钢箱梁顶推施工中导梁结构受力分析

范鹏　李志成

摘  要：依托某带导梁钢箱梁顶推施工工程，通过Midas Civil软件建立钢箱梁全桥细化模型，研究了在顶推施工过程中导梁结构在不同计算工况下的受力变化。考虑不同工况下对应的边界条件和施工荷载施加等因素，分析计算了施工全工况下及结构应力应变。研究结果表明：在不同施工階段下，结构受力均满足规范要求，导梁在斜交钢箱梁顶推施工过程中存在扭转变形的现象，对其结构受力不利应重点关注。

关键词：钢箱梁  顶推施工  导梁  受力分析

中图分类号：U445.462          文献标识码：A

Force Analysis of Guide Beam Structure in the Incremental Launching Construction of Steel Box Girders

FAN Peng LI Zhicheng

（1. Yancheng Emergency Disposal Center for Highway Maintenance， Yancheng， Jiangsu Province， 224000 China；2. Hohai University， Nanjing， Jiangsu Province， 210098 China）

Abstract： Relying on the incremental launching construction project of a steel box girder with the guide beam， this paper establishes a refined model of the whole steel box girder bridge by Midas Civil software， and studies the force changes of the guide beam structure under different calculation conditions during incremental launching construction. Considering the factors such as the corresponding boundary conditions and construction load application under different working conditions， this paper analyzes and calculates the stress and strain of the whole construction condition and the structure. The results show that under different construction stages， the force of the structure meets the requirements of the code， and that the guide beam has torsional deformation during the incremental launching construction of the skew steel box girder， so the unfavorable force of the structure should be paid more attention to.

Key Words： Steel box girder; Incremental launching construction; Guide beam; Force analysis

近年来，我国交通建设发展迅速，其中公路基础设施建设也不断深入。随着近年桥梁结构设计及桥梁构件施工制造水平的不断提升，国内钢结构桥梁数量与日俱增。顶推施工法相对其他施工方法具有不影响桥下交通或通航的优势，得到了广泛应用^[1]。顶推施工工法包含了多个关键施工技术，如临时墩、滑移平台和导梁等结构，其中导梁的使用可以减少结构最大悬臂长度，改善主梁受力状态，提高施工安全性。导梁在顶推过程中周期性地动态地呈现悬臂、简支，直接影响着导梁受力状态，使得导梁的内力变化也呈现周期性变化。

谢福君等人^[2]通过有限元模拟对导梁的各个设计参数对顶推过程中主梁的应力和变形的影响进行对比分析，结果表明：导梁的长度及平均线重度对导梁根部的弯矩的影响较大，呈线形关系。翼伟等人^[3]基于位移法原理建立节点平衡方程，推导出符合实际工程算例的导梁参数优化计算公式，可适用于多种桥梁结构形式的导梁优化。研究表明：在实桥算例中，导梁的最优长度比、单位荷载集度比及抗弯刚度比分别为 0.78、0.14 及 0.39。翟相飞^[4]基于有限元模拟，分析了施工预拱度值和各节段之间的位移变形值，并针对大跨度钢箱梁现场焊接装配精度要求高的特点，提出了钢箱梁安装精度和质量控制的新方法。林华彬^[5]以某跨海大桥施工监控为例，建立全桥杆系有限元模型，分析了梯度温度对线形监测的影响，结果表明：桥梁的首个大节段对梯度温度最为敏感。时晓晔等人^[6]通过数值模拟的方法，对4种不同导梁结构加固方案进行了对比分析，研究发现：纵向加劲肋优于竖向加劲肋的效果，且结合数值模拟和现场施工条件，选用了两排纵向加劲肋进行加固，加固后的导梁在后续顶推施工过程中未发生失稳现象。

导梁结构在钢箱梁顶推施工中的受力状态呈周期性变化，考虑到导梁结构为工字型钢材，其局部应力直接影响结构的安全，故需对导梁结构应力进行进一步的研究。本文通过有限元模拟计算的方式，分析全施工工况下导梁的受力情况以及挠度变形，得到导梁在顶推施工中的应力变化规律，并为同类工程提供相应的设计和施工上的指导。

1  工程概况

本文依托工程连续钢箱梁一连三跨共154 m，桥梁上跨盐靖高速， 采用三跨连续钢箱梁，路线中心线处跨径布置为42 m+70 m+42 m。主桥上部结构采用全焊单箱三室截面钢箱梁，辅道上部结构采用全焊单箱单室截面钢箱梁，主桥宽度18 m，左辅道、右辅道宽均为9.775 m，梁高 3.0 m。辅道由于路线中心偏离结构中心较远，横隔板及腹板竖向加劲肋沿结构中心线布置。

