L/400=15 mm；對于臨時支架一—支架四的墊梁經過分析，發現支架三的墊梁受力最危險，墊梁最大組合應力為σ=200 MPa≤[σ]=250 MPa，最大剪應力為τ=110 MPa≤[τ]=140 MPa，最大豎向變形u=14 mm≤[u]=L/400=15 mm，支架三墊梁的受力云圖如圖6所示。

3.2" 臨時拼裝支架有限元仿真模擬分析

在鋼箱梁的7個節段中，節段四為最重節段，重量為150.78 t，橋面系重量為16.2 m×10 kN/m=162 kN，風荷載為1.07 kN/m×16.2 m=17.334 kN。綜上所述，鋼箱梁對臨時拼裝支架上每個調節墩的豎向反力為（150.78×10+162）/8=208.73 kN，風荷載為17.334/8=2.17 kN。

對臨時拼裝支架進行有限元仿真模擬分析，仿真結果表明支撐柱最大應力比為0.21、分配梁最大應力比為0.01、橫梁及斜支撐最大應力比為0.19，桿件應力比均小于1，滿足相關施工安全性要求；通過對該支架進行屈曲分析，在現有的荷載作用下放大51.48倍后，該支撐架才會發生整體失穩，故支架的整體穩定性滿足要求；支架頂部最大位移為u=2.39 mm，u/h=2.39/15 000=1/6 276＜1/550，層間位移角滿足要求。結果如圖7所示。

4" 結論

本文以崔家崖特大橋鋼箱梁工程為例，介紹了該項目相關施工工藝以及臨時拼裝支架和臨時頂推支架的有限元仿真分析，得到了以下結論。

1）對崔家崖特大橋鋼箱梁工程的施工工藝進行了闡述，并對臨時拼裝支架和臨時頂推支架的技術參數進行了詳細的介紹，結果表明該方案及支架的設計均能保證施工的順利實施。

2）對臨時頂推支架的頂推施工過程進行了有限元仿真模擬分析，分析結果表明，頂推臨時支架整體的剛度、強度、穩定性均能滿足相關施工安全性要求，還對臨時頂推支架的墊梁進行了局部分析，其最大組合應力、最大剪應力以及最大豎向變形均滿足相關規范的規定。

3）對臨時拼裝支架的拼裝施工過程進行了有限元仿真模擬分析，分析結果表明，拼裝臨時支架各桿件的應力比、支架整體穩定性以及層間位移角的分析均能滿足相關施工安全性要求。

參考文獻：

[1] 劉興，李興亮.上跨石津干渠鋼桁梁施工技術研究[J].科技創新與應用，2024，14（23）：101-104.

[2] 畢武.鋼箱梁步履式頂推法施工關鍵技術研究[J].交通科技與管理，2024，5（14）：53-55.

[3] 祁帥.鋼箱梁頂推施工臨時支架設計[J].交通世界，2024（14）：124-127.

[4] 劉瑞，姜榮劍，韓亨通.上跨高速公路鋼箱梁頂推施工支架設計與檢算[J].石家莊鐵路職業技術學院學報，2023，22（4）：10-14.

[5] 宋顯銳，魏瑩瑩，方磊磊，等.大跨鋼箱梁橋頂推臨時支架結構受力分析[J].結構工程師，2023，39（5）：17-24.

[6] 徐博聞，李新生，許琮望.曲線鋼箱梁頂推施工全程數值模擬分析[J].安徽建筑，2024，31（8）：140-142.