临时扣塔辅助顶推的钢箱梁结构参数分析.pdf

第 19 卷 第 3 期2024 年 3 月Vol.19 No.3Mar.2024中 国 科 技 论 文CHINA SCIENCEPAPER临时扣塔辅助顶推的钢箱梁结构参数分析康鑫1，张明高2，唐晓成3，周水兴1（1.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074；2.重庆巨能建设（集团）有限公司，重庆 401120；3.重庆巨能建设集团路桥工程有限公司，重庆 401329）摘 要：为研究临时扣塔辅助顶推施工中大跨钢箱梁、导梁和临时扣塔的受力行为，依托主跨为90 m的汾水河大桥，建立了有限元分析模型，开展了最大悬臂状态下结构自重、扣塔高度与刚度、扣索位置、索力及刚度等参数的敏感性分析。结果表明：扣索位置为导梁前端下挠的敏感性参数，当外侧和内侧扣索水平投影长度均增大20%时，导梁前端下挠分别减小73%和38%，外侧扣索宜设置在其水平投影长度为60%80%最大悬臂长度的区域；扣索索力为扣塔偏位的敏感性参数，当外侧和内侧扣索索力分别增大33%和50%时，扣塔偏位分别减小169%和136%；导梁自重为钢箱梁应力的敏感性参数，导梁自重增加20%，钢箱梁拉应力和压应力分别增大43%和37%。研究成果可为同类型桥梁施工提供借鉴。关键词：钢箱梁；顶推施工；临时扣塔；临时扣索；应力；变形；参数分析中图分类号：U445.462 文献标志码：A文章编号：2095-2783（2024）03-0323-07开放科学（资源服务）标识码（OSID）：Parameter analysis of steel box girder incremental launching construction with auxiliary towerKANG Xin1，ZHANG Minggao2，TANG Xiaocheng3，ZHOU Shuixing1（1.School of Civil Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China；2.Chongqing Juneng Construction（Group）Co.，Ltd.，Chongqing 401120，China；3.Chongqing Juneng Construction Group Road and Bridge Engineering Co.，Ltd.，Chongqing 401329，China）Abstract：To study the stress behavior of large-span steel box girder，guide beam，and temporary tower in temporary tower assisted incremental launching construction，a finite element analysis model was established based on the Fenshui River Bridge with a 90 meters main span.Sensitivity analysis was conducted on parameters such as structural self weight，temporary tower height and stiffness，temporary cables position，cables force，and stiffness under maximum cantilever state.The results indicate that cable position is a sensitive parameter for the downward deflection of the front end of the guide beam.When the horizontal projection lengths of the outer and inner cables increase by 20%，the downward deflection of the front end of the guide beam