XX匝道48+66+48m连续钢箱梁顶推施工
钢箱梁和钢桁架导梁结构分析报告
XX集团有限公司
二〇一三年四月
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目 录
1、结构计算内容与结论 ................................................................................................................. 1
1.1 结构计算内容 .................................................................................................................... 1 1.2 结构计算结论 .................................................................................................................... 1 2、顶推结构梁设计 ......................................................................................................................... 1
2.1 钢导梁设计 ........................................................................................................................ 1 2.2 设计技术规范和资料 ........................................................................................................ 3 2.3 材料特性和容许值 ............................................................................................................ 3
2.3.1 材料特性 ................................................................................................................. 3 2.3.2 规范容许值 ............................................................................................................. 3 2.4 作用取值与组合 ................................................................................................................ 3 3、钢箱梁和钢桁架导梁结构分析 ................................................................................................. 4
3.1 结构计算模型和施工工况 ................................................................................................ 4
3.1.1 计算模型 ................................................................................................................. 4 3.1.2 施工阶段模拟 ......................................................................................................... 5 3.2 钢箱梁和钢导梁结构分析结果 ........................................................................................ 7
3.2.1 钢箱梁结构分析结果 ............................................................................................. 7 3.2.2 钢板梁导梁分析结果 ........................................................................................... 10 3.2.3 钢导梁竖向变形 ................................................................................................... 17 3.2.4 各施工工况支反力值 ........................................................................................... 18 3.2.5 滑道梁局部应力及稳定性分析 ........................................................................... 19 3.2.6 工况2下的抗倾覆验算 ....................................................................................... 19 3.3 钢箱梁和钢导梁结构分析结论 ...................................................................................... 19
