连续钢箱梁桥顶推施工下导梁设计参数分析

孙建民

（中铁二十二局集团第二工程有限公司，北京 100041）

导梁具有减小顶推施工过程中最大悬臂长度，减小节点处最大负弯矩、减小构件变形等一系列重要作用，所以大跨度构筑物顶推施工时设置导梁有其必要性。而随着顶推施工的使用在工程建设中的应用越来越广泛，施工过程中导梁的设计也逐渐趋于复杂，提出导梁设计的简化方法具有设计方面的实际意义。

廖泳华等[1]通过数值模拟探讨了导梁与主梁的长度比、单位重量比、刚度比3 个参数，并用控制变量法对3 个参数进行敏感度分析，提出基于3 个参数的导梁设计优化方法，但是其没有考虑变截面的情况，同时更偏向于理论分析。张光英等[2]通过ABAQUS 等软件分析含初始缺陷导梁的屈曲效应问题，并提出检验导梁稳定性的检测方案。邝思芹[3]对具体工程中的顶推施工进行分解，分别对得到的子系统进行风险评估，使用模糊综合评价法对施工的整体安全性做出判断。白桦等[4]提出了下穿既有高铁的连续钢梁桥顶推施工方案的设计要点和顶推施工时的关键控制措施。部分文章对不同工况下导梁的设计方案优化思路进行了探讨[5-6]。

根据对已有文献的研究可知，目前对顶推施工整体工艺流程的研究较为全面，但对导梁的参数设计研究较少，尤其是在变截面导梁设计方面还存在大量空白。本文根据工程实例，通过数值模拟对变截面导梁的安全性进行验证，根据规范计算变截面导梁各个控制指标，提出根据数值模拟计算结果进行参数优化的方法。

1 顶推施工过程概况

某跨线桥工程主桥孔跨布置采用（52+65+52）m等截面钢箱梁结构。桥梁最大孔跨下方已有通航线路为摩托车1、2 线、滨江上行线、5 道、滨江下行线、滨北下行线、滨北上行线和北迁线共8 条线路。本工程顶推施工分为3 个阶段：①拼装64.27 m 钢箱梁和36 m 导梁后整体顶推至钢箱梁尾端到达临时墩；②拼装62.4 m钢箱梁后整体顶推；③继续拼装42.17 m 钢箱梁后按设计方案整体顶推18.5 m。由于顶推过程中钢梁和导梁结构在不同位置时有不同的支承情况，故需要进行工况的划分，根据实际情况将整个过程划分为16 个工况，每个工况下都应该对临时墩反力、导梁前端挠度及应力，钢箱梁挠度及应力进行计算。钢梁顶推过程中控制性工况见表1。

表1 控制性施工步骤表

2 连续钢箱梁计算结果

桥梁主体结构受力符合规范要求是继续进行导梁设计和参数优化的基础，但是连续钢箱梁的计算方法并非本文讨论的重点，故此处仅给出连续钢箱梁强度验算的结果。

钢箱梁最大竖向挠度在整个顶推过程中变化较小，最大竖向挠度为-43.3 mm，出现在工况6。钢箱梁最大正应力为54.5 MPa＜250 MPa，出现在工况8；钢箱梁最大剪应力为14.3 MPa＜140 MPa，出现在工况10，最大正应力和剪应力均未超出材料容许应力，满足要求。

钢箱梁最大组合应力为59.9 MPa＜1.1×250 MPa，满足要求。根据软件计算结果，顶推阶段最大支点反力为357.7 t，钢箱梁腹板局部承压强度应按下式计算（依据GB 50017—2003《钢结构设计规范》4.2.1 条）