decreases by 73%and 38%，respectively.Outer cables should be set in an area with a horizontal projection length of 60%-80%of the maximum cantilever length.Additionally，the cables force is a sensitive to temporary tower deviation.It is found that when the outer and inner cables forces increase by 33%and 50%，the temporary tower deviation decreases by 169%and 136%，respectively.The self weight of the guide beam is a sensitive to the stress of the steel box girder.When the self weight of the guide beam increases by 20%，the tensile and compressive stresses of the steel box girder increases by 43%and 37%，respectively.The results of this article can provide reference for the construction of similar bridges.Keywords：steel box girder；incremental launching construction；temporary tower；temporary cable；stress；deformation；parameter analysis顶推法源于拖拉法，经过几十年的不断发展，已从早期的梁桥施工推广应用于斜拉桥、拱桥施工，成为一种常用的桥梁施工方法1-4。考虑到地形地貌、交通及成本控制等因素，大跨径带临时扣塔的步履式顶推施工也将得到更多的研究和应用5-6。研究人员针对顶推施工的相关参数影响开展了较多研究。田仲初等7利用有限元法探究了某桥导梁刚度、长度及重量等参数对主梁内力的影响，得到了顶推施工中导梁的合理配置。石玉等8通过有限元法研究了临时支架倾斜布设与垂直布设对钢箱梁顶推施工过程应力分布与挠度变化的影响，得出临时支架倾斜布置会导致导梁前端挠度大幅增加，而收稿日期：2023-07-18基金项目：交通运输部交通运输行业重点科技项目(2022-MS1-034)第一作者：康鑫（1998），男，硕士研究生，主要研究方向为桥梁工程通信作者：周水兴，教授，主要研究方向为大跨度桥梁设计理论与工程控制，第 19 卷 中 国 科 技 论 文导梁与主梁自重对顶推施工影响变化较为缓和。谢福君等9利用有限元方法分析了某自锚式悬索桥钢箱梁顶推施工过程，得出导梁的长度及平均线重度对顶推施工过程的受力及变形影响较大。杨浩10利用解析法和有限元法，总结了适用于矮塔斜拉桥整体顶推施工的导梁参数，得到了斜拉桥顶推施工导梁长度、重量及刚度的合理取值范围。任亮等11基于有限元软件分析了导梁刚度、自重及临时墩布设位置等参数对顶推施工主梁受力性能的影响，得出导梁自重相对于导梁刚度对主梁受力更敏感。朱利明等12对某简支宽幅钢箱梁桥顶推施工横向偏位和竖向顶升不同步2个参数进行了双参数控制研究，提出了双参数动态控制方法。施洲等13利用有限元程序对某拱塔斜拉桥顶推施工临时扣索方案的索力进行了试算分析，得到合理索力取值区间以及顶推过程中的应力和位移结果。吕存杰14针对某三塔斜拉桥的索塔刚度及斜拉索刚度对斜拉桥竖向刚度的影响进行了参数分析，结果表明，增大桥塔高度和截面尺寸、设置辅助墩、增大斜拉索面积可以有效提高斜拉桥整体刚度。综上所述，在桥梁结构参数分析方面已取得丰富的成果，但缺少大跨径无辅助支墩带临时扣塔顶推施工的参数分析。本文依托汾水河大桥，利用有限元软件Midas Civil建立结构空间分析模型，分析钢箱梁及导梁自重，临时扣塔高度、刚度，以及临时扣索位置、索力和扣索刚度对最大悬臂状态的结构内力和变形的影响规律，得到该类型结构受力的敏感性参数，为今后该类型桥梁施工提供参考。