考虑支架刚度的钢桁梁桥施工过程计算方法研究

卢伟柏

(邵阳市宝庆公路桥梁工程有限公司， 湖南 邵阳 422000)

考虑支架刚度的钢桁梁桥施工过程计算方法研究

卢伟柏

(邵阳市宝庆公路桥梁工程有限公司， 湖南 邵阳 422000)

顶推拖拉法在简支钢桁梁的施工中应用十分广泛，施工过程中的传力路径明确，支架系统直接承受着多个支承节点传递下来的荷载，然而支承体系随着施工步骤进行不断发生着变化，支架系统承受的荷载也相应发生变化，同时支承于支架系统上的桥梁因支架支承刚度的差异，反力分配也将发生变化。为确保顶推过程的安全性，不能简单将支架与桁梁单独进行分析。以某钢桁梁桥为例，分别建立了桁梁-支架分离模型和耦合模型，对大跨度简支钢桁梁桥的顶推过程进行了分析，2种模型下的计算结果存在较大差异，施工过程分析需要考虑支架刚度的影响，为此提出了一种考虑支架刚度的模拟方法。

钢桁梁桥； 顶推施工；支架 — 桁梁耦合； 施工分析

0 引言

钢桁架桥作为一种常见的桥型，具有跨越能力大，施工周期短的诸多特点，加之其多样化的造型现今依然被广泛采用[1,2]。钢桁架桥的施工方法多种多样，其中以顶推法最为常见[3,4]，作为一种技术性较强的施工方法，顶推法对施工过程的控制需要更加精准，传统的桥结构与支架分开设计的方法，忽略了支架刚度对受力状态的影响，已经不能满足精细化施工过程的要求[5-7]。借助空间通用有限元软件，建立桁梁-支架耦合模型进行施工全过程的受力分析已经完全能够实现，进而探寻一种能考虑支架刚度的模型进行支架体系以及施工方案的设计将变得更加安全而经济。

1 工程背景

本文依托项目为跨径104 m的简支钢桁梁，主桁采用带竖杆的三角形腹杆体系，节间长度8 m，主桁上弦采用折线形，主桁高10～15 m,两片主桁间距15.7 m。桥面系采用叠合梁，由下部钢梁(为纵横梁体系)和上部混凝土桥面板组成。

根据桥梁的地理位置和现场具体情况，钢桁梁的架设采用顶推拖拉法施工，即在一侧河岸安装临时滑道梁支架体系，并在其上拼装桁梁及桥面纵横梁，通过在河中浮船上设置临时支架墩，并在河岸轨道梁上匀速顶推主桁，直至另一河岸侧落梁成桥，并完成桥面板安装及附属工程施工，施工方法示意图见图1所示。

图1 施工方法及支架布置图

2 结构有限元分析模型

2.1 传统计算方法

对于桁梁桥顶推过程的施工计算[8,9]，传统方法是将桁梁与支架系统单独进行分析，首先通过对桁梁施工全过程的模拟，得到桁梁顶推过程中每一阶段的受力状态，进而评判施工方案的安全与可行性；在满足桁梁桥施工全过程安全性的前提下，提取出桁梁桥各施工阶段反力，将其作为支架系统的荷载进行后续支架结构的计算分析。

传统计算方法将桁梁和支架分离为两个独立的系统进行分析，支架系统承受着上部桁梁传来的荷载，通过反力将二者联系起来，具有受力明确，概念清晰的特点，但支架与上部桁梁之间除了力的传递之外，还需要满足变形协调条件[10]。由于支架变形是客观存在的，支架不同部位对桁梁支撑刚度存在差异，这种差异将导致计算存在误差，传统计算往往忽略了这一点。

2.2 桁梁 — 支架耦合计算方法

为了探究支架刚度对桁梁顶推计算的影响程度，进而保证施工的安全性，本文提出了一种桁梁-支架耦合模型，该方法即将支架与桁梁结构同时进行分析，自动考虑支架刚度对计算的影响，这种方法与实际情况更为接近。为了对比分析，本文同时建立了桁梁-支架分离模型，2种模型见图2。

图2 桁梁 — 支架分离模型及耦合模型

3 计算结果及分析

分别对桁梁 — 支架分离模型及耦合模型计算分析，得到2种模型下桁梁和支架的施工全过程受力状态，对比2种设计方法的计算结果，得到支架体系在施工过程中对受力状态的耦合影响程度，本文取支架全支撑和最大悬臂2个状态进行对比分析。

3.1 全支撑状态

在桁梁独立模型中，通过桁梁支撑条件的激活与钝化实现顶推过程的模拟，支架全支撑状态即将下弦杆全部节点进行约束，并进行一次落架分析；桁梁-支架耦合模型中，随着顶推桁梁不断滑移，其支撑位置随即发生改变，支撑点刚度也相应变化，故即使处于全支撑状态，桁梁在顶推滑移过程中受力也均不相同，本文仅列出某一位置作为对比进行论述，2种模型下的主桁轴力见图3、图4所示，节点反力见表1所示。

图3 桁梁独立模型主桁轴力(单位： kN)

图4 桁梁 — 支架耦合模型主桁轴力(单位： kN)