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1、结构计算内容与结论
1.1 结构计算内容
依据xx市政工程设计研究总院（集团）有限公司和xx省科佳工程设计有限公司提供的EN匝道48+66+48m跨径钢箱梁构造图和钢板梁导梁构造图，根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ 025-86）和《钢结构设计规范》（GB 50017-20××）的要求，进行钢桁支架法顶推钢梁前进112.326m施工全过程的结构分析计算，施工阶段考虑了钢箱梁自重、钢板梁导梁自重、部分施工机具临时荷载等，计算分析各施工阶段钢箱梁和钢导梁构件的应力、内力和竖向位移，以及支架4~14钢桁临时支架上作用的反力值。 1.2 结构计算结论
在短暂状况下，钢箱梁顶推启动至安装就位的各施工阶段，在其自重荷载和施工机具荷载等作用下，钢箱梁的应力和变形满足规范要求；钢板梁拼装而成的钢导梁及钢板梁间的加劲水平杆和斜杆应力均满足规范要求；导梁与钢箱梁间的连接满足规范要求。顶推工程中导梁的挠度较大，因此需采用影响xx高速公路净空的措施。在工况2状态下，结构的抗倾覆系数为1.304，较接近规范的极限值1.3，因此在梁尾段压重35t，使得抗倾覆系数达到1.5。
2、顶推结构梁设计
顶推施工必须在钢箱梁前端设置钢导梁，其目的一方面减小主梁在顶推过程中的悬臂长度，降低悬臂状态下负弯矩峰值；另一方面引导主梁上墩，便于顶推过程中主梁纠偏。 2.1 钢导梁设计
目前国内常用的钢导梁结构形式主要有两种，即桁架梁和钢板梁。结合施工单位的实际情况条件，钢导梁采用钢板梁。
导梁在施工中虽然只是临时性结构，并不参与成桥以后的结构受力，但是它对顶推施工中主梁受力的影响不容忽视。对主梁内力有重大影响的因素主要为导梁的长度、刚度和重量。
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较长的导梁可以较少主梁悬臂负弯矩，但同时过长的导梁也会使导梁与箱梁接头处的负弯矩和支反力值相应增加。导梁的合理长度应使主梁最大悬臂负弯矩与使用状态支点负弯矩基本接近。在满足强度和稳定性的条件下，宜选用较少重量的变截面导梁，以较少顶推时主梁最大悬臂状态的负弯矩，使负弯矩的两峰值更趋接近。国内外实践证明，钢导梁的长度以钢梁顶推自由长度的0.6～0.8倍为宜。
本工程中采用的钢导梁长度为45m，约钢梁顶推自由长度的0.682倍，满足要求。
长度45m钢导梁由“工”梁组成，梁高度从3米变到1.5米，顶、底板宽度500mm，厚度分14mm、16mm、24mm、32mm四段，腹板厚度均为12mm，两道钢板梁间设PL1、PL2支撑，亦采用“工”梁。钢导梁总重量为90.7吨，自重由软件自动计算，自重集度从根部到导梁端为2.26~1.77t/m。
48+66+48m跨径连续钢箱梁重量约为995t，折算其自重集度为6.14t/m。依据国内相关文献资料，导梁集度一般取0.1～0.2倍的主梁集度。本联导梁集度与箱梁集度比约0.3。
钢板梁导梁采用左右两片钢板梁组成，其构造如图2.1所示。
图2.1 钢板梁导梁构造示意
钢板梁导梁与钢主梁的连接采用焊接连接，钢板梁导梁上下翼板与钢箱梁顶底板熔透焊接，腹板与钢箱梁腹板熔透焊接焊接，强度与导梁本身等强。
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2.2 设计技术规范和资料
（1）《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-20××）
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（2）《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-20××） （3）《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ 025-86） （4）《钢结构设计规范》（GB 50017-20××） （5）《公路桥涵施工技术规范》（JTJ 041-2000） 2.3 材料特性和容许值 2.3.1 材料特性
钢导梁采用Q235钢，钢箱梁采用Q345qD钢。依据《钢结构设计规范》（GB 50017-20××）第3.4.1条和《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ 025-86），钢材的材料特性如表2.1所示。
钢材的材料特性 表2.1
型号 Q235 16Mn Q345qD 厚度 （mm） 弹性模量 E（MPa） 206000 21000 206000 强度设计值（MPa） 抗拉、抗压和抗弯f 215 310 310 抗剪fV 125 180 180 16 16 2.3.2 规范容许值 （1）短暂状况的应力
依据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ 025-86）第1.2.5条，施工阶段在钢箱梁自重、钢导梁自重、施工人群荷载、施工机具荷载等荷载作用下，钢结构容许应力如表2.2所示。
钢材的容许应力（MPa） 表2.2
钢号 Q235（A3） 16Mn 2.4 作用取值与组合 1、作用（荷载）取值
永久作用：钢箱梁和钢导梁的自重计算采用容重78.5kN/m3。 2、作用效应组合
