变曲率竖曲线钢箱梁顶推受力特性及施工控制技术研究

摘要：首先本篇文章以自锚式悬索桥主桥的钢箱梁顶推施工，也就是梁体无应力线性为变曲率竖曲线为讨论背景，使用大型通用有限元件ANSYS，研究了顶推施工过程里面钢箱梁的受力特点；依托于板壳理论，分析了影响主梁受力特性的相关数据参数，专门对无法及时或者不方便开展整体分析获得部分局部具体分析的边界条件时，运用简化边界条件对受力形式简单的梁体开展局部分析。同时证明了钢箱梁顶推施工控制的重要技术。

关键词：变曲率竖曲线；钢梁箱；顶推；局部分析；边界条件；滑道；监控

顶推法施工的思想是来于钢桥的纵向拖拉施工法。顶推法巧妙地用水平千斤顶代替了卷扬机与滑车，使用板式滑动支座代替滚筒。这些创新的取代让施工方法获得了极大的进步与提升，所以进一步改善了因为卷扬机与滑车组在刚刚开启时产生的冲击与滚筒的线支撑作用导致的应力集中。并且安全、质量好、速度快、经济、不需要脚手架、无干扰以及占用场地少等优点。

虽然钢梁箱在结构、维护、外形美观度上占有绝对优势，但是在实际中实施钢梁箱的分析研究时，因为钢梁箱属于薄壁结构，在结构整体载荷、局部载荷作用下处在一种弯力、剪力、扭转力登复合受力的状态，所以它的局部稳定问题是计算分析里面一定要思考的问题。而在局部分析过程里面最重要的就是局部模型的大小与边界条件的解决。尽管现阶段分析方式不少，但是都没有体系化的开展比较，就算有对局部研究做了一定的介绍，也没有对于怎样确定局部模型的大小与边界条件解决的具体叙述，全部为凭经验确定，计算精度无法充分保证。针对局部分析，目前不管是国内还是国外基本上没有什么不同，相对较成熟的为子模型法与混合建模法。还有很多以这两种方法为基础进行的进一步简化方法[1]。

二、变曲率竖曲线钢箱梁的受力特点及分析方法

（一）钢箱梁、导梁整体受力特性

在实际工况里面随着顶推的进行，顶推梁段和悬臂长度在持续增加，受力体系也在不断变化，所以进一步导致内力、应力的变化，但就整体来观察，它的受力特性和连续梁与悬臂梁是一样的。在钢箱梁顶推计算过程里面，不计轴力、剪力以及剪力滞对整体应力的影响，近似把弯矩导致的正应力当做整体应力。

钢箱梁桥的翼缘与腹板厚度相比较高度都很小，是具有代表性的的闭口薄壁结构。因此一定要根据薄壁梁结构理论才能对它的应力与应变实际情况有一个清楚的了解。在弯矩的影响下，钢箱梁翼缘将会受到压力或者拉力，对于受到压力的翼缘一定要分析思考稳定的作用。由上下翼缘与腹板组成的最简单箱梁。因为钢箱梁的板厚相比较混凝土梁要小很多，翼缘板的宽厚比一般都会大于标椎的最大值。所以在箱梁不加设加劲肋时，在弯矩的影响下，受压的翼缘应力在极小与屈服应力的状态时造成局部失稳，致使截面彻底失去抵抗能力。发生弯折破坏。在扭矩影响下，随着扭矩的加大，扭转角迅速变大，当到达临界扭矩时，因为箱梁发生不正常的畸变，就会造成屈服现象，并且会在集中载荷影响点周围的腹板位置会出现压皱破坏的情况。

为了避免钢箱梁截面发生不正常的畸变与横向弯曲变形、延续箱型断面的形状，一定要设立充足的横隔板。并且为了避免钢箱梁翼缘板的局部失稳，受压翼缘一定要设立充足的加劲肋。受到拉力的翼缘在制造、运送、安装过程里面有可能产生局部压应力或面外弯曲，也要配置加劲肋，处在上翼板位置的加劲肋也是是桥面板的支撑，用于抵抗集中载荷影响下的局部弯曲变形。在弯矩、剪力与集中载荷的影响下，腹板的受力状况和工型钢板相差无几，要求增加一定的横向与纵向加劲板，用于抵消腹板的弯力剪力失稳与局部压皱。

三、变曲率竖曲线顶推施工控制技术分析

（一）自锚式悬索桥顶推施工监控特点

首先自锚式悬索桥顶推施工的特点是：钢箱梁无应力制造线形包括预拱度，这个预拱度就是变曲率竖曲线，所以钢箱梁多点柔性顶推施工过程里面，滑道顶面标高与转角要经常调控；每轮末端梁标高全部要采取实时修正的的方法，以确保后来拼接桥梁部分的无应力线形，保证顶推工作完成以后主梁线形和无应力线形比较不会产生大误差；对滑道顶面刚开始的线形的科学有效配置，会极大地使钢箱梁顶推施工变得更简单，并且能提升组织结构安全储备水平；钢箱梁多点柔性顶推里面，临时墩受力安全是控制要注重的一个重点[2]。

