钢箱梁顶推施工过程数值模拟

低温建筑技术2015 年第1 期( 总第199 期) 加法计算结果差别较大，不能反映结构施工阶段真实 内力情况，对大型复杂结构应按照状态变量叠加法进 行施工阶段分析。 参考文献 ［1］ 陈国栋，王煦，劳文全，等． 预应力悬挂结构施工过程的整体和 局部变形控制技术［C］∥庆祝刘锡良教授八十华诞暨第八届 全国现代结构工程学术研讨会论文集，2008． ［2］ 武雷，郭正兴，陶礼芸． 悬挂结构变形控制顺向施工新工艺 ［J］． Construction Technology，2004，33( 2) ． ［3］ 林峰，李科宇． 局部悬挂结构施工监测与模拟［C］∥第四届全 国钢结构工程技术交流会论文集，2012． ［4］ 史洪泉． 大跨度空间钢结构施工全过程力学分析及考虑施工 影响的若干要素研究［D］． 南京: 东南大学，2005． ［5］ 田娥，戴立先，吕黄兵，等． 梅江会展中心钢结构施工中预应力 内张拉模拟分析［J］． 施工技术，2012，41( 7) : 138 － 140． ［6］ 余流，张嗣谦． 大跨度体内预应力桁架结构施工过程仿真分析 与监测［J］． 施工技术，2013，( 20) : 28 － 30． ［7］ 曹平周，朱召泉． 钢结构［M］． 3 版． 北京: 中国电力出版 社，2008． ［8］ GB50017 － 2003，钢结构设计规范［S］． ［收稿日期］ 2014 － 10 － 14 ［作者简介］ 袁波( 1991 － ) ，男，河南信阳人，硕士研究生， 从事建筑钢结构方面研究。 DOI: 10． 13905 /j． cnki． dwjz． 2015． 01． 027 钢箱梁顶推施工过程数值模拟 邹宇， 魏华，

王海军 ( 沈阳工业大学建筑工程学院， 沈阳110870) 【摘要】为弥补杆系有限元软件在步履式顶推施工存在的不足，需要一种能模拟步履式顶推( ILM) 过程 的三维有限元分析方法，针对这一情况，本文使用有限元软件ABAQUS 提出一种新的建模方法来模拟步履式顶推 施工; 通过对梁体端部的约束处理，保证梁体能如实际施工那样在重力荷载下的自然挠曲变形，使用刚体块来模 拟步履式顶推支承设备，并使用参考点对顶推支承设备的约束，采用“梁不动，顶推支承设备向后移动”实现梁体 在顶推设备上的顶推时滑移模拟; 该模型能有效模拟梁体在施工时的受力过程，对梁体在施工中的应力分布有直 观的了解，能有效预知结构在施工中可能出现的问题; 使用该建模方法对后丁香一号桥的顶推过程进行分析，其 分析结果与施工监测报告相符合，证明该种建模分析方法可靠可行。 【关键词】步履式顶推; 有限元仿真; 钢箱梁顶推; ABAQUS 【中图分类号】TU758. 15 【文献标识码】B 【文章编号】1001 － 6864( 2015) 01 － 0078 － 04 步履式顶推是在在每个墩台上设置一对小吨位 水平千斤顶，这样可以将集中的顶推力分散到各墩 上; 采用步履式时顶推时，水平顶推力由设备内部承 担，所以柔性墩上同样可以布置步履式顶推设备; 顶 推时，先由各支座上的竖向千斤顶把梁体顶起，其后 由水平千斤顶推动桥梁前进，完成水平顶推后，竖向 千斤顶缩回，把梁体搁置在临时落梁装置上，水平千 斤顶缩回，完成一次顶推作业，如图1 所示; 再循环该 顶推过程直到梁体到达预定位置，完成顶推。 顶推施工中的钢箱梁顶推，其梁体对集中荷载的承 载能力及其重要，在顶推过程中，梁体不光承受弯矩， 也有移动的集中荷载存在，这些集中荷载来源于支承 部件，从梁体底部传递到腹板中。在施工过程中要保 证支承处产生的集中荷载不对梁体导致残余变形和 损坏。弄清集中荷载的变化情况，设置相应的腹板厚 78 邹宇等: 钢箱梁顶推施工过程数值模拟 度，以保证结构安全和合理的建造成本。Granath 的研 究表明，当梁体端部无弯矩作用时，移动的的支承荷 载达到极限承载力的59% ～ 68% 时，将导致梁体受 损。当支承的集中荷载过大时，全桥的承载能力将由 于顶推时变化的集中荷载造成不可逆转的降低。 Svensson 在文献中指出，在顶推过程中，悬臂所导致的 弯矩是成桥状态下弯矩的6 倍，最大支承反力将达到 成桥状态下支承反力的2 倍。必须保证在施工中梁体 不因此受到损坏; 因此了解梁体在顶推施工中局部受 力状况是非常有必要的。国内桥梁设计普遍使用同 济大学开发的桥梁博士，韩国Midas 和SAP2000 等软 件，国内设计院大多进行的简化为杆系分析，无法精 细地了解桥梁内部的空间应力状况，如顶推支承设备 对梁体带来的巨大支反力，这个支反力在顶推的不同 阶段不断变化; 梁体在设计时对跨中梁段、支座处梁 段的加筋以及钢材厚度不尽相同，由于杆系有限元设 计软件的天然缺陷无法分析梁体中详细的应力应变， 容易导致梁体局部受损，甚至出现严重的施工事故。 本文针对这一情况，使用通用有限元软件ABAQUS 提 出一种能准确模拟顶推过程的钢箱梁顶推分析方法。 建模难点在于要保证梁体在施加重力荷载后能 自然地挠曲变形，对梁体施加的约束要保证不影响梁 体中性轴在挠曲变形时的自然偏移，以及模拟梁体在 支承设备上向前滑动的顶推过程，梁体顶推支承设备 之间的接触要尽可能和实际施工时的状况一样。