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轴向应力 140 200 弯曲应力w 145 210 剪应力 85 160 根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-20××）和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-20××）的要求，钢箱梁顶推施工属于施工阶段受力分析，应按短暂状况进行构件的应力和变形验算。
施工荷载除了有特别规定外均采用标准值。不同类型荷载组合时不考虑荷载组合系数。
3、钢箱梁和钢桁架导梁结构分析
3.1 结构计算模型和施工工况 3.1.1 计算模型
采用结构空间有限元软件（Midas/Civil 20××）建模分析，钢箱梁和钢桁架导梁计算模型如图3.1。钢箱梁横截面如图3.2，采用梁单元进行模拟，共划分17个单元。钢板梁导梁构造如图3.3，采用梁单元进行模拟，共划分51个单元。钢箱梁和钢导梁之间采用刚性连接；钢箱梁和钢导梁临时支架滑道之间采用只受压弹性连接进行模拟。结构分析按各施工工况进行支点约束处理。
图3.1 钢箱梁和钢桁架导梁计算模型图
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图3.2 钢箱梁横断面图
图3.3 钢板梁导梁构造图
3.1.2 施工阶段模拟
从第一段钢梁和钢板梁导梁安装、顶推前移、再焊接钢箱梁节段、再顶推前移直至桥跨钢箱梁安装就位的整体施工过程进行了模拟，对各控制工况的结构受力进行了分析。顶推前进中，钢板梁导梁即将到达前支架瞬间和达到前支架作为两个控制施工阶段况；施工工况工分8个，其中1~6个工况为顶推施工过程，第2个工况为关键控制工况。施工流程如图3.4所示，各工况施工内容概括如下：
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图3.4 48+66+48米连续钢箱梁顶推施工流程图
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工况1：ZL4～ZL10钢箱梁节段的吊装和调试，并焊接成第一段钢梁，同时吊装钢板梁拼接成整体导梁，并与钢梁有效连接；此时钢桁支架P5～P14作为支撑点；
工况2：第一段钢梁前进52.4m，钢导梁前端即将到达P4支架瞬间；此时钢桁支架P5～P9作为支撑点，钢导梁处于最大悬臂状态，此时为整个顶推过程中的最不利状态。
工况3：第一段钢梁再稍稍前移，使钢桁架导梁到达P4支架；此时钢桁支架P4～P9作为支撑点；
工况4：第一次钢梁顶推结束，钢梁往前顶推了57.685米，此时钢桁支架P4～P8作为支撑点；
工况5：ZL11～ZL15钢箱梁节段的吊装和调试，并与第一段钢梁焊接成整体；此时钢桁支架P4～P14作为支撑点；
工况6：第二次钢梁顶推到位，此时钢桁支架P2～P8作为支撑点； 工况7：吊装ZL1~ZL3节段
工况8：钢桁架导梁拆除；钢箱梁支座安放和钢梁落位。 3.2 钢箱梁和钢导梁结构分析结果
从第一段钢梁和钢桁架导梁安装、顶推前移、再焊接钢箱梁节段、再顶推前移直至桥跨钢箱梁安装就位的整体施工过程进行结构受力分析，按短暂状况进行构件的应力、变形和内力验算。根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-20××）和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-20××）的要求，施工荷载除了有特别规定外均采用标准值，当有组合时不考虑荷载组合系数。
3.2.1 钢箱梁结构分析结果
1、工况1钢箱梁应力
工况1荷载作用下，钢箱梁上下缘的正应力如图3.5～3.6所示。
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图3.5 工况1钢箱梁上缘应力(MPa)
图3.6 工况1钢箱梁下缘应力(MPa)
2、工况2钢箱梁应力
工况2荷载作用下，钢箱梁上下缘的正应力如图3.7～3.8所示。
图3.7 工况2钢箱梁上缘应力(MPa)
图3.8 工况2钢箱梁下缘应力(MPa)
3、工况3钢箱梁应力
工况3荷载作用下，钢箱梁上下缘的正应力如图3.9～3.10所示。
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图3.9 工况3钢箱梁上缘应力(MPa)
图3.10 工况3钢箱梁下缘应力(MPa)
4、工况4钢箱梁应力
工况4荷载作用下，钢箱梁上下缘的正应力如图3.11～3.12所示。
图3.11 工况4钢箱梁上缘应力(MPa)
图3.12 工况4钢箱梁下缘应力(MPa)
5、工况5钢箱梁应力
工况5荷载作用下，钢箱梁上下缘的正应力如图3.13～3.14所示。
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图3.13 工况5钢箱梁上缘应力(MPa)
图3.14 工况5钢箱梁下缘应力(MPa)
6、工况6钢箱梁应力
工况6荷载作用下，钢箱梁上下缘的正应力如图3.15～3.16所示。
图3.15 工况6钢箱梁上缘应力(MPa)
图3.16 工况6钢箱梁下缘应力(MPa)
钢箱梁在顶推的1~6荷载工况下，钢箱梁的上下缘应力最大为122Mpa，小于16Mn的容许应力210MPa，应力满足规范要求。 3.2.2 钢板梁导梁分析结果
1、工况1钢导梁应力
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工况1荷载作用下，钢导梁上下缘的正应力如图如图3.17~3.19所示。
图3.17 工况1钢导梁上缘应力(MPa)
图3.18 工况1钢导梁下缘应力(MPa)
图3.19 工况1钢导梁剪应力(MPa)
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2、工况2钢导梁应力
工况2荷载作用下，钢导梁上下缘的正应力如图如图3.20~3.22所示。
图3.20 工况2钢导梁上缘应力(MPa)
图3.21 工况2钢导梁上缘应力(MPa)
图3.22 工况2钢导梁剪应力(MPa)