（二）自锚式悬索桥顶推施工监控内容

为了能确保科学有效的开展仿真分析，在上部结构安装开始之前，监控工作首先是要重视采集各种各样的资料初步建立计算及施工控制仿真分析系统数据库：构件基本特性信息参数，例如基础、临时墩、组拼平台、塔、钢加劲梁、导梁弹性模量、截面尺寸、重量等；施工组织设计。其包括了各个分项工程施工顺序及预估工期，这种信息是建立施工控制仿真计算模型的前提；

通过ANSYS软件能够快速构建桥塔与上部结构之后一系列施工过程的施工控制仿真分析系统的运行数据资料。通常在钢箱梁施工监控过程里面，一定要将施工刚开始时完成结构的施工误差，还有施工快结束时结构的重量面积等误差考虑进去，根据最后修正的数据开展监控。在有了监控数据参数库的基本资料后，必须持续采集施工过程中实际的数据资料并且修正，开展指导施工。

（三）钢箱梁顶推过程地施工监测

1、钢箱梁拼装焊接与顶推过程里面的线性控制

首先依据设计图纸，钢箱梁制造无盈利线形要重视预拱度。其中预拱度包含轴向压缩与纵向、横向的竖向预拱度，为变曲率竖曲线[3]。导梁完成前每个临时墩的标准高度要调整符合要求。钢箱梁拼装顶推时，无应力线形质量保证一般要在以下方面开展：第一，以标准高度要求调整为主，同时也要注意焊缝宽度控制；第二，在标准高度以及里程测量点的确定方面。以每个阶段桥梁的内部、中部、外部腹板与前后部横隔板交叉点的位置作为标准高度测量点，其中里程点处在梁段中轴线的位置，详细测量位置的放样根据钢箱梁的制造厂家与施工方确定；第三，测量工具一般为游标卡尺、水准仪、与全站仪；第四，测量工况为每一轮顶推前后到达指定位置后；第五，重点控制钢梁箱组装平台上的拼装精确度。

2、临时墩上部水平位移与支反力的监控

一般在钢梁箱顶推的过程里面施工单位应对一个或者多个临时墩上部的水平位移开展测量工作，监控方也会采集以及进行第二遍检测钢梁箱顶推过程里面每个临时墩的水平外移，假如产生位移超过标准的情况要帮助施工单位找清原因。在顶推过程里面，临时墩的受力安全是监控的重要内容，主要有四个内容[4]。

（1）保证正确计算临时墩的反力，利用反力确定顶推力。防止临时墩产生大的不平衡水平力。

（2）对比较典型的工况例如临时墩顶部滑道标准高度要测量二遍，目的是为了方便校正每个支撑点的反力值。

（3）在顶推施工过程里面，具有代表性工况的临时墩纵向水平位移也要测量二遍。

（4）在临时墩上装设应变感应元件，进行相关应变的测量，确保临时墩实际承担的支撑反力。

3、通过大型有限元件ANSYS，建立顶推仿真程序

(1)采用实体建模方法，考虑斜度‘预应力和导梁对顶推的影响，编制了基于ANSYS平台斜连续梁桥顶推施工二次开发程序，该程序将ANSYS空间结构分析软件与VC 6.U有机结合，实现了对顶推施工关键工况进行详细的应力分析的功能

(2)运用斜连续梁桥顶推仿真分析二次开发程序，对张家界渣水大桥(8 X SOm,斜交角70度)顶推施工关键工况一一最大负弯矩工况和最大正弯矩工况进行仿真分析，得到两个工况关键截面的详细的应力情况。

(3)张家界澄水大桥为斜连续梁桥，为研究斜连续顶推箱梁桥空间应力，本文先建立了参考文献中的试验模型，将分析结果与试验数据进行对比，验证采用实体有限元法分析空间应力的可行性，然后采用顶推仿真分析二次开发程序建立渣水大桥的平桥、横坡桥、斜桥及三向预应力模型.通过各个参数模型结果对比分析，研究了横坡、斜度、纵向预应力、横向预应力及竖向预应力对箱梁顶板轴向应力分布的影响。

结语：

   本篇文章以自锚式悬索桥主桥的钢箱梁顶推施工为讨论分析的背景，并通过大型有限元件ANSYS，建立顶推仿真程序协助分析研究了顶推的施工过程的普遍要求以及相关的措施，对顶推监控技术的主要内容方法、要点进行了研究。