2  有限元模型

现场施工为顶推与吊装相结合，其中129 m为顶推钢箱梁，剩余25 m为吊装钢箱梁。主梁结构为单箱三室钢箱梁，材料采用Q345qD，全宽20.8 m，两侧采用1.9 m长的悬臂板，底板宽度为23.7 m，各腹板均铅垂布置，各腹板纵向均采用肋板加劲，钢箱梁顶底板均在支座位置处进行加厚处理。导梁结构同样采用Q235钢，导梁腹板采用工字形截面，腹板间通过横撑横向连接，导梁总长20 m，导梁工字形截面腹板厚16 mm，上下缘厚16 mm，左右腹板间距4.75 m。本文计算采用 Midas Civil进行顶推模拟，取主桥进行分析。采用容许应力设计法进行计算，整体模型采用梁格法进行模拟计算。钢箱梁自重及导梁自重通过自重系数进行调整。钢梁单幅主梁重1 833 t（含混凝土栏杆），每延米重量约12 t/m。顶推导梁总重24 t，总长20 m，每延米重量约1.2 t/m。与设计参数基本一致，导梁结构细节及全桥模型如图1所示。模型采用“梁不动，支承体系（临时墩或主桥墩与钢箱梁之间的支承单元）随各个施工阶段变化而变化”的方法对顶推过程进行仿真模拟。

3  有限元计算

3.1  工况分析

本文依托工程结合项目设计图纸和安装现场工况，拟采用步履式顶推施工工艺进行钢箱梁安装施工，利用步履式顶推设备将钢箱梁由北侧拼装区域分别由15#墩向18#进行顶，顶推最大悬臂43 m。由于在实际现场顶推施工过程中，不同工况下的支承方式会发生变化，根据顶推施工图纸中的顶推工艺步骤图，采用Midas/Civil软件用梁单元进行计算，取其中多个工况来对此次顶推流程进行计算，如表1所示。

3.2有限元结果

据表2各工况下导梁结构计算结果可知，在钢箱梁頂推施工过程中，导梁最大折算应力值为90.0 MPa，发生在工况五，即导梁前端顶过7#临时支架18 m。导梁最大位移值为68.7 mm，发生在工况三中，即钢梁前端刚好到达7#临时支架，未落梁，此时钢箱梁处于最大悬臂状态，为43 m。导梁应力在钢箱梁施工全过程中出现了3次峰值，分别为工况二、工况六和工况八，根据该3个工况下的钢箱梁施工状态可知，工况二、八的峰值现象是因结构体系发生变化，导梁部分由悬臂状态变为简支状态，大大减小了导梁结构应力，进而产生突变现象。导梁位移在施工全过程中出现了两次波动，分别为工况二、工况六，与导梁应力变化趋势一致，但在波动程度上相互错开。

工况2下的导梁处于悬臂状态，根据图3可知，导梁左侧位移从导梁根部开始逐渐增大，最大值为68.7 mm，最大挠度出现在导梁最前端位置，右侧位移分布规律与左侧一致，最大值为58.4 mm，两者差值为10.3 mm，故导梁结构发生了扭转变形，导致两侧位移出现较大差距。从应力计算结果看，导梁左右两侧底板整体未出现明显的应力集中，且其两侧应力均匀变化，最大应力出现在导梁根部与钢箱梁连接位置处，最大应力43.6 MPa。工况六下导梁部分处于悬臂状态，由图4可知，导梁悬臂部分位移和应力分布规律与工况2一致，而非悬臂部分右侧底板在支承位置处出现明显的应力集中，且发生应力集中位置处的应力最大达90.0 MPa，两侧应力峰值相差18.3 MPa，支承一侧导梁的应力水平均较大，局部区域存在屈服的风险。

3.3  导梁整体稳定性计算

导梁取最不利工况（工况五，导梁前端悬挑12 m）计算结果进行分析。在工况五基本组合下，导梁最大弯矩为M_x=3150.4 kN·m，M_y=368.7 kN·m。根据《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）6.2.3条：对两个主平面受弯的H型钢截面或工字形截面构件的整体稳定性公式可得：

4  结论

本文依托某斜交钢箱梁顶推施工的实际工程参数，基于Midas Civil有限元模型，详细分析了在顶推施工过程中导梁结构的受力情况，并得到了以下结论。

（1）根据钢箱梁顶推施工全过程的数值模拟结果，导梁结构在各计算工况下的所有构件受力以及整体稳定性均满足设计要求。

（2）斜交顶推施工过程中，导梁挠度与应力的峰值并不同步，最大挠度发生于最大悬臂状态，而最大应力发生于导梁越过7号支架10 m处。现场施工应重点关注最大悬臂状态下的悬臂端导梁的挠度变形以及悬臂状态过后的导梁局部应力。

（3）导梁在斜交钢箱梁顶推施工过程中存在扭转变形的现象，对结构受力不利，其锐角侧支撑位置的应力较大，有局部应力集中导致局部屈曲的风险，应重点关注。

参考文献

[1]曹广飞，申岩，焦仲伟，等.钢箱梁步履式多点顶推技术实践[J].建筑结构，2022，52（S2）：2797-2801.

[2]谢福君，张家生.钢箱梁顶推参数影响及稳定性分析[J].铁道科学与工程学报，2019，16（6）：1484-1492.

[3]冀伟，邵天彦.多跨连续梁桥顶推施工双导梁的优化分析[J].浙江大学学报（工学版），2021，55（7）：1289-1298.

[4]翟相飞.大跨度钢箱梁跨河安装技术研究[J].市政技术，2022，40（5）：40-44.

[5]林华彬，徐岭华，吴义平，等.温度对大节段钢箱梁线形监测的影响及其应对措施[J].市政技术，2022，40（10）：101-106，119.

[6] 时晓晔，梁岩，万德坤，等.桥梁顶推施工导梁屈曲分析及加固措施研究[J].郑州大学学报（工学版），2021，42（5）：74-78.