钢桁梁桥顶推施工的受力分析与优化设计

北方交通

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文章编号：1673 -6052(2018)04-0001 -05DOI：10.15996/j. cnki. bfjt. 2018.04.001

钢桁梁桥顶推施工的受力分析与优化设计

慕洪江U，包龙生\\于玲1

(1.沈阳建筑大学交通工程学院沈阳市11〇168;2.北京建工路桥集团有限公司北京市100123)

摘要：为分析钢桁梁桥在顶推施工过程中的受力和变形，利用桥梁专用有限元分析软件，以葫芦岛站扩能改 造工程新建站台天桥为原型，分别建立无导梁和无导梁钢桁梁顶推施工的有限元分析模型。结果表明，有导梁顶 推施工过程的最大应力为无导梁顶推施工过程最大应力的0.42,最大挠度为无导梁顶推施工过程最大挠度的 0.41。结论:对于大跨径桥梁，前导梁的设置更有利于控制顶推施工过程的应力和挠度指标,使其满足规范要求； 对于小跨径，无导梁施工过程的应力和挠度能满足规范要求，但数值仍较大，若设置前导梁，则可以大大减小施工 过程中的应力和挠度，从而减小成桥挠度，更有利于桥梁的使用。

关键词：钢桁梁桥;顶推法施工;导梁;三维有限元;跨铁路桥梁 中图分类号：U445.462

文献标识码：B

〇引言

钢析梁桥结构以其受力好、质量轻、满足较高强 度和刚度要求等优点，成为跨越河流、深沟峡谷的理 想桥型。该类桥梁的施工方法有多种形式，其中顶 推施工具有不影响桥位处交通状况、施工设备少、安 全可靠和缩短工期等优点成为此类桥梁常用的施工 方法之一⑴。

顶推法施工是在沿桥纵轴方向的后方设置施工 场地，分节段浇筑或拼装梁体，然后利用水平千斤 顶，使梁体通过各墩顶的临时滑动支座面，将梁体向 前顶推出施工场地，然后继续在施工场地进行下一 节段梁的浇筑或拼装，重复这些工序即可完成全部 梁体施工。在一些受到施工场地和运输条件限制的 地区，例如山区、深谷、跨重要交通线路、宽深河道上 的桥梁等，顶推法施工是桥梁建设中非常有竞争力 的一种施工方法。

进人90年代后，顶推法施工PC连续梁结构又 进人了一个新的发展阶段[2]。从查阅的文献来看， 国内采用顶推施工的桥梁以混凝土连续梁桥的顶推 为主，钢桁梁的顶推施工控制技术研究很少，且由于 钢析梁自身的特性，比如材料均一、无预应力、局部 稳定问题等的突出，使得预应力混凝土梁顶推的成 果不能满足钢桁梁顶推的需要，必须进行专门的研 究[3_9]。1

顶推施工方案

葫芦岛站扩能改造工程新建站台天桥为四联跨 H型钢術架结构（见图1)，天桥总长度为125. 55m， 跨度分别为 26. 51m、35. 61m、23. 865m、26. 99m,桥 面宽度6m,高度相对于站房室内± 0• 000为 9. 72m，天桥屋面制高点为14. 59m。天桥屋面采用 双层铝镁锰合金屋面板，中间夹保温岩棉以及钢丝

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125550

1.1工程简介

__________________________________ 图1钢桁梁桥平面图（单位:mm>

※基金项目：辽宁省自然科学基金（201602602);住房和城乡建设部科学技术项目（2016 - K2 -012);沈阳市科学技术基金

(F16 -095 -1 -00)

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网，楼面为压型组合楼板，其上为90mm厚的混凝土 层和环氧涂料，天桥两侧围墙为彩色钢板结构，同时 设铝合金框双层夹胶钢化玻璃固定窗。一、二站台 设置引桥，楼体采用混凝土结构，上部结构均为钢结 构形式。1.2施工方案

该钢桁梁天桥为跨铁路桥梁，为不影响桥下正 常交通运输，采用顶推法进行施工，可根据顶推施工 过程是否设置导梁拟定两种施工方案。

搭设完成后，在钢平台上层H型钢上方顺桥向布置 钢轨，进行加载预压完成后，进行第一段59m钢桁 梁的拼装;第一次拼装59m钢桁梁的拼装完成后， 向前拖拉至9号墩，未坐落至9号墩自制固定辊轮 上时，为第一段59m钢桁梁的最大悬臂状态。参考 以上步骤，依次完成第二、三次拼装钢桁架并依次拖 拉至10号墩和12号墩。对于第三次拼装拖拉施 工，是在第二次拼装83m钢桁梁的拼装完成后，向 前拖拉至10号墩，坐落至10号墩自制固定辊轮上， 然后继续拖拉至11#墩结束后，进行第三次拼装，梁 长变为106_ 175m，如图2;第三次拼装106m钢桁梁 的拼装完成后，向前拖拉至12号墩，未坐落至12号 墩自制固定辊轮上时，为第二次拼装l〇6m钢桁梁 的最大悬臂状态，如图3。

