鋼桁梁頂推法施工驗算

技術(shù)中心：鄭偉

鋼

桁

梁

頂

推

法

施

工

專

題北京邁達斯技術(shù)有限公司目

錄1234工

程

案

例建

模

流

程頂

推

模

擬設

計

驗

算Ⅰ.

工

程

案

例Ⅰ.

工

程

案

例橋

址

關(guān)

系大橋與既有鐵路線的平面位置關(guān)系圖（上跨鐵路線）Ⅰ.

工

程

案

例頂

推

施

工18#墩19#墩20#墩21#墩22#墩23#墩18#墩19#墩20#墩21#墩22#墩23#墩H=11mⅠ.

工

程

案

例主

桁

結(jié)

構(gòu)一、主桁二、縱橫梁三、上平聯(lián)

L=64m1

）

采用無豎桿三角桁，桁高11m，節(jié)間長12m及10m，主桁中心距8m；2

）

上、下弦桿采用箱型截面；斜腹桿采用箱型截面和H型截面；縱、橫梁除端橫梁外均采用工型截面，端橫梁為箱型截面；上平縱聯(lián)采用交叉式的腹桿體系，橫撐及斜桿均采用工字型截面；Ⅰ.

工

程

案

例導

梁

結(jié)

構(gòu)導梁總長32m，其中型鋼長14m，貝雷梁長18m，導梁總重35t；導梁上下弦采用加厚的雙拼25槽鋼與鋼桁梁對接；腹桿、平聯(lián)采用加厚的雙拼25槽鋼。型鋼段

14m貝雷梁段

18m鋼桁梁結(jié)構(gòu)的組成部分主桁：上弦桿、下弦桿、腹桿弦桿：承擔荷載產(chǎn)生的軸力（拉/壓）；上平縱聯(lián)下弦桿縱梁橫梁豎腹桿斜腹桿下平縱聯(lián)

上弦桿

端橫聯(lián)（橋門架）中橫聯(lián)節(jié)間長度腹桿：承擔剪力。聯(lián)結(jié)系：縱聯(lián)、橫聯(lián)縱聯(lián)：抵抗水平向荷載，為主桁提供

側(cè)向支撐；橫聯(lián)：使主桁橫向成為幾何不變體系，提高主桁的抗扭能能力。橋面系：縱梁、橫梁

將移動荷載傳遞給主桁節(jié)點。Ⅰ.

工

程

案

例梁單元與桁架單元的區(qū)別梁單元：1）由2個節(jié)點構(gòu)成，具有拉、壓、彎、剪、扭的剛度2）梁單元分為平面梁單元（2D梁）和空間梁單元（3D梁）3）平面梁單元的每個節(jié)點包含3個自由度（2個平動、1個轉(zhuǎn)動）4）空間梁單元的每個節(jié)點包含6個自由度（3個平動、3個轉(zhuǎn)動）桁架單元：1）由2個節(jié)點構(gòu)成，只傳遞軸向的拉力和壓力2）僅有平動自由度，沒有轉(zhuǎn)動自由度，單元只發(fā)生軸向變形3）桁架單元分為平面桁架（2D）和空間桁架（3D）4）平面桁架的單元每個節(jié)點有2個平動自由度

空間桁架的單元每個節(jié)點有3個平動自由度（

x,y

）

??

2Dx軸Ⅰ.

工

程

案

例桁架結(jié)構(gòu)的受力特點

梁承受荷載后，主要產(chǎn)生彎曲內(nèi)力，截面上的應力分布是不均勻的，因而材料不能充分利用。

當荷載只作用在桁架的結(jié)點上時，各桿內(nèi)力主要為軸力，截面上的應力基本上分布均勻，可以充分發(fā)揮材料的作用。

實際桁架的受力情況比較復雜，在計算中必須抓住主要矛盾，對實際桁架作必要的簡化，桁架內(nèi)力計算的假定：

1）桁架的結(jié)點都是光滑的鉸結(jié)點；

2）各桿的軸線都是直線并通過鉸的中心；

3）荷載和支反力都作用在結(jié)點上。Ⅰ.