1 建模过程 ( 1) 箱体的建模。本文以后丁香一号桥为例进 行建模; 根据图纸，钢箱梁顶推分段建模，使用shell 单元来 模拟钢箱梁步履式顶推，各梁段之间使用Tie 连接，导梁也根据图 纸使用shell 单元进行建模; 步履式顶推支承设备简化 为长方体垫块，采用刚体约束为刚性体，模型如图2 ～ 图5; 钢材使用弹性属性，弹性模量206GPa，泊松 比0. 3。 若对梁体直接端部约束后，再对梁体施加位移荷 载来模拟梁体顶推时向前移动，相当于在梁体端部施 加一个水平力，这种个水平力将影响梁体结构的受 力，特别是梁体在沿纵向挠曲变形时，这个力将在梁 体上产生额外的弯矩，这与现实不相符，所以不能通 过改变梁体上的端部条件进行顶推模拟，本文采用 “梁不动、顶推设备向后移动”的方式来模拟顶推过 程，采用这种方案后，梁体端部将不用施加水平力，梁 体两端的约束条件中，对重力方向不进行约束，梁体 的重力完全由顶推支承设备承担，梁体与顶推支承设 备之间采用法向“硬”接触、切线无摩擦; 这样当模拟 顶推支承设备的刚体垫块向后移动时，梁体中将不会 产生水平力，这和采用步履式顶推的实际情况相同。 ( 2) 梁体的约束。在顶推过程中，梁体由于重 力荷载挠曲变形，对端部的不当约束将严重影响计算 的准确性; 因此选择把梁体端部耦合在一个参考点 上，如图6 所示，在设置边界条件时，仅约束参考点除 重力方向外的另两个平移自由度，参考点的三个旋转 自由度均不约束，采用这种方式进行约束后，自动计 算中性轴的偏移，保证梁体端部能够根据受力状态自 由地旋转，使整个梁体在重力荷载下自然地弯曲，并 且参考点的坐标位置不影响结果的计算，这能相对真 实地模拟实际的顶推情况。 79 低温建筑技术2015 年第1 期( 总第199 期) ( 3) 接触。要保证梁体重力完全由顶推支承设 备承担，还要设定梁体与顶推设备支承之间的接触属 性，在步履式顶推过程中，在每个顶推循环中，梁体前 进时，梁体与顶推支承设备之间是相对静止的，但由 于水平顶推千斤顶的行程有限，所以在一个顶推循环 中梁体前进距离很短，这里把梁体设置为在顶推支承 设备上滑动是合理的。在设置滑动面时，顶推支承支 承设备为接触主面，梁体底部为从面，顶推设备支承 设备与梁体的布置如图7 所示。 ( 4) 顶推效果的实现。为了模拟实际顶推施工 时梁体的向前顶推，在对模型施加重力荷载之后，还 需要通过对顶推支承设备施加水平位移荷载实现; 具 体为先对顶推支承设备使用刚体约束，并把顶推支承 设备约束在一个参考点上，这样方便对顶推支承设备 施加位移荷载，如图8 所示，在计算时对控制顶推支承 设备的参考点的所有自由度进行完全约束，这样，梁 体的重量完全由顶推支承设备承担，和实际顶推施工 完全一样，在施加水平位移荷载时，使用位移幅值进 行控制滑移量。

