钢箱梁步履式顶推施工阶段有限元分析及局部加强设计.pdf
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1、技术应用TECHNOLOGYANDMARKETVol.30,No.8,2023钢箱梁步履式顶推施工阶段有限元分析及局部加强设计马威上海市政工程设计研究总院集团新疆有限公司,新疆乌鲁木齐8 30 0 0 0摘要步履式顶推是钢箱梁安装困难时采用的施工方式之一,为保证施工安全和施工时主梁的受力情况在允许范围内,利用midasCivil计算程序对曲线钢箱梁步履式顶推施工方案进行建模分析,分析各施工工况上部结构变形及应力。按最不利工况中最大反力值建立钢箱梁节段midasFEA有限元模型进行局部细化分析,结果显示:钢箱梁局部应力不满足设计值。根据计算结果提出2 种局部加强方案并建模计算加以验证,得到较优方
2、案后细化分析。关键词步履式顶推;有限元分析;钢箱梁局部计算doi:10.3969/j.issn.1006-8554.2023.08.0110引言顶推施工时不影响桥下交通,不需要大型起重设备,也没有高空作业,特别适合于城市桥梁特大跨度桥梁、长线引桥或立体交叉的施工。由于梁段在固定场地上周期性施工,因此施工质量和施工进度都容易保证。但是,顶推施工法也存在一些缺点,对桥梁结构的几何外形限制较多,变截面梁段、曲线型梁轴和变坡度桥梁均无法采用顶推施工;且由于顶推过程中桥跨结构的受力不断变化,临时墩和步履式千斤顶处的反力也在随时变化,钢箱梁在整体设计时仅在支座处设置加劲,并未考虑步履式顶推时局部反力的影响
3、,因此需要对其分析并加固。基于此,本文以乌鲁木齐市克南高架一东二环(I标段)全互通式立交中4联钢箱梁为例,该钢箱梁采用步履式顶推施工,通过对其施工阶段有限元分析并采取局部加强措施,可确保施工安全以及主梁局部应力在允许范围内。1工程概况乌鲁木齐市克南高架一东二环(I标段)为全互通式立交,通过立交节点建设,实现该项目与东二环之间快速集散功能,立交区共设8 条转向匝道,其中4条匝道处于克南高架与东二环空间交汇处,因位于第5 层东二环路高架桥和第2 层的克南高架一期工程已施工完毕,处于第3、4层的四联钢箱梁吊装条件有限,故PES12PES15、PW N16 PW N18、PSW 14PSW17、PNE
4、11 PNE13匝道钢箱梁采用步履式顶推法施工。首先在现有的场地上布置搭设拼装和顶推临时墩支架,钢箱梁运输到施工场地后,进行检查验44收,再由汽车吊将运输至现场的钢箱梁按拼装布设顺序将钢箱梁在拼装支架上拼装完成,并与导梁连接,接着用步履式千斤顶将已经拼装验收合格的钢箱梁和导梁一起同步向前顶推一个节段。后面重复上述步骤进行拼装后一节段钢箱梁及顶推整体拼装好的钢箱梁,直至顶推到设计位置后落梁,完成整体钢箱梁拼装顶推作业 1因PES12PES15钢箱梁跨径最大,顶推难度最高,故本文仅列出此联钢箱梁计算过程及结果。PES12PES15钢箱梁顶板板厚16 mm和2 5 mm,底板板厚2 0 mm和2 5
5、 mm,腹板厚14mm和2 0 mm。顶板采用U型加劲,底板和腹板采用一字肋加劲。钢箱梁纵向每隔3m设1道横隔板,2 道横隔板之间设置横肋加劲。2结构整体计算利用midasCivil2019顶推建模助手对此工程进行全过程顶推模拟,模拟顶推1m为1个施工阶段。全桥模型18 1个单元、18 2 个节点、临时支承(单支点)7 6 0 个、施工阶段144个。PES12PES15钢箱梁6 8 8 t,对应导梁约45 t。恒载扭矩为1.2 7 5 kN/m。模拟计算得出,顶推时导梁距临时墩L4达到最大悬挑时,L4处的临时墩反力最大。钢箱梁顶推全过程主应力均满足设计强度值 2 。钢箱梁顶推最不利工况最大悬挑