式中：F为集中荷载，取值357.7×9.8=3 505.5 kN；φ 为集中荷载增大系数，取1.0；lz为集中荷载在腹板计算高度上边缘的假定分布长度，按下式计算

式中：a为集中荷载沿跨度方向的支承长度；hy为自顶梁至腹板计算高度上边缘的距离；hR为轨道的高度，对梁顶无轨道的梁hR=0。

3 顶推导梁计算

3.1 材料参数及导梁设计

根据前文提到的廖泳华等[1]的研究，工程中导梁与钢梁的长度比和单位重量比是影响相对较大的指标，根据规范要求，导梁的长度一般取最大跨度的0.5~0.7倍，设计时可以先通过软件进行试算，该工程取33 m，36 m，39 m 3 种长度进行比选，以最不利工况下结构的应力状态、变形情况、稳定性作为评判依据，最后选择了36 m 长度的导梁。

在钢材型号的选择上，目前的桥梁结构用钢最多的就是Q345q 和Q370q 系列钢。合适的钢材选择能够有效减小导梁的自重，从而降低成本。为保证导梁具有一定的强度和韧性，该工程钢梁及导梁均采用Q345qD型号，钢材的抗压和抗弯的容许应力均取250 MPa，抗剪容许应力取值为140 MPa。

该工程为变截面导梁，为防止应力集中等问题，导梁的高度应均匀变化。导梁的前端高度是重要的设计指标，其数值也可以通过软件的试算和比选进行确定，在进行数值模拟时先将导梁按等截面梁进行计算，再根据应力分布情况调整导梁两端的高度，直到结构的应力分布趋于合理。该工程经调整后确定与主梁连接处导梁的截面高度为2 500 mm，导梁前端的截面高度为1 500 mm。为抑制导梁的侧向变形，左右侧导梁之间设置连接系，连接系为钢管桁架形式。钢导梁结构形式如图1 所示。

图1 钢导梁结构图

3.2 钢导梁顶推强度及刚度验算

该工程钢导梁的主要设计思路和设计方法已在前文提及，此处不在赘述，钢导梁最大竖向挠度出现在工况3，前端最大悬臂55 m 时，最大竖向挠度为314.6 mm；钢导梁最大正应力为164.4 MPa＜250 MPa，出现在工况8；钢导梁最大剪应力为32.1 MPa＜140 MPa，出现在工况10，均满足钢结构设计规范。各工况相应的计算结果如图2、图3、图4 所示。

图2 工况3 钢导梁挠度图

图3 工况8 钢导梁正应力图

图4 工况10 钢导梁剪应力图

3.3 钢导梁截面稳定性验算

刚导梁截面稳定性的计算分为整体稳定和局部稳定两个部分，该工程中钢导梁为有侧向支撑的工字梁，根据GB 50017—2003《钢结构设计规范》4.2.1条，H 型钢或等截面工字形简支梁受压冀缘的自由长度与其宽度之比不超过表2 规定时，不需计算梁的整体稳定性。

表2 H 型钢和等截面工字形简支梁不需计算整体稳定性的最大l1/b1 值

连接系最大间距l1=6 000 mm，翼缘宽度b1=500 mm，计算l1/b1=6 000/500=12＜13.0，因此，不需要计算钢导梁的整体稳定性。

导梁下部共分37 个节点，此处展示与主梁连接的一号节点的计算结果。一号节点截面稳定性验算结果详见表3，导梁的各个节点均在受压翼缘与纵向加劲肋之间设置有短加劲肋。

表3 一号节点验算结果

4 结束语

根据对该工程导梁设计过程的分析以及数值模拟的结果，得出以下结论。

钢导梁最大竖向挠度出现在工况3，前端最大悬臂55 m 时，最大竖向挠度为314.6 mm；钢导梁最大正应力为164.4 MPa＜250 MPa，出现在工况8；钢导梁最大剪应力为32.1 MPa＜140 MPa，出现在工况10，最大正应力和剪应力均未超出材料容许应力，满足规范要求。

通过变截面的设计可以有效减少导梁的自重，根据计算，变截面的设计相对于等截面设计为导梁节省了7.27%的用钢量。

运用数值模拟的手段可以更科学地对导梁的各项参数进行优化设计，该工程中导梁的长度和变截面设计均通过数值模拟手段进行试算和比选进行了优化。