1.2.1方案一:无导梁顶推

对于无导梁顶推法，钢桁梁桥采用拖拉法进行 施工。全部钢析梁分三次组拼、三次拖拉、一次整体 落梁的施工步骤完成钢衍梁施工。首先是第一次拼 装钢桁架并拖拉至最大悬臂（至9号墩），钢管支架

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图2

第三次拼装钢桁梁（单位:mm)

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图3第三次拼装钢桁梁拖拉至最大悬臂阶段（单位:mm)

1.2.2方案二:前导梁顶推

在顶推施工技术发展的过程中，为了增大顶推 法所适用的桥梁跨度，采用了多种措施，其中，导梁 是重要的措施之一。导梁设置在主梁的前端，为等 截面或变截面的钢桁梁或钢板梁，主梁前端装有预 埋件与钢导梁栓接。导梁在外形上，底缘与箱梁底 应在同一平面上，前端底缘呈向上圆弧形，以便于顶 推时顺利通过桥墩。本文考虑在钢桁梁的前端设置 12m长的前导梁，前导梁所用材料为Q345的H型 钢，钢桁梁桥三次顶推的跨径分别为26. 17m、 23.865m、27.095m，则导梁的长度分别取为顶推跨

径的0.46、0.50、0.44倍。该方案是在方案一的施 工过程的基础上，在钢桁梁的前端设置导梁进行顶 推施工，如图4所示。2

两种方案三维有限元分析

以葫芦岛站扩能改造工程新建站台天桥为原 型，根据其设计施工图的具体材料和尺寸，通过 Midas/CIVIL建立无导梁钢桁梁和有导梁钢桁梁的 三维非线性分析有限元模型，以讨论前导梁的设置 对于钢桁梁的顶推施工的影响。2.1计算模型 2.1.1计算参数

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图4有导梁的钢桁梁顶推法施工（单位:mm)

⑴自重

计算所取用的型钢材料为Q345,其容重为 78. 5kN/m3，弹性模量为2. 06 x 105MPa。根据《公 路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025 - 86) 1.1.3条[1°]，施工阶段钢梁自重系数取1.3。

(2) 其他横载

天桥两侧围墙为彩色钢板结构，同时设铝合金框 双层夹胶钢化玻璃固定窗，其重量按照8kN/m考虑。

(3) 容许应力与位移

Q345B的屈服强度为345MPa，Q345B参照85 规范16Mn钢取用参数。根据《公路桥涵钢结构及 木结构设计规范》（JTJ025 - 86)表2_ 1. 10™可知 容许应力为[cr] =210 xl.4(临时性结构标准组合 应力提高系数）=294MPa。悬臂梁的容许位移为 [f] =L/300。2.1.2计算模型概况

利用Midas/Civil建立的钢術梁桥的三维有限 元模型如图5所示，该模型共包含292个节点，838 个梁单元。

主要施工分析阶段第一次拼装钢桁梁第一次拼装钢桁梁

拖拉至最大悬臂第二次拼装钢桁梁第二次拼装钢桁梁 拖拉至最大悬臂第二次拼装钢桁梁 拖拉至10#墩第三次拼装钢桁梁

图6前导梁三维有限元模型

图7表1

钢桁梁桥有导梁施工三维有限元模型 无导梁施工阶段钢桁梁应力与挠度汇总表

最大应力允许应力最大下挠允许挠度

(mm)(MPa) (MPa) (mm)32.4182.164.2171.278.685.5196.436.8

294294294294294294294294

29.670.7

6

38.1187.2343.6279.5539.7743.6289.9744.98

50.34.84.872.86.5

图5钢桁梁桥无导梁施工三维有限元模型

第三次拼装钢桁梁

拖拉至最大悬臂完成拖拉至设计位置

对于有导梁的钢桁架，在其前端设置了 12m长 的前导梁，前导梁所用材料为Q345的H型钢，前导 梁的三维有限元计算模型如图6所示，有导梁的钢 桁梁桥三维有限元模型如图7所示。2.2数值计算结果

对无导梁的钢桁梁顶推施工过程的三维有限元 模型进行计算，对其计算结果进行汇总，如表1，同 时给出其第三次拼装钢桁梁拖拉至最大悬臂时的应 力图与挠度图，分别见图8(a)和图8(b)。

在无导梁的计算模型基础上增加前导梁，通过 施工过程有限元分析，可得到有导梁钢桁梁顶推施 工过程的计算结果，将计算结果汇总如表2，同时给 出有导梁第三次拼装钢衍梁拖拉至最大悬臂时的应