工

程

案

例桁架的實際受力情況與上述假定具有一定差別：

1）鋼桁架的結(jié)點具有很大的剛性；

2）桿件存在制作誤差，各桿軸線不一定完全交于一點；

3）桿件上作用非結(jié)點荷載，如桿件自重、風荷載等；

4）結(jié)構(gòu)具有空間效應，即主桁產(chǎn)生變形時，會使縱聯(lián)和橋面系一起變形，進而使得縱梁和橋面系承擔了主桁一部分荷載（次內(nèi)力），對主桁是有利的。桁架結(jié)構(gòu)的受力特點

《鋼結(jié)構(gòu)設計標準》(GB50017-2017)Ⅰ.

工

程

案

例

z常見問題解答45-鋼桁結(jié)構(gòu)的單元類型與驗算

/video/BV1ze4y1f7QVⅡ.

建

模

流

程分析結(jié)果

內(nèi)力

應力

變形

反力邊

界荷

載外部邊界、內(nèi)部邊界自重、二期預應力荷載

收縮徐變

溫度荷載支座沉降移動荷載設計結(jié)果承載能力正常使用彈性階段建模流程PSC

RC施工成橋求解

Civil

建

模

流

程

后處理剛

度驗

算Ⅱ.

建

模

重

點

前處理

材料、截面、節(jié)點單元Ⅱ.

建

模

流

程幾何模型的建模思路鋼

桁

梁鋼

導

梁主桁架縱橫梁上平聯(lián)型鋼段貝雷段采

用

DXF

導

入

實

現(xiàn)

快

速

建

模Ⅱ.

建

模

流

程

DXF文件注意事項：

1）繪制單位建議mm；

2）建立圖層，按截面進行區(qū)分；

3）將線段左端移到坐標原點；

4）另存為DXF文件-04版本；

5）對于曲線橋，需以直代曲。建

立

幾

何

模

型

Ⅱ.

建

模

流

程一、建立鋼桁梁

1）Civil長度單位調(diào)為mm

2）導入DXF-主桁架文件

Rx=90度

4）修改截面

通過結(jié)構(gòu)組快速賦予

5）修改單元坐標軸

弦桿單元change-90度6）復制單元

Dy=8000mm7）導入DXF-縱橫梁文件

插入點（0,0,0）8）導入DXF-上平聯(lián)文件

插入點（6000,0,11000)DXF原點Civil插入點

Ⅱ.

建

模

流

程二、建立鋼導梁

1）導入DXF-鋼導梁文件

Rx=90度

2）修改截面

通過結(jié)構(gòu)組快速賦予

3）修改單元坐標軸

鋼導梁弦桿單元change-90度

4）添加彈性連接

模擬上下貝雷片之間的剛接

Dx：5@3000

5）復制單元

鋼導梁單元，Dy=8000

勾選復制節(jié)點屬性

6）建立鋼導梁橫撐和斜撐

貝雷斜撐不勾選交叉分割

貝雷復制單元，Dx：5@3000建

立

幾

何

模

型

DXF原點

剛節(jié)點——彈性連接(剛性)自重鋼桁梁鋼導梁模型重量kN3504.3306.8實際重量kN4540350放大系數(shù)1.291.14調(diào)整容重kN/m3101.789.5荷載單位取值梁單元荷載施工荷載2.5kN/m28×2.5=20kN/m風荷載71.6N/m2-建

立

幾

何

模

型

Ⅱ.

建

模

流

程三、建立結(jié)構(gòu)組

1）鋼桁梁

2）鋼導梁-型鋼段

3）鋼導梁-貝雷段

4）刪除多余結(jié)構(gòu)組四、建立荷載

1）自重

2）配重

3）施工荷載

4）風荷載

鋼桁梁

鋼桁梁+型鋼段鋼桁梁+型鋼段+貝雷段Ⅲ.

頂

推

模

擬Ⅲ.

頂

推

模

擬頂

推

施

工

工

藝

介

紹01-拖拉式頂推施工工藝Ⅲ.

頂

推

模

擬頂

推

施

工

工

藝

介

紹02-步履式頂推施工工藝Ⅲ.

頂

推

模

擬頂

推

施

工

工

藝

介

紹03-水上浮托頂推施工工藝Ⅲ.

