【www.zhangdahai.com--其他范文】
杨 坤
（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）
顶推法施工无论从施工条件、受力情况等方面均与其他施工方法有很大差异，其具有施工设备少、不影响桥位处交通运行等优点，当桥位施工场地受限时，顶推法施工是较理想的方法[1]。所以对其施工过程的研究也不同于其他施工方法。
钢箱梁在顶推施工过程中局部受力特性比较复杂，钢箱梁采用顶推法施工时不仅需要满足成桥阶段受力还需要满足施工阶段受力的要求[2]。本文以某钢混组合梁桥方案论证阶段中顶推施工方案研究为依托，探讨一些关键结构参数对施工过程中局部受力的影响。
本文以某6×128 m连续钢混组合箱梁桥为研究对象，钢梁部分采用等高度封闭式单箱室截面，核心箱底宽11 m，梁高6 m，按双向六车道设计，主梁断面如图1所示。
图1 主梁典型断面图（单位：cm）
钢箱梁核心箱采用Q345qD，其跨中标准横断面的顶板、腹板及底板均采用24 mm；
支点附近断面顶板厚48 mm、底板厚56 mm、腹板厚52 mm；
为了整体受力需要，核心箱顶板及底板均采用板式加劲肋，其钢板厚度在16～40 mm之间，腹板纵向加劲肋采用T型，其钢板厚度在20～40 mm之间；
核心箱横隔板除支座处采用实腹式横隔板外，其余部分均采用桁架式横隔板，其纵向间距沿桥梁方向4 m；
为满足顶推过程中腹板稳定性，在腹板上设置横向顶推加劲肋，其纵向间距采用1 m。
采用顶推施工的桥梁，随着桥梁位置时刻发生变化，每个断面都需经过一次顶推作用，其结构受力也在变化，因此梁体局部受力较复杂。本文首先通过整体分析模型中计算出主梁在顶推过程出现的最大支反力，然后将最大支反力作为外荷载作用钢箱局部分析模型上进行应力和稳定分析。利用应力和特征值屈曲结果，对局部受力提出了改善措施。
采用Midas FEA有限元软件建立钢箱梁局部模型，除斜撑按梁单元模拟外，其余均采用板壳单元来模拟，钢材弹性模量取2.06×105MPa，泊松比取0.3。根据圣维南原理，选取5个横梁间距节段建立钢箱梁节段模型，模型节段长度共20 m，计算分析模型见图2。钢箱梁在顶推过程中承受滑道梁向上的支反力，由于钢箱梁和滑道梁接触是面接触，通过将梁段所受的滑道梁集中支反力折算成竖向面荷载来模拟外荷载，其中滑道梁与钢箱梁底的接触尺寸：长1.8 m、宽0.9 m。钢箱梁分析模型网格尺寸按0.1 m划分，共划分了48 679个板壳单元；
模型边界约束条件近似按两端完全固结处理。
图2 局部有限元模型
3.1 局部静力分析
在最不利工况下，钢箱梁各构件及最不利构件应力云图如图3、图4所示。
图3 钢箱梁主要构件应力图（单位：MPa）
图4 底板横向加劲肋应力图（单位：MPa）
由上述应力计算结果可知，钢箱梁在顶推力作用下主要受力位置为：底板、腹板、底板纵向加劲肋、底板横向加劲肋，其中底板横向加劲肋最不利，出现最大应力251 MPa。表1列出了各主要受力位置的最大应力值，由结果可知，应力计算结果满足要求。
表 1 主要受力位置最大应力值 MPa
3.2 局部稳定分析
钢箱梁由高强度的薄壁钢板组成，在顶推过程中，钢箱梁底板受到较大的集中力，容易出现局部稳定，现通过数值分析来研究其稳定性问题。
经计算分析，在顶推过程中，当梁体两个横隔板之间部位顶推到滑道梁时，对于局部稳定来说是最不利的[3]。同时，由结果可知底板纵向加劲肋最容易发生屈曲，屈曲系数为2.28，局部稳定满足规范要求。底板纵向加劲肋屈曲变形如图5、图6所示。
图5 钢箱梁主要构件屈曲变形（单位:mm）