表1 全支撑状态节点反力表

从上述内力结果可以看到：桁梁独立模型中，由于不考虑支架刚度的影响，主桁弦杆相对变形较小，内力较小，主要以腹杆受力为主，弦杆最大轴力为65 kN，腹杆最大轴力为180 kN；桁梁 — 支架耦合模型中，不同支撑节点处支架刚度的差异导致弦杆相对变形增大，弦杆受力变大，最大轴力为149 kN，相对弦杆而言腹杆内力变化较为复杂，整体上腹杆内力减小，但端腹杆受力增加明显，最大为287 kN；由于受支撑刚度的不对称，桁梁 — 支架耦合模型左右两侧内力也出现了较大的差异。

施工过程中节点反力是设计支架体系的依据，其正确与否直接关系到支架的安全。通过2种模型节点反力的对比可以看到： ①是否考虑支架刚度节点反力分配出现明显的差异，14号节点位置反力相差达到47%； ②独立模型中节点反力最大值出现在5号和10号节点位置，最大值为689 kN，耦合模型中反力最大值出现在7号节点，最大值为620 kN，相比独立模型，其最大节点反力反而减小了10%； ③因支架刚度的不均匀性，在各节点位置均不相同，反力变化也十分复杂，应将施工步骤尽可能多的细化，进行全过程施工分析。

3.2 最大悬臂状态

顶推施工过程中，主梁最大悬臂状态受力最为不利，是进行施工全过程分析的控制性步骤，此时的内力状态及节点反力的准确计算十分重要，为了研究支架刚度对该状态下受力状态的影响，分别在桁梁独立模型与支架 — 桁梁耦合模型中进行最大悬臂工况的受力分析。2种模型下的主桁轴力见图5、图6所示，节点反力见表2所示。

图5 桁梁独立模型主桁轴力(单位： kN)

图6 桁梁 — 支架耦合模型主桁轴力(单位： kN)

表2 最大悬臂状态节点反力表

最大悬臂状态下，2种模型的主桁受力总体上相似，各杆件轴力相差较小，支架刚度对主桁的影响区域主要集中支架上的部位，悬臂段影响很小；反力最大值均出现在悬臂根部的支撑点，但反力数值相差仍达到了15%，后续支撑点反力差异也很明显，特别是6号节点，反力差值达1.74倍。

4 支架刚度的模拟方法

桁梁独立模型具有传力明确的特点，由上述分析可知，支架刚度也不可以忽略，然而支架刚度本质上体现在桁梁支撑刚度上，为此本文提出一种考虑支架刚度的桁梁独立模型——可变支撑刚度桁梁模型，其思路为：

1) 通过独立的支架模型，计算桁梁各支撑位置的刚度；

2) 通过不同的支撑刚度作为边界条件施加在桁梁独立模型的各支撑点；

3) 对桁梁独立模型进行分析，得出该状态下的受力情况及反力，作为支架设计的依据。

以上述全支撑状态为例，通过支架独立模型得到的各支点刚度如表3所示。

表3 桁梁各支撑点刚度

建立可变支撑刚度桁梁模型，通过带刚度的点弹簧模拟不同刚度的支撑边界，从而间接考虑支架刚度对桁梁顶推过程的影响，将不考虑支架刚度的独立模型、考虑支架刚度的耦合模型以及考虑支架刚度的变刚度模型所得的反力进行对比，如表4、图7所示。

表4 3种模型下节点反力 kN

图7 3种模型下的反力

从图7、表4可以看出：

1) 变刚度模型与支架耦合模型所得反力分配相差很小，其中2号节点相差最大13 kN，仅为4%，采用该种方法可以很好地反映支架刚度对施工过程的影响。

2) 变刚度模型与支架耦合模型出现差异的原因在于计算支撑刚度之时，忽略了交叉项的影响，而从计算结果可以看到该项影响甚微，为简化模型可以忽略。

3) 变刚度模型将支架与上部结构分离，可通过支撑位置及支撑刚度的变化方便实现顶推全过程的模拟。

5 结论

1) 支架刚度对桁梁顶推过程受力状态以及支点反力分配影响十分明显，进行桁梁施工过程分析不可忽略支架刚度的影响。

2) 桁梁顶推过程中，支撑位置不断发生变化，各点的支撑刚度也随着位置移动而发生改变，支撑刚度的大小与支架布置及所处位置相关。

3) 采用带刚度的弹簧单元可以很好地模拟支撑刚度，进而通过支撑位置及弹簧刚度的变化实现顶推全过程的模拟，避免了支架 — 耦合模型的复杂性。

[1] 范力础.桥梁工程[M]. 北京：人民交通出版社，2013.

[2] 吴冲.现代钢桥[M]. 北京：人民交通出版社，2013.

[3] 姚发海.大跨长联钢桁梁顶推关键技术[J].桥梁建设,2011(2):1-4.

[4] 王明慧，姚发海.新白沙沱长江特大桥跨既有线钢桁梁施工方案比选[J].桥梁建设,2014,44(6):7-11.

[5] 赵志平.桥梁顶推施工的精度探讨[J].桥梁建设,1994(2):70-73.

[6] 徐文平，张宇峰.钢桥拖拉法施工技术的研讨[J].公路,2007(5):48-52.

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[9] 李传习，刘杰,董创文，等.平胜大桥斜交顶推中临时墩的受力分析[J].桥梁建设,2006 (1):36-38.

[10] 朱慈勉,张伟平.结构力学 [M]. 北京：高等教育出版社，2009.

2017-04-10

卢伟柏(1982-)，男，工程师，主要从事路桥建设。

1008-844X(2017)02-0208-04

U 445.462

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