( 5) 增强模型的收敛性。由于在结构中采用了 接触特性，如果在运算中出现了接触不收敛时，可以 在初始分析步之后增加一个接触分析步，在该分析步 中先把梁体两端参考点完全约束住，在梁体中施加很 小的荷载，以便让梁体与顶推支承设备建立有效的接 触，在后续的分析步中把约束条件改为模拟顶推所需 的条件继续计算，方能顺利完成计算; 由于接触导致 收敛困难还可以把最小增量步大小调低同时增大增 量步数以增加收敛的可能性。在对箱体划分网格时， 尽量避免网格单元出现过小的尖角，划分完成后必须 检查网格质量，较次的网格质量会严重影响计算的收 敛，这里由于梁体以及导梁采用S4Ｒ 减缩积分单元以 及S3 三角形shell 单元以方便划分网格。 ( 6) 施工阶段的划分。由于顶推施工是在部分 梁段在制作场完成后，把这些制作好后的梁段顶出， 空出制作场，以便后续梁段的继续制作，每一顶推阶 段顶出不同长度的梁段，由于不同时刻，梁体的长度 和边界条件都不一样，这时建模应根据不同的施工阶 段分别建模，若要在一个模型中进行全桥的模拟建 模，需要在各个施工阶段进行单元的钝化与激活，这 需要用到单元钝化与激活功能，ABAQUS 提供两种单 元激活方式，有应变激活( with strain) 和无应变激活 ( strain free) ，对于有应变激活方式，激活单元的应变 是基于刚被钝化时的状态，并于与其相连接的未钝化 单元进行应变协调，在激活分析步结束时连接处的应 变趋于一致。这是由于在这些激活单元刚激活时，由 于与其相连未钝化的的箱段由于前期顶推等在这些 箱段中已经产生应变，这些应变将影响激活单元在激 活后的行为，为与连接处的单元应变协调，连接处的 激活单元与与其连接的未钝化单元共享已经产生的 节点位移，因此在激活分析步结束时，在激活单元与 未钝化的连接处的位移应变将趋于一致，这与实际顶 推时的情况相符。但是，有应变激活方式不适用于 shell 单元，而钢箱梁的建模采用shell 单元来模拟钢 板，因此这种激活方式也不适用。对于无应变单元激 活方式，在刚激活的时候，这些单元处于一种退火状 态，这些单元中无应力、应变等，这些激活单元的受力 变形等将从激活后开始，与其相连的单元在激活之前 的应变、位移将不会影响这些刚激活单元的内力，这 与实际情况不符，因为在顶推施工中，在组装场新组 装的梁段全部搁置在脚手架上，支承方式与模型一开 始就搁置在顶推支承设备上不一致，因此这种单元激 活方式不适用。 基于以上原因，对于顶推施工中的各个顶推阶段 应该分开进行模拟，如后丁香一号桥，根据实际施工 状况，把顶推分为五个工况阶段，如图9 所示，使用五 个模型进行模拟。

80 邹宇等: 钢箱梁顶推施工过程数值模拟 2 结果分析 通过三维模型的计算发现，在顶推工况三中，即 梁体正在跨越最大跨时，编号为L2 － 1 的顶推支承设 备上支承力为0，因而导致邻近的L2 － 2 号支承上出 现很大的支承反力，使梁体在L2 － 2 号顶推设备支承 处存在严重的应力集中，最大应力达到368MPa( 使用 弹性材料属性计算所得) ，大大超出结构的承受能力， 将导致梁体出现屈服; 而根据施工检测报告: 后丁香 一号桥在顶推第9、10 段时( 顶推工况三) ，钢箱梁的 两侧边腹板和一号室的第5、6、9、10、11、12、13 号横隔 板发生屈曲，同时在监测报告中提到“10 号梁段在推 过9m 后，有两个支撑面( L2 － 1) 已经脱空，不再受力， 导致其他支撑面受力增加”，顶推设备的不同步顶升， 使部分支承面受力增大。 若根据杆系有限元计算，该处的应力不应达到 368MPa，梁体也不会屈服; 经过对有限元模型以及该 桥使用SAP2000 的原始计算书分析得出以下结论: ① 在使用杆系有限元SAP2000 计算中，未考虑梁体在重 力作用下出现变形的影响，梁体由于挠曲起拱变形导 致与编号为L2 － 1 的顶推支承设备脱开，该处所有的 支反力完全由L2 － 2 承担，导致在梁体在L2 － 2 处出 现超出梁体承受能力的应力; ②梁体由于重力荷载挠 曲起拱还导致梁体与L2 － 2 号支承设备的接触面积减 少，出现应力集中，更加恶化了梁体受力，这是使用杆 系有限元软件计算时无法考虑到的地方; ③顶推支承 设备给梁体带来的巨大支反力，不光会使梁体腹板中 出现很大的应力，同样会使将影响横隔板底板中出现 超出许可的应力，这种情况在使用杆系有限元软件时 无法考虑。 3 结语 使用三维模型对钢箱梁桥的分析，可以精确了解 对梁体在顶推过程中的受力状况，弥补到杆系有限元 软件无分析的不足，针对数值分析中发现的问题，在 施工中采取应对措施，以保证结构在施工中的安全; 三维有限元顶推模型可以详细模拟顶推施工，对梁体 局部的应力状况有直观的了解，特别是在梁体局部受 力方面有巨大的优势，这对预知施工中可能出现的问 题有巨大的作用。

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