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3、工况3钢导梁应力
工况3荷载作用下，钢导梁上下缘的正应力、剪应力如图3.23~3.25所示。
图3.23 工况3钢导梁上缘应力(MPa)
图3.24 工况3钢导梁下缘应力(MPa)
图3.25 工况3钢导梁剪应力(MPa)
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4、工况4钢导梁应力
工况4荷载作用下，钢导梁上下缘的正应力、剪应力如图3.26~3.28所示。
图3.26 工况4钢导梁上缘应力(MPa)
图3.27 工况4钢导梁下缘应力(MPa)
图3.28 工况4钢导梁剪应力(MPa)
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5、工况5钢导梁应力
工况5荷载作用下，钢导梁上下缘的正应力、剪应力如图3.29~3.31所示。
图3.29 工况5钢导梁上缘应力(MPa)
图3.30 工况5钢导梁下缘应力(MPa)
图3.31 工况5钢导梁剪应力(MPa)
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6、工况6钢导梁应力
工况6荷载作用下，钢导梁上下缘的正应力、剪应力如图3.32~3.34所示。
图3.32 工况6钢导梁上缘应力(MPa)
图3.33 工况6钢导梁下缘应力(MPa)
图3.34 工况6钢导梁剪应力(MPa)
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钢导梁在顶推的1~6荷载工况下，钢箱梁的上下缘应力最大为140.8Mpa，小于16Mn的容许应力210MPa，剪应力最大为12.3MPa，小于16Mn的容许应力160MPa，满足规范要求。 3.2.3 钢导梁竖向变形
1、工况1钢导梁竖向变形
工况1荷载作用下下，钢导梁竖向变形如图3.35所示。
图3.35 工况1钢导梁竖向变形(mm)
2、工况2钢导梁竖向变形应力
工况2荷载作用下下，钢导梁竖向变形如图3.36所示。
图3.36 工况2钢导梁竖向变形(mm)
3、工况3钢导梁竖向变形应力
工况3荷载作用下下，钢导梁竖向变形如图3.37所示。
图3.37 工况3钢导梁竖向变形(mm)
4、工况4钢导梁竖向变形应力
工况4荷载作用下下，钢导梁竖向变形如图3.38所示。
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图3.38 工况4钢导梁竖向变形(mm)
5、工况5钢导梁竖向变形应力
工况5荷载作用下下，钢导梁竖向变形如图3.39所示。
图3.39 工况5钢导梁竖向变形(mm)
6、工况6钢导梁竖向变形应力
工况6荷载作用下下，钢导梁竖向变形如图3.40所示。
图3.40 工况6钢导梁竖向变形(mm)
从上述各控制施工阶段工况的荷载作用下，钢导梁变形较大，故在钢梁顶推前进中，当钢导梁即将到达前支架时，必须采用千斤顶将钢桁导梁顶升至支架高度，便于钢梁继续顶推前移。
3.2.4 各施工工况支反力值
在各控制施工阶段的荷载作用下，钢箱梁顶推结构体系的支点反力值如表3.1。
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各施工工况下结构体系的支点反力值（kN） 表3.1
工况 1 2 3 4 5 6 临时钢桁支架编号 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14 192.4 476.7 453.0 527.7 606.0 638.3 741.7 730.5 788.7 304.8 / 4546 — 913 / — — / / / / / 445.8 3681.4 — 1330.5 / — — / / / / 755 3405 — 1544 — / / / / / / 755 3405 — 3363 837 1260 849 1271 496 / — 2833 3905 685 595 — / / / / / / 注：表中“—”表示支座受拉；“/”表示支座未使用。
钢导梁滑道最大支点反力值为755/2=377.5kN，钢箱梁滑最大反力为3905/2=1952.5KN，道梁局部应力计算见后。 3.2.5 滑道梁局部应力及稳定性分析
钢箱梁顶推过程中的滑块采用GJZF4系列橡胶支座滑板，其构造尺寸500x500x49mm，单个支架上滑道长度2米，单侧设置4块橡胶支座滑板。钢箱梁滑道腹板厚12mm，双侧加劲板宽300mm，厚度10mm，间距@300mm，因此一个滑道上支撑面积为2000*12+500*10*6=54000mm2，局部应力为1952.5*1000/54000=36,2Mpa。钢导梁滑道腹板厚14mm，双侧加劲板总宽500mm，厚度
14mm，间距@250mm，因此一个滑道上支撑面积为
2000*14+500*14*8=84000mm2，局部应力为377.5*1000/84000=4.5Mpa。局部支撑应力均较小，而且滑道腹板两侧均设置了对称加劲板，可以不考虑局部稳定。 3.2.6 工况2下的抗倾覆验算
工况2下是整个顶推过程中的关键控制因素，其处于最大悬臂状态，导梁端挠度最大，导梁根部应力最大，梁尾支撑反力为91.3t，因此进行倾覆验算是必要的。
228.5*51.4/(21.3*2*66.6+23.7*2*21.6+238*21.6)=11744.9/9001.8=1.31>1.3 抗倾覆系数1.304>1.3,满足抗倾覆要求，但是较为接近，因此在梁尾压重35T，抗倾覆系数能达到1.5。. 3.3 钢箱梁和钢导梁结构分析结论
在短暂状况下，钢箱梁顶推启动至安装就位的各施工阶段，在其自重荷载和施工机具荷载等作用下，钢箱梁的应力和变形满足规范要求；钢板梁拼装而成的钢导梁其上下缘应力、剪应力均满足规范要求，滑道板局部应力满足要求。
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