1工程概况汾水河大桥主桥是一座（60+90+60）m分离式窄幅钢箱组合梁桥，其截面如图 1所示。主跨跨越“U”形深切河谷，因桥区深切河谷无法布设临时支墩，因此，大桥采用“辅助扣塔无支墩整体多点同步步履式顶推法”施工。通过临时扣塔上的扣索对钢箱梁提供辅助支撑，减小主梁的挠度，以保证顶推施工顺利进行，顶推施工跨径布置如图2所示。1.1临时扣塔及扣索设计汾水河大桥临时扣塔高度为 30 m，共设置 4对临时扣索，扣索由15.2 mm的钢绞线组成，单根扣索包含 7 根钢绞线，如图 3 所示，临时扣塔总重为45.5 t。1.2导梁设计导梁由2片平行布置的工型梁组成，中心间距为6.7 m，根部梁高3.016 m，沿导梁长度方向布置4个钢管桁架连接系，如图4所示。导梁长50.005 m，为最大顶推跨度的55%，总重为115.6 t。1.3顶推施工工况根据汾水河大桥施工方案，其顶推施工可分为8个工况。工况1：利用步履式千斤顶设备将导梁及主梁顶推36.70 m；工况2：安装扣塔及扣索后，对扣索进行初张拉，内外侧扣索的初拉力为20 t，再将导梁、主梁及扣塔整体顶推18.35 m；工况3：整体顶推34.95 m，此时最大悬臂长度为90 m；工况4：整体顶推2.50 m；工况5：拆除扣塔及扣索后，导梁及主梁整体顶推34.20 m；工况6：整体顶推45.00 m；工况7：整体顶推28.23 m；工况8：顶推到位后拆除导梁。图1分离式窄幅钢箱组合梁桥截面示意图Fig.1Sectional diagram of separated narrow steel box composite beam bridge图2顶推施工跨径布置Fig.2Layout plan of launching construction span324康鑫，等：临时扣塔辅助顶推的钢箱梁结构参数分析第 3 期2有限元模型采用有限元软件Midas Civil 2021建立钢箱梁顶推施工过程模型，各建模参数见表1。临时扣索采用桁架单元模拟，钢箱梁、临时扣塔等采用空间梁单元模拟，全计算模型共610个节点，533个单元，全桥除扣索采用桁架单元外，其余结构均采用梁单元，桁架单元与梁单元的连接采用刚性连接，单元长度按节点间实际杆件长度取值。模型的边界条件为结构顶推千斤顶位置处仅受压弹性连接和墩底固结，荷载仅考虑结构自重及扣索索力，其中扣索索力只在安装扣索（工况2）后以及拆除扣索（工况5）前考虑，并且在模型中以体外力的形式施加，有限元模型如图5所示。3顶推施工计算通过对连续钢箱梁顶推施工过程进行仿真模拟，得到各施工工况钢箱梁、导梁、临时扣塔及扣索等构件的受力状况，其计算结果如图6所示，其中，导梁及钢箱梁位移以向下为正，扣塔偏位为纵桥向的偏位，且以顶推方向为正。表 1顶推模型建模参数Table 1Pushing model modeling parameters结构部位钢箱梁导梁临时斜拉辅助系统主梁横梁扣塔扣索材料Q355C及Q420qDQ355CQ355BQ235BStrand1860容重/（kN m3）93.793.7106.984.678.5图5钢箱梁顶推施工有限元模型Fig.5Finite element model of steel box beam launching construction图6顶推施工全过程计算结果Fig.6Calculation results of the entire launching construction图3扣塔设计及扣索布置Fig.3Tower design and cable layout图4导梁构造Fig.4Structural drawing of guide beam325第 19 卷 中 国 科 技 论 文根据计算分析结果可以看出：钢箱梁的应力和位移均在工况5（拆除扣塔及扣索后）达到最大值，反映出临时扣塔及扣索能较大程度地改善钢箱梁的受力；在拆除扣索及扣塔前，钢箱梁和扣塔的应力及位移均在工况3（最大悬臂状态）达到最大值，导梁前端下挠也在该工况下达到最大值，并且整体稳定性也在工况3（最大悬臂状态）时最低，其一阶模态临界荷载系数为4.1，满足规范要求。因此，最大悬臂状态时的工况是顶推施工全过程中最不利的工况，需要引起重要关注。