6、为5 0 m。采用midasCivil2019进一步细化模拟最不利工况。计算结果显示,临时墩L4处内侧反力最大为1598.3kN,导梁顶端竖向挠度最大为35 9.43mm,技术与市场2023年第30 卷第8 期导梁与钢箱梁连接处应力最大为8 2.3MPa。该工况结构强度和刚度均满足要求。根据顶推步骤可知,导梁悬挑最长时为最不利工况,计算该工况下的抗倾覆性能。倾覆力矩:M。=45 0 31.2 7+5 6 2 6.6 5=17 808.8 kN/m抗倾覆力矩:M,=315 2 37.0 9=116 9 0 7.7 k N/mM116 907.7 0.85抗倾覆系数M17 803.2 1.22.5
7、,满足抗倾覆要求3钢箱梁临时墩支撑位置局部变形及应力验算3.1计算模型钢箱梁局部模型采用桥梁专业有限元软件midasFEANX进行计算 3,实体模型如图1所示,建立7 m长钢箱梁段,端部采用固结边界模拟,模型包括单元28599个,节点2 7 49 5 个。图1边界模拟和荷载示意图3.2计算荷载根据总体计算模型中在顶推施工过程中最大反力为15 9 8 kN,临时墩垫梁尺寸为6 5 0 mm460mm,而实际作用面积只有一半,为6 5 0 2 30=149 5 0 0 mm。局部计算模型将整体模型中最不利反力转化为面荷载形式施加,面压力大小为10.6 9 MPa。3.3计算应力按照最不利反力对局部
8、模型进行加载,Mises应力图如图2 所示。暂且忽略腹板加劲处的应力集中,最大应力出现在如图2 所示的底板处,最大应力为9 9 3.9 MPa,超过了材料设计强度值,故需要局部加强。技术应用SHELLSTRESSS-YONKISES,R/mn2+9.93890e+0020.0+8.11068040020.0+8.28248+0020.0847.4542704002+6.62605e-0025.79784+0024969630+0021414200243313210+002485004002+1656784+08228572040013.60538r-002=4.65 图2荷载作用下的整体Mis
9、es应力图(单位:MPa)4钢箱梁临时支撑位置局部加强设计2019年6 月2 5 日,中交三航局克南高架东延二期项目部召集多方单位就顶推过程中钢箱梁底板局部应力过大问题召开会议,会议中初步确定钢垫梁尺寸由6 5 0 mm460mm改为6 0 0 mm600mm,垫梁与钢箱梁接触尺寸为6 0 0 mm500mm,加劲方案待定。采用已经完工的埕湾跨海大桥南引桥钢槽梁顶推工程作为参考对象,对以上问题提出2 种临时支撑位置局部加强方案。4.1局部加强方案一钢箱梁腹板在横隔板之间增设加劲肋,加劲肋板厚16 mm、间距37 5 mm。4.2局部加强方案二调整钢垫梁支撑位置,支撑尺寸为6 0 0 mm300
10、mm,钢箱梁腹板在横隔板之间增设加劲肋,加劲肋板厚16 mm、间距37 5 mm。5加强方案变形及应力验算5.1计算模型钢箱梁局部模型采用桥梁专业有限元软件midasFEANX进行计算,实体模型如图34所示,建立7m长的钢箱梁节段,端部采用固结边界模拟,模型包括单元332 7 8 个,节点30 0 8 9 个。5.2计算荷载局部加强方案一:计算面压力为15 9 8 10 0 0/(600500)=5.33 MPa。局部加强方案二:计算面压力为15 9 8 10 0 0/(600 300)=8.88 MPa。5.3计算应力按照最不利反力对局部模型进行加载,暂且忽略应力集中现象,如图4所示,方案一
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