(a)应力图

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(b)挠度图

图8

无导梁钢桁梁顶推施工计算结果

表2

有导梁施工分析阶段钢桁梁应力与挠度汇总表

主要施工分析阶段最大应力允许应力最大下挠允许挠度

(MPa) (MPa) (mm) (mm)第一次拼装钢桁梁

拖拉至最大悬臂状 82.5

294

28.52

87.23

态

第一次拼装钢桁梁 拖拉并将前导梁支 71.629414.743.62

撑于9#墩

第二次拼装钢桁梁 拖拉至最大悬臂状 68.729415.179.55

态

第二次拼装钢桁梁 拖拉并将前导梁支 64.3

294

6.18

39.77

撑于1〇爾

第三次拼装钢桁梁 拖拉至最大悬臂状 792943089.97

态

第三次拼装钢桁梁 拖拉并将前导梁支 67.929415.144.98

撑于12爾

力图与挠度图，分别见图9(a)和图9(b)。

(b)挠度图

图9有导梁钢桁梁顶推施工计算结果

2.3数值结果分析

对于无导梁顶推施工，钢桁梁在第三次拼装拖 拉至最大悬臂阶段时，其主纵梁在8号墩自制固定 辊轮处产生了施工全过程的最大应力196. 4MPa。 同样是在该阶段，钢桁主纵梁的悬臂段的最前端产 生了整个施工过程中的最大下烧72. 8mm。

相比与无导梁顶推施工，有导梁的天桥钢桁梁 产生的最大应力为82. 5MPa，是在第一次拼装钢桁 梁拖拉至最大悬臂状态时产生，且其最大挠度为 30mm，是在第三次拼装钢桁梁拖拉至最大悬臂状态 时产生。

因此，有导梁顶推施工过程的最大应力为无导

梁顶推施工过程最大应力的〇. 42，最大挠度为无导 梁顶推施工过程最大挠度的〇• 41。

2.4实测结果与数值结果对比分析

2015年10月对该桥进行了施工，施工方案采 用方案二，在钢桁梁的前端设置了 12m长的前导

梁，然后进行顶推施工。该桥施工过程顺利，未影响 桥下京哈铁路的正常通行。

表3

实测挠度与理论挠度对比表

施工阶段

第一次拖拉至 第二次拖拉至 第三次拖拉至 最大悬臂最大悬臂

最大悬臂

实测挠度

(mm)26.414.728.6理论挠度(mm)

28.52

15.1

30

在施工过程中，对前导梁最前端的挠度进行实

时监控，并与数值计算结果进行对比分析(见表3)。 数值分析与实测结果对比显示：

(1) 实际施工过程的挠度与数值分析结果较为 接近；

(2) 实测挠度较数值分析结果偏小，说明实际 桥梁结构具有良好的刚度；(3) 设置前导梁能较好地对控制施工过程中钢

術梁的挠度起到控制的作用。

3

结论

通过有导梁与无导梁钢桁梁三维有限元计算结 果的对比分析，可以得到以下结论：

(1)

钢桁梁桥在顶推施工过程中的不利状态为，顶推至最大悬臂的状态，该状态下由于钢桁梁巨 大的自重荷载作用，将会在钢桁梁的悬臂段的根部 支点位置产生较大的应力，同时使得钢桁梁悬臂段 最前端产生较大的下挠。如果悬臂段跨径很大，该 应力有可能超过钢桁梁的允许应力，从而造成钢梁 在施工过程中破坏，而其较大的挠度也会影响钢桁 梁桥的使用。

(2)

钢桁梁桥无导梁顶推施工时，由于钢桁梁

在顶推至下一支撑位置坐落前一直处于悬臂状态， 对于大跨径的桥梁而言会使得施工过程中的应力和挠 度较大，影响施工安全，对于小跨径桥梁而言，该施工 过程的应力和挠度能满足规范要求，但也会比较大。

(3)

通过在顶推施工过程中加设前导梁的施工

措施，可以减小钢桁梁顶推施工过程的悬臂长度，从 而大大减小钢桁梁桥在顶推施工过程的应力和挠

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度，保证施工安全。

(4)前导梁的设置对于大跨径桥梁而言，有利 于控制顶推施工过程的应力和挠度指标，使其满足 规范要求，对于小跨径桥梁而言，可以大大减小施工 过程中的应力和挠度，从而减小成桥挠度，更有利于 桥梁的使用。

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Stress Analysis and Optimal Design of Steel Truss Bridge Jacking Under Construction

MU Hong-jiang1，2，BA0 Long-sheng1，YU Ling1(1. School of Traffic Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China；

2. Beijing Construction Road Bridge Group Co. , Ltd. , Beijing 100123, China)

Abstract In order to analyze the stress and deformation of steel truss bridge during jacking construction, used bridge - specific finite element analysis software, taking the new platform flyover of Huludao Station expansion transform project as a prototype, the finite element analysis model of non - guide beam and non - guide beam steel truss girder Jacking under construction was established respectively. The results show that the maximum stress during the construction of the guide beam is the non - guide beam of 0.42,and the maximum deflection during the construction of the guide beam is the non - guide beam of 0. 41. In conclusion：for long span bridges, the setting of the leading beam is more conducive to controlling the stress and deflection index of the jacking construction process so as to satisfy the specification requirements. For small spans bridges,the stress and deflection of the non - guide beam in the construction process can meet the requirements of the standard, but still larger, if the guide beam is set up,the stress and deflection in the construction process can be greatly reduced,thus reducing the deflection of the bridge,which is more conducive to the use of the bridge.

Key words Steel truss bridge ； Thrust under constnxction ； Guide beam ； Three - dimensional finite element ； Cross the railway bridge