頂

推

模

擬

CS1：導梁-型鋼段拼裝完成CS2：導梁-貝雷梁段拼裝完成，

準備頂推施工頂

推

施

工

過

程CS4：將鋼桁梁和導梁向前頂推到中間，距L6的距離為18.9mⅢ.

頂

推

模

擬

CS3：安裝配重頂

推

施

工

過

程CS5：將導梁貝雷梁部分頂上L6支墩，

但未上支撐頂

推

施

工

過

程CS6：導梁貝雷梁部分上

L6

后上支撐Ⅲ.

頂

推

模

擬CS7：繼續(xù)往前頂推，

導梁貝雷梁部分上第二和支撐，

卸掉配重CS8：繼續(xù)往前頂推，

導梁桁架部分安裝三個支撐頂

推

施

工

過

程Ⅲ.

頂

推

模

擬CS9：繼續(xù)往前頂推，

導梁貝雷梁部分頂出支撐，

桁架部分上支撐CS10：繼續(xù)往前頂推，

主梁上一個臨時支撐，

拆除導梁頂

推

施

工

過

程Ⅲ.

頂

推

模

擬CS12：主梁頂推就位，落架成橋頂

推

施

工

過

程Ⅲ.

頂

推

模

擬

CS11：繼續(xù)往前頂推，

主梁上兩個臨時支撐二、對所有支承點編號支點1支點2支點3支點4支點5支點6支點9

支點8

支點7支點11

支點10頂

推

施

工

過

程

Ⅲ.

頂

推

模

擬一、整理所有支承點位置邊界條件的約束技巧單向可動

支座

固定

支座雙向可動支座

單向可

動支座

雙向可

動支座單向可動

支座

雙向可

動支座單向可動

支座綠色表示約束黑色表示釋放12345678911

10

Ⅲ.

頂

推

模

擬三、添加邊界條件

按照連續(xù)梁的支座布置原則來定義1、把所有出現(xiàn)支承位置的節(jié)點找出來，重編節(jié)點號，按頂推方向同側(cè)序號相連2、生成邊界組1~113、把所有支座，用一般支承只約束這些節(jié)點的Dz，再用excel表格修改約束成分和邊界組4、只需激活和鈍化對應的邊界組，即可快速模擬頂推過程操作技巧：1）激活顯示所有支承節(jié)點2）外側(cè)支座節(jié)點起始號13）內(nèi)側(cè)支座節(jié)點起始號124）編號時，按-x方向排序5）先統(tǒng)一約束dz6）用excel調(diào)整約束和組具體操作流程Ⅲ.

頂

推

模

擬邊界條件的約束技巧12345678911

10Ⅲ.

頂

推

模

擬邊界條件的約束技巧2ND：-X1ST：+YⅢ.

頂

推

模

擬

Step1、重編節(jié)點號Step2、全部約束DzStep3、用excel表格修改約束成分和邊界組邊界條件的約束技巧Ⅲ.

頂

推

模

擬邊界條件的約束技巧節(jié)點號DxDyDzRxRyRzRw邊界組支座類型Dy單向可動

雙向可動

固定Dx單向可動

1

2

3

4

5

6

7

8

910111213141516171819202021221000000000010000000000000000000000111111111111111111111111111111111110000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000支點10支點20支點30支點40支點50支點60支點70支點80支點90支點100支點110支點10支點20支點30支點40支點50支點60支點70支點80支點100支點90支點100支點11施工階段結(jié)構(gòu)組邊界組荷載組激活鈍化激活鈍化激活鈍化CS1鋼桁梁、鋼導梁-型鋼段支點1~7、支點9自重、施工荷載CS2鋼導梁-貝雷段支點10、貝雷剛接CS3配重CS4支點8支點9、支點10CS5支點7、支點8CS6支點11CS7支點10支點5、支點6配重CS8支點7~9支點4CS9支點7CS10鋼導梁-型鋼段、貝雷段貝雷剛接CS11支點6支點2、支點3、支點7CS12支點7支點6施工荷載

Ⅲ.

頂

推

模

擬四、模擬頂推施工方法施工階段的激活鈍化匯總整理

Ⅲ.