4顶推施工参数分析对于顶推施工的大跨径钢箱梁，最不利的受力状态为最大悬臂状态，故本文主要分析该状态下的结构受力和变形。依托汾水河大桥，采用单一变量原则，对钢箱梁及导梁自重、扣塔高度（H）、扣塔刚度（EI）、扣索索力（T1、T2）、扣索刚度、扣索位置7个参数进行分析，其计算简图如图7所示。以顶推施工中最大悬臂状态的钢箱梁应力、导梁前端下挠及临时扣塔水平位移为控制目标，研究参数变化对结构应力和变形的影响，通过数值模拟计算确定敏感性参数和非敏感性参数。4.1钢箱梁及导梁自重影响分析自重集度系数分别取值为0.90、0.95、1.00（原设计）、1.05、1.10、1.15、1.20。4.1.1导梁自重导梁自重对主梁应力、导梁前端下挠和扣塔偏位的影响见表2。其中，钢箱梁应力、导梁前端下挠及扣塔塔顶水平位移均取最大值，钢箱梁最大应力的位置为临时扣塔与钢箱梁固接处，扣塔塔顶水平位移方向为纵桥向，且以顶推方向为正，下同。由表2可知，导梁自重对顶推施工最大悬臂状态时的结构应力和变形影响较大，为敏感性参数，产生这种现象的原因主要是导梁位于悬臂段的最前端，且导梁刚度较小，故导梁自重对钢箱梁应力、导梁前端下挠及扣塔塔顶水平位移较为敏感。因此，顶推施工中需要重点关注导梁自重参数，导梁配置时可选用质地较轻的材料，当顶推较轻的主梁时，可选用桁架式导梁以减轻导梁重量，严格控制影响导梁自重的因素，并根据实际的导梁重量及时修正有限元模型。4.1.2钢箱梁自重钢箱梁自重对主梁应力、导梁前端下挠和扣塔偏位的影响见表3。可知，钢箱梁自重对顶推施工最大悬臂状态时的结构应力和变形影响较大，为敏感性参数，产生这种现象的原因主要是钢箱梁截面为等截面，刚度也近似相等，且在其余条件均不变化的情况下，钢箱梁应力、导梁前端下挠及扣塔偏位均与钢箱梁自重呈线性关系，由于钢箱梁在最大悬臂状态时的前悬臂长度较大，故钢箱梁自重对钢箱梁应力、导梁前端下挠及扣塔塔顶水平位移均较为敏感。因此，不可忽视钢箱梁自重参数对顶推施工中结构应力和变形的影响。图7扣塔及扣索参数分析计算简图Fig.7Schematic diagram for analysis and calculation of tower and cable parameters表 2导梁自重影响分析结果Table 2Analysis results of the influence of guide beam self weight自重集度系数0.900.951.001.051.101.151.20钢箱梁最大拉应力/MPa66.675.884.793.7102.8111.7120.9钢箱梁最大压应力/MPa78.787.796.5105.3114.3123.1132.1导梁前端下挠/mm241.0374.0504.5631.7760.2886.31 014.9扣塔塔顶水平位移/mm14.329.143.656.970.283.296.5表 3钢箱梁自重影响分析结果Table 3Analysis results of the influence of steel box girder self weight自重集度系数0.900.951.001.051.101.151.20钢箱梁最大拉应力/MPa73.776.884.790.295.7101.1106.5钢箱梁最大压应力/MPa85.788.796.5101.9107.3112.6118.0导梁前端下挠/mm429.8460.3504.5541.2577.0612.9648.2扣塔塔顶水平位移/mm35.640.743.647.450.954.357.8326康鑫，等：临时扣塔辅助顶推的钢箱梁结构参数分析第 3 期结合导梁和钢箱梁各自的自重变化影响分析来看，导梁自重参数比钢箱梁自重参数对钢箱梁应力、导梁前端下挠以及扣塔塔顶水平位移的敏感性更高，产生这种现象的原因主要是导梁位于悬臂段的最前端，且55 m的导梁长度能够有效减小钢箱梁的悬臂长度，减小了钢箱梁自重对结构应力和变形的影响，同时，边跨59 m的钢箱梁自重增加，也会在一定程度上减小悬臂段导梁前端挠度及扣塔偏位。4.2扣塔高度影响分析分析扣塔高度影响时，扣塔高度取值为24、27、30（原设计）、33、36 m，分别对应系数0.8、0.9、1.0（原设计）、1.1、1.2。扣塔高度对主梁应力、导梁前端下挠和扣塔偏位的影响见表4。