大跨钢箱梁桥顶推施工安全控制研究.pdf
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1、总653期2023年第23期(8月 中)收稿日期:2023-02-13作者简介:薛昊玥(1988),男,山西晋中人,工程师,研究方向为道路与桥梁。大跨钢箱梁桥顶推施工安全控制研究薛昊玥(山西交科公路工程咨询监理有限公司,山西 太原 030000)摘要:依托某大跨钢箱梁桥工程,首先阐述了该桥顶推施工方案;然后,采用Midas Civil有限元分析软件,建立了钢箱梁顶推施工仿真模型,以导梁前端挠度及主梁前端挠度为指标,计算分析了弯矩和应力变化对顶推施工安全的影响,分别对该桥主梁及导梁20 m、30 m位置的截面应力状态进行全周期监测,并对比分析了计算值和实测值。结果表明:顶推施工安全控制关键截面为
2、:主梁20 m、30 m及68 m位置截面;通过对主梁及导梁应力和变形进行监测,可以为桥梁顶推施工提供安全保障。关键词:大跨钢箱梁桥;顶推法;施工安全;控制措施中图分类号:U445.4文献标识码:B0 引言大跨钢箱梁桥通常采用顶推法施工,沿桥梁纵向设预制场地,将预制好的梁体连成整体,该施工方法简单方便、工期较短,在大跨桥梁实际施工中应用较为广泛。由于桥梁主梁及导梁的挠度、应力及弯矩变化会对施工安全带来影响,因此,为了保证施工质量、安全及进度,需要控制好桥梁施工安全的影响因素。本文结合具体工程实例,借助Midas Civil有限元软件,计算分析顶推施工过程中钢箱梁的结构力学特征,研究其对施工安全
3、的影响,对其变化情况进行监测,提出应力、变形控制措施,为大跨钢箱梁桥施工安全控制提供技术支撑。1 工程概况以某大跨钢箱梁桥工程为例。该钢箱梁桥共有三联,其中,第一联和第三联采用三跨设计,跨长分别为(38+61+38)m、(48+61+38)m,桥面宽为19.8 m;第二联采用四跨设计,跨长为(38+61+61+48)m,桥面宽为 21.3 m。该桥主梁截面为钢箱梁,其材料为Q345qENH,易受外部环境温度影响。该桥梁体施工采用多点同步法连续顶推,顶推法对施工设备间协同作业要求较高,各主墩位置布设临时垫块,两侧布设临时墩,临时墩顶部布置顶推设备,设备均布有竖向、横向千斤顶。由于该桥顶推施工吨位
4、较大,桥梁总顶推量约5 250 t,第三联顶推施工吨位最高,顶推量达2 262 t,且顶推施工距离较长,该桥梁总顶推距离约368 m;同时,该桥顶推施工跨径较大,梁体最大设计顶推跨径约61 m,实际施工时,最大悬臂长约55 m;导梁实际长度24 m,约为最大顶推跨径的0.4倍,钢箱梁施工时,梁体底板位置支反力较大,存在局部受压的问题,因此,需要采取顶推施工控制措施,以保障施工安全。2 有限元模型的构建建立Midas Civil有限元模型时,应掌握该大跨钢箱梁桥顶推施工流程及重难点,并合理划分施工阶段。计算工况采用桥梁实际运营中的代表性工况条件,同时结合施工现场设备的顶推能力。以0.5 m为标准
5、划分施工阶段,确保各代表顶推工况均纳入有限元模型计算中,并提供支反力、应力、变形等顶推施工安全控制参数。按照顶推施工中结构形式、力学特征、计算精度等要求,对钢箱梁、支撑体系及钢导梁等主体结构建立顶推施工Midas Civil有限元模型,其中钢箱梁通过杆系单元模拟,如图1所示。顶推施工模型中,钢箱梁钢材类型为Q345,其弹性模量、泊松比分别为206 GPa、0.3。横隔板自重按节点荷载施加。3 有限元计算仿真分析3.1 挠度在钢箱梁顶推施工中,以梁体位移包括导梁前端挠度及主梁前端挠度等作为顶推力学特性和施工安全控制的重要指标,并严格监测、把控梁体位移的变化图1 顶推施工模型160交通世界TRAN
6、SPOWORLD情况。根据有限元仿真分析结果,关键工况下的导梁、主梁前端挠度随顶推施工进度的变化情况如图2所示。由图2可知,当顶推施工进度达到55 m时,钢箱梁结构处于最大悬臂状态,且导梁、主梁前端挠度也达到最大值,分别为 120 mm、50 mm;当顶推施工进度超过55 m时,导梁前端挠度陡降,且后续各工况条件下的挠度较稳定;当主梁挠度下降至18 mm时,对应主梁前端挠度逐渐减小。其主要原因在于导梁刚度显著低于主梁刚度,主梁发生较大变形时难以支撑,因此其挠度降速减缓。当钢箱梁结构体系处于最大悬臂状态时,结构整体变形也随之达到最大。顶推施工过程,若导梁前端挠度过大,影响导梁上墩,施工难度加大,
7、同时给施工带来不确定性,施工风险增加。悬臂自由端发生过大变形,会引起悬臂末端出现较大转角变形,导致梁体、滑梁间接触不均匀,导致钢箱梁结构局部产生安全隐患。由于钢材性能受温度影响较显著,施工时应监测其对结构变形的影响,并严格控制结构变形,对自重荷载下的结构挠度和温度变形进行重点监测,确保钢箱梁结构始终处于安全可靠状态。3.2 结构弯矩大跨钢箱梁顶推施工时,主梁各截面内力状态将持续变化。若单独对某工况条件下的内力进行分析,则难以准确反映钢箱梁结构的实际受力状况,因此,本研究对主梁施工全过程的结构弯矩进行模拟分析,计算得到结构弯矩包络图,如图3所示。由图3可知,主梁40 m处截面前,结构弯矩变化较快
8、;主梁20 m处截面,正弯矩第一次达到极值,约为19 175.8 kNm。经 Midas Civil 有限元计算分析可知,20 m处截面的最大正弯矩出现于导梁顶推至最大顶推跨径支点时。在30 m位置截面,主梁负弯矩达到顶推施工全过程的最大值,约为-71 022.4 kNm,此时钢箱梁结构为最大悬臂状态;当施工经过主梁30 m处断面之后,负弯矩快速降低,并在40 m位置截面后基本维持在-23000,-30000 kNm 范围波动。当主梁结构正弯矩首次达到极值后,于68 m位置截面处第二次达到极值,约为21 035.6 kNm,即顶推施工全过程正弯矩最大处,之后,正弯矩变化相对稳定,基本维持在5
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