重载铁路大跨度钢桁梁桥顶推施工关键技术分析与监测
舒 彬1,杨 超2,郝付军1
【摘 要】摘要 为解决大跨度钢桁梁桥顶推关键工况受力状况和变形监测,以黄大重载铁路黄河特大桥连续钢桁梁多点同步顶推施工为例,利用有限元建模计算最大倾覆力,倒退法计算顶推过程中的最不利工况。找出主桁在桥墩支点处最大支反力值以及导梁前端最大变形值和变形规律;计算主桁和导梁在各施工工况下的最大应力值,验算最大受力节点板局部应力值。根据理论计算值,在最不利施工工况设置对应的变形监控点和主要杆件应力监测点。设置顶推系统并计算水平纵向顶推力,测试并记录各顶推工况的启动和运行状态摩擦系数数据。对比理论计算与监测结果发现实测值略小于计算值,施工过程中的材料强度和变形均在安全可靠的储备范围内。有限元分析和施工监测表明:在大跨度平行弦钢桁梁顶推施工过程中采用自重加0.2倍自重的冲击荷载组合是最安全又经济的荷载组合,同时横向纠偏值对主桁应力和纠偏力的影响基本可以忽略。 【期刊名称】《甘肃科学学报》 【年(卷),期】2019(031)006 【总页数】7
【关键词】关键词 钢桁梁;有限元;监测;顶推系统;纠偏
引用格式:Shu Bin,Yang Chao,Hao Fujun.Analysis and Monitoring of Key Technologies in the Incremental Launching Construction of Long Span Steel Truss Bridge on Heavy Haul Railway[J].Journal of Gansu Sciences,2019,31(6):105-111.[舒彬,杨超,郝付军.重载铁路大跨度钢桁梁桥顶推施工关键技术分析与监测[J].甘肃科学学报,2019,31(6):105-111.]
基金项目:陕西高等教育教学改革研究重点攻关项目(17GG008)
黄大铁路煤运专线黄河特大桥主桥采用下承式明桥面平行弦连续钢桁梁,带斜腹杆的相邻节点板长度为20 m,只带竖杆的桁架节间长度为10 m,主桁竖向高度21 m,横向中心距离11.0 m。总体跨度布置为120 m+4×180 m+120 m=960 m,主桁钢梁总质量14 553 t,总顶推长度为840 m,顶推质量为12 762 t,主桁采用Q370qE钢,钢桥面系杆件纵横向联接系、桥门架以及中横联杆件均采用Q345qE钢;导梁所有杆件采用Q370qD钢。桥跨从114号墩至120号墩依次布置;连续4跨180 m跨度平行弦钢桁梁采用顶推施工方案为目前国内之最,暂无工程先例可借鉴,故需建立严密的有限元模型计算分析评估其施工全过程的安全可靠性[1]。
1 拼装平台设计顶推施工成桥全过程
在115号墩至120号墩之间5跨主桁钢梁采用多点同步顶推施工,在114～115号墩之间设置钢管支架拼装平台,平台长80 m;在115～116号墩之间距离115号墩80 m处设置临时钢管支墩以抵抗导梁到达116号墩前导梁与主桁产生的倾覆力[2];在115～120号墩设置墩旁托架并在托架上设置滑道梁,每个桥墩上滑道梁的总滑移长度为20 m,与相邻2个带斜腹杆节点板之间的距离相等即为一个大节间的长度,如图1所示。每次拼装3个大节间长度即60 m,主桁小节点板处竖杆截面较小,竖杆容易出现受压失稳,故只能在带斜腹杆的大节点板处设置移动支承滑块并实施顶推[3];每次顶推20 m为一个大节间长度即一个小循环,连续顶推3个大节间长度60 m即为一个大循环,依次循环,直至主桁钢梁主体结构顶推至120号墩;然后在钢管支架平台上拼装靠114号墩一侧40 m主桁,悬臂拼装114～115号墩之间的主桁钢梁,同时拆除前端导梁。
2 导梁悬臂60 m时抗倾覆计算
导梁拼装长度120 m,悬臂长度60 m时,此时为产生最大倾覆力矩状态,如图2所示。利用Midas/civil建模,竖向约束每个下弦杆节点处,计算出导梁各节点处自重作用下的支反力,如图3所示。
图3中支点反力为33.8 t处为原点,原点右侧每个支点反力值乘以支点到原点的距离并求和即为倾覆力矩值Mq,原点左侧每个支点反力值乘以支点到原点的距离并求和即为抗倾覆力矩值Mk,抗倾覆力矩值Mk除以倾覆力矩值Mq即为抗倾覆安全系数K,其公式为
Mq=18.5×10+16.4×20+12.9×30+12.8×40+12.1×50+5.1×60=2 (t·m),
Mk=48×20+53.7×40+33.2×60=5 100 (t·m),
从计算结果可知抗倾覆安全系数为2.2,大于施工规范2的限制要求[3]。
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3 顶推建模受力分析
3.1 建模要点
利用杆系有限元软件采用倒退法建模分析。建模思路如下:①保持梁体不动,每顶推20 m被认为形成1次新的结构,每顶推1个小循环,边界条件后退1次;②墩梁连接处以竖向位移约束为主来模仿桥墩的支撑作用;③采用支座强制位移来模拟导梁前端提梁上墩[4]。 3.2 荷载及荷载组合
(1) 自重:为主桁钢梁及导梁自重,主桁顶推质量12 762 t;导梁全部构件自重488 t。
(2) 风力:根据设计文件,基本风压W0=700 kPa(相当于12级风)。
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