由表4可知，扣塔高度对顶推施工最大悬臂状态时的结构应力和变形影响较大，为敏感性参数，产生这种现象的原因主要是随着扣塔高度的增加，临时扣索与钢箱梁顶面的倾角增大，扣索索力对竖向的分力也随之增大，故扣塔高度对钢箱梁应力、导梁前端下挠及扣塔塔顶水平位移均较为敏感。因此，在顶推施工中，应以最大悬臂状态时的导梁前端下挠量为主要控制参数，对扣塔高度进行合理设置，但同时也需要考虑扣塔高度过高所带来的施工风险增加等问题。4.3扣塔刚度影响分析由于扣塔刚度可能会影响扣塔纵桥向偏位，进而影响导梁前端挠度，故需要研究扣塔刚度对主梁应力、导梁和扣塔变形的影响。通过改变扣塔主钢管的截面来改变扣塔刚度，现分别取值为 0.5EI、1.0EI（原设计）、1.5EI、2.0EI。扣塔刚度对主梁应力、导梁前端下挠和扣塔偏位的影响见表 5。由表 5可知，扣塔刚度对顶推施工最大悬臂状态时的结构应力和变形影响较小，为非敏感性参数。因此，在顶推施工中可忽视扣塔刚度参数对钢箱梁应力以及导梁和扣塔变形的影响，设计时，只需要满足扣塔自身的受力验算要求即可。4.4扣索索力影响分析由于临时扣索安装在锚箱及反力座上，通过千斤顶在反力座处张拉钢绞线，故分析外侧和内侧扣索的索力对顶推钢箱梁应力、导梁前端下挠和扣塔偏位的影响时，扣索索力在计算模型中为初拉力荷载且按体外力的形式施加，其中，外侧扣索索力（T1）分别取值为0、10、20、30、40、50、60、70、80、90（原设计）、100、110、120 t；内侧扣索索力（T2）分别取值为0、30、60（原设计）、90 t。临时扣索索力对主梁应力、导梁前端下挠和扣塔偏位的影响如图8所示。由图8可知，内外侧扣索索力对顶推施工最大悬臂状态时的结构应力和变形影响较大，且均近似呈线性关系，为敏感性参数，尤其是外侧扣索索力敏感性最高，产生这种现象的原因是2对扣索均位于导梁上，距离钢箱梁支点位置较远，故对钢箱梁支点处的力矩较大，并且越靠近导梁前端，扣索索力产生的力矩越大，导梁的刚度越小，故扣索索力对钢箱梁应力、导梁前端下挠及扣塔塔顶水平位移较为敏感，且外侧扣索索力最为敏感。因此，在钢箱梁顶推施工中，扣索索力参数对结构应力和变形的重要性不容忽视。顶推施工中，应以导梁前端下挠为主要控制参数，对张拉扣索的索力进行合理设置，但扣索张拉力也不应过大，以免出现导梁前端上翘或者顶推千斤顶脱空的现象。4.5临时扣索刚度影响分析将斜拉索模拟为单向受拉桁架，斜拉索刚度（K）可表示为K=nEA L。式中：n为单根扣索钢绞线组成数目；E为扣索弹性模量；A为单根钢绞线截面积；L为扣索索长。假定扣索弹性模量和索长不变，单根扣索钢绞线组成数目取值为7（原设计）、14、21、28，分别对应系数1.0（原设计）、2.0、3.0、4.0。临时扣索刚度对主梁应力、导梁前端下挠和扣塔偏位的影响结果见表6。表 4扣塔高度影响分析结果Table 4Analysis results of the impact of tower height扣塔高度/m2427303336钢箱梁最大拉应力/MPa115.299.584.771.160.0钢箱梁最大压应力/MPa127.6111.696.582.670.8导梁前端下挠/mm910.0700.6504.5316.9146.4扣塔塔顶水平位移/mm71.158.743.623.62.2表5扣塔刚度影响分析结果Table 5Analysis results of the influence of tower stiffness扣塔刚度系数0.51.01.52.0扣塔主钢管截面/mm50310630107201079110钢箱梁最大拉应力/MPa88.884.781.979.6钢箱梁最大压应力/MPa99.496.594.593.0导梁前端下挠/mm510.6504.5500.4497.1扣塔塔顶水平位移/mm43.843.643.343.1327第 19 卷 中 国 科 技 论 文由表6可知，临时扣索刚度对顶推施工最大悬臂状态时的结构应力和变形影响较小，为非敏感性参数。因此，在顶推施工中可以不考虑扣索刚度参数对钢箱梁应力、导梁前端下挠及扣塔塔顶水平位移的影响，设置临时扣索钢绞线组成数目时，可以按单根钢绞线张拉索力不超过10 t且不小于4 t的限制条件来进行设置，避免钢绞线受力过大导致超过材料承载力极限或者过小导致退锚，顶推施工过程中宜采用防退锚夹片装置。