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大跨度钢箱梁顶推施工计算分析

1  工程概况 
武汉市江汉六桥位于江汉二桥(知音桥)与江汉五桥(长丰桥)之间,主桥为双塔自锚式悬索桥,桥跨布置为110m+252m+110m=472m。主梁采用边主梁形式的钢混结合梁,边主梁中心距为30m。中间设临时墩以减小顶推跨径,最大跨径90m,主梁采用单向多点顶推法,顶推采用步履式顶推设备将钢箱梁顶推到设计位置。顶推方向由汉口侧向汉阳侧进行,顶推支墩立面布置图见图1。 
江汉六桥主跨252m,一跨过江,顶推施工前,已在主墩之间建3组临时墩。为满足通航要求,临时墩最大间距达90m。采用国际先进的“多点同步步履式顶推施工技术”,启用12台顶推设备,在顶推集成控制室的统一操作下,适时调整,确保顶推精度。 
2  计算模型的建立 
采用midas/civil建立全桥施工模型,导梁以及主梁均采用梁单元模拟,临时墩与主梁支承处采用一般约束模拟,顶推施工工况分别考虑导梁支承至支点前后状态,具体工况划分见表1。 
3  顶推过程中受力性能 
3.1 临时墩支承反力  未考虑支座沉降影响,对结构进行计算,顶推过程中各工况支点反力结果见图2。 
由图2可知:钢箱梁顶推过程中1#临时墩最大反力值780t,此时导梁顶推至2#临时墩,顶部未与墩顶连接;2#临时墩最大反力值710t,此时导梁顶推至4#主墩位置且与主墩墩顶连接;3#临时墩最大支点反力反力值为480t,此时导梁顶推至4#临时墩且前端与临时墩支承;4#临时墩最大反力值510t,此时导梁顶推至汉阳侧拼装支架且与支架顶连接。 
3.2 钢箱梁受力及变形  钢箱梁最大变形时前端导梁处于大悬臂状态,此时导梁及主梁内力以及变形较大,工况13下,导梁拆除后,主梁悬臂至汉阳侧拼装支架,此时边主梁有最大组合应力,其应力结果见图3。 
由图3可知:最大组合应力为131MPa,小于容许应力[?滓w]=240MPa;边主梁剪应力为21MPa,小于剪切容许应力[?子]=145MPa,其中最大组合应力处的剪应力为16MPa。 
各工况导梁(钢箱梁)前端变形及最大内力结果如表2。 
3.3 导梁受力  导梁的作用是减小主梁悬臂长度,增大顶推跨径,防止顶推过程中主梁因悬臂过大而发生倾覆。导梁的合理长度应使施工过程中主梁最大负弯矩与使用状态支点负弯矩接近,过长的导梁会导致导梁和主梁联结处的负弯矩与支反力增加,导梁过短会导致顶推过程中主梁负弯矩增加,一般导梁长度宜为顶推跨径0.6~0.7倍,江汉六桥最大顶推跨径90m,导梁长度55.9m,为跨径长度0.62倍,长度较长,应控制结构自重以减轻导梁受力。 
顶推施工过程中导梁应力结果见图4。 
由图4可知:导梁最大拉应力为233MPa,小于容许应力[?滓w]=240MPa,此时边主梁剪应力为64MPa,小于剪切容许应力[τ]=145MPa,其中最大组合应力处的剪应力为45MPa。 
4  结论和建议 
①根据有限元软件计算结果可知:江汉六桥钢箱梁顶推施工最大支点反力780t,相应主梁最大挠度585mm,均发生在顶推至最大跨径工况,钢箱梁最大组合应力131MPa,最大剪应力16MPa,结果表明主梁受力满足结构要求。②1#、4#临时墩最大反力均发生在顶推至下一跨工况且导梁前端未支承时,此时导梁均达到最大悬臂状态,临时墩主要承受导梁自重引起的弯矩;2#、3#临时墩最大反力工况均发生在顶推两跨之后且导梁前端支承在支点上,此时临时墩支点处于连续梁支座受力状态,临时墩主要承受导梁与主梁自重分配在各自支点处的竖向荷载。③由于现场地质情况淤泥质黏土层较厚,临时墩存在沉降,作为对比,在支座位置考虑基础沉降2cm,进行计算,各临时墩支点处最大反力结果汇总如表3(其中括号内数据表示考虑支座沉降后各临时墩支点反力)。结果表明,考虑支座沉降仅对2#、3#临时墩支点反力产生影响,说明1#、4#临时墩处于静定结构状态,支座位移不产生反力影响,而2#、3#临时墩前端支点支承在临时墩上形成连续梁结构,故支座沉降将影响结构反力分布。④导梁长度达到56m,经过计算导梁最大233MPa,略小于容许应力240MPa,导梁结构受力满足要求,但应力仍较大,有待优化。 

通过计算可知,对于大跨度钢箱梁顶推施工,顶推跨度的增加,将大大影响主梁受力尤其是导梁根部受力,施工时应注意导梁根部以及主梁与导梁连接处局部补强以及导梁长度优化,以保证顶推过程中结构受力以及变形满足施工要求。


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