图6 底板纵向加劲肋屈曲变形（单位:mm）
4.1 底板板肋布置对局部应力的影响
由上述静力分析结果可知，在顶推过程中，钢箱梁底板局部应力较大；
在考虑构造设计时，为了改善局部稳定性能，可以考虑增加与滑道梁接触的底板纵向加劲肋刚度或减少纵向加劲肋间距[4]，因此研究底板加劲肋相关参数对局部应力的影响很有必要。现选取顶推过程中最不利截面（跨中标准截面）来研究，在其余参数都相等的条件下，仅考虑如下3种参数对结构局部受力的影响：a）满足整体受力的原截面；
b）加密底板加劲肋；
c）增加滑道梁接触的底板加劲肋刚度。采用分析的3种截面形式见图7所示。
图7 钢箱梁截面形式
本文中A、B、C、D、E分别代表箱梁底板、底板横向加劲肋、底板纵向加劲肋、箱梁腹板、腹板横向加劲肋5个位置上最大等效应力点[3]。在最不利工况下，不同钢箱梁截面形式的各位置点最大应力如图8所示。
图8 不同形式截面各点应力
由图8可知，采用增加滑道梁接触的底板加劲肋刚度措施仅对加固的这根加劲肋有显著效果，但其他位置上的应力并未明显降低；
通过改变底板加劲肋数目可以有效降低其他位置上的应力值。因此合理地布置底板加劲肋数目及位置对局部受力很重要，可以将增加底板纵向加劲肋数目作为主要考虑因素。
4.2 腹板厚度对局部应力的影响
钢腹板是箱梁的主要传力构件，受力较为复杂，同时承受着较大的剪应力和弯曲应力。腹板的厚度对全桥的用钢量又有较大的影响，因此探讨腹板厚度对应力的影响很有必要。模型分别考虑20 mm、30 mm、40 mm、50 mm四种不同腹板厚度，在最不利工况下，不同腹板厚度下各点最大应力见图9。
图9 不同腹板厚度截面各点应力
由上述结果可知，随着腹板厚度的增大，腹板及腹板横向加劲肋的最大等效应力值有所减小，但是底板和底板纵横向加劲肋等其他截面最大应力变化不大。考虑到顶推过程中最容易失稳的部位不在腹板，腹板厚度的增加对其他部分影响有限，因此增大腹板厚度对改善局部应力影响不大。
4.3 腹板角度对屈曲的影响
在截面选形时，为了增加抗扭性能以及减小底板宽度，从而减少结构自重，会选择斜腹板钢箱梁，因此探讨腹板角度对屈曲的影响很有必要。为了只研究腹板在顶推作用下受力情况，将上述局部分析模型中滑道对钢箱梁底板的作用力按线荷载考虑，线荷载直接作用腹板底部。考虑两种不同腹板角度在顶推过程中对屈曲的影响，不同截面形式见图10。
图10 不同腹板角度钢梁截面
通过计算结果发现，直腹板模型最先发生屈曲的位置是在靠近底板侧腹板处，其屈曲稳定系数为2.6。而斜腹板模型最先发生屈曲的位置在底板与顶推设施接触处，其屈曲稳定系数为1.8。两种模型的屈曲变形图如图11所示。
图11 不同腹板角度钢梁截面变形云图
由计算分析表明，不考虑其他参数的影响，在滑道梁处竖向力作用下，斜腹板截面相比直腹板截面抗屈曲能力较弱，这主要因为斜腹板除了承受竖向力外还需承受由倾角产生的弯矩。因此，直腹板截面第一阶弹性屈曲发生位置在腹板，但斜腹板截面第一阶弹性屈曲发生位置在与滑道梁接触的底板处。
a）在最不利工况下，钢箱梁局部应力与稳定结果均满足规范要求。
b）在顶推过程中，钢箱梁参与局部受力的主要构件为腹板及腹板横向加劲肋、底板及底板纵横向加劲肋。经过分析得知，底板及底板纵横向加劲肋等效应力最大，腹板次之，在截面构造设计时，可以将增加底板纵向加劲肋数目作为主要考虑因素。
c）钢箱梁的腹板作为关键受力构件。通过局部应力分析可知，改变腹板厚度对改善顶推局部应力影响较小；
同时斜腹板相比直腹板其抵抗局部屈曲能力较弱。因此钢箱梁腹板不作为顶推过程主要考虑因素，这为结构设计时截面选形提供参考。