4.6扣索位置影响分析为更好地分析扣索位置参数对结构受力及变形的影响，现设外侧扣索位置参数=L1/Lm、内侧扣索位置参数=L2/Lm，其中，Lm为最大前悬臂长度（90 m），默认，现将取值为 0.40、0.45、0.50、0.55、0.60、0.67（原设计）、0.70、0.75、0.80；取值为0.2、0.3、0.4、0.5（原设计）、0.6。临时扣索位置对主梁应力、导梁前端下挠和扣塔偏位的影响如图 9所示。由图9可知，临时扣索位置对顶推施工最大悬臂状态时的钢箱梁应力影响较小，但对导梁前端下挠及扣塔偏位影响较大，因此临时扣索位置是结构变形的敏感性参数，外侧扣索作用大于内侧扣索。产生这种现象的原因主要为临时扣索位置的改变影响扣索与钢箱梁的倾角从而改变结构体系的刚度，进而影响结构的内力和变形。因此，在顶推施工中，扣索位置的合理设置对顶推施工的线形控制非常重要，尤其是外侧扣索的位置选择，应尽量将最外侧扣索设置在为0.60.8的区域。5结 论1）钢箱梁和导梁的自重对主梁应力、导梁前端下挠及临时扣塔偏位影响较大，且均近似呈线性关系，均为敏感性参数，导梁自重参数较钢箱梁自重参数敏感性更强。临时扣塔刚度、临时扣索刚度对最大悬臂状态时的结构应力和变形影响较小，均为不敏感参数。2）临时扣塔高度、临时扣索索力对梁应力、导梁前端下挠以及临时扣塔偏位均有较大影响，均为敏感性参数，且均近似呈线性关系，顶推施工前需要对两者进行合理设置，充分考虑结构应力及变形的影响。3）临时扣索位置对钢箱梁应力影响较小，但随着和的增加，导梁前端下挠和扣塔偏位明显减表6临时扣索刚度影响分析结果Table 6Analysis results of the impact of temporary cable stiffness单根扣索钢绞线根数 7142128钢箱梁最大拉应力/MPa84.786.087.488.7钢箱梁最大压应力/MPa96.597.899.1100.4导梁前端下挠/mm504.5521.2537.7553.8扣塔塔顶水平位移/mm43.645.647.549.2图8不同索力对结构应力及变形的影响Fig.8Influence of cable forces on structural stress and deformation328康鑫，等：临时扣塔辅助顶推的钢箱梁结构参数分析第 3 期小，且均近似呈线性关系，即对导梁前端下挠和扣塔向偏位影响很大，且对导梁前端下挠的敏感性最强，因此是敏感性参数，外侧扣索位置较内侧扣索位置敏感性更强。临时扣索位置是钢箱梁顶推施工线形控制中的重要参数，为保证大跨度无辅助墩顶推施工中导梁能顺利过墩，外侧扣索位置尽量设置在为0.60.8的区域。（由于印刷关系，查阅本文电子版请登录：http: Anon.Bayou bridge launches open season for expanded joint tariff service J.Pipeline&Gas Journal，2019，246（6）：13.2 van BOGAERT P，de BACKER H.Continuous prestress in launched extradosed bridges J.Frontiers in Built Environment，2019，5：81.3 陈恒山，吴静，陈湘林.顶推法施工在桥梁工程中的应用 J.中外公路，2006，26（3）：178-180.CHEN H S，WU J，CHEN X L.Application of incremental launching method construction in bridge engineering J.Journal of China&Foreign Highway，2006，26（3）：178-180.（in Chinese）4 ZELLNER W，SVENSSON H.Incremental launching of structures J.Journal of Structural Engineering，1983，109（2）：520-537.5 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