頂

推

模

擬變形前與變形后的區(qū)別施工階段的激活鈍化匯總整理

CS5CS6-變形前CS6-變形后Ⅵ.

規(guī)

范

驗

算Ⅳ.

規(guī)

范

驗

算鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范

由于《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設計規(guī)范》（JTG

D64-2015）未提供鋼桁梁的整體驗算公式，鋼桁梁橋更多參照《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（TB

10091-2017）進行驗算。Ⅳ.

規(guī)

范

驗

算

需要注意，總穩(wěn)定性計算時，容許應力折減系數(shù)與長細比相關(guān)，且驗算時，桿件最大長細比有限制要求。鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范

下表格中的截面抗彎慣矩、面積由截面特性得到，回轉(zhuǎn)

半徑通過抗彎慣矩和面積計算得到，計算長度選取桿件建

模長度，由此計算長細比、容許應力折減系數(shù)，軸力和彎

矩根據(jù)Civil分析結(jié)果得到。通過以上方法，即可按照鐵路

規(guī)范，完成鋼桁梁的強度與穩(wěn)定驗算。

并發(fā)內(nèi)力-軸力最大并發(fā)內(nèi)力-彎矩最大Ⅳ.

規(guī)

范

驗

算鋼

結(jié)

構(gòu)

設

計

標

準Ⅳ.

規(guī)

范

驗

算從Civil結(jié)果中提取Fx從Civil結(jié)果中提取My

從Civil截面特性值中

查看Iyy/Czm鋼

結(jié)

構(gòu)

設

計

標

準拓

展

部

分拓

展

部

分鋼

桁

梁

的

預

拱

度

計

算

鋼桁梁預拱度設置方法通常是伸長或縮短上弦桿件拼接縫尺寸，增加或減少上弦節(jié)間長度。具體實現(xiàn)分以下三步:從整體計算中提取恒載和靜活載工況的下弦桿件各節(jié)點處豎向位移;

恒載與一半活載豎向位移之和得到預拱度值;

通過某一計算方法推出預拱度值與上弦長度變化值之間關(guān)系，得出各個上弦節(jié)間拼接縫的伸長值或縮短值。

以上第一步可以通過有限元程序計算得到，第二步可以直接計算得到，預拱度最終實現(xiàn)的關(guān)鍵在于第三步采用何種計算方法，針對這個關(guān)鍵點，本文提出了三種計算方法:幾何法、溫度法，以及在前兩者基礎上的混合法。拓

展

部

分鋼

桁

梁

的

預

拱

度

計

算頂推施工，對預拱度計算有沒有影響？拓

展

部

分鋼

桁

梁

的

預

拱

度

計

算幾何法：根據(jù)主桁幾何關(guān)系推出預拱度值與上弦長度變化值之間關(guān)系

優(yōu)缺點說明

幾何法的優(yōu)點是

計算時間短，且可編

制excel表格來計算，

但缺點是未考慮各主

桁桿件的伸長和縮短，

求出的拼縫值有一定

誤差，需要進行修正！注意角度與弧度的轉(zhuǎn)化

角度=弧度×180/Pi()????

參數(shù)說明

fi

為各下弦節(jié)點豎向拱度

L

為節(jié)間長

H

為桁高

α、β

為下弦桿與豎直線夾角

γ

為下弦桿與腹桿夾角

θ

為腹桿間夾角

Δ

為上弦拼接縫變化值??

=

360

???

?

??

?

2??

?=2

??Τ2

2

+

??2

×

sin

??Τ2

?

??其中拼接縫變化值Δ

伸長為正，

縮短為負。可推出如下公式

??

=

????????????

??

?

??

???1

Τ??

×

180Τ????

=

????????????

??

??+1

?

??

Τ??

×

180Τ??

+

90

??

=

????????????

2??Τ??

×

180Τ??

先假設上弦拼接縫的伸長值或縮短值，而后利用升溫或降溫來使上弦桿件長度發(fā)生變化，通過有限元程序計算反推下弦各節(jié)點預拱度值，如與預設拱度不符則重新假設拼接縫變化值，如相符則得到最終變化值

Δ

為

?=

??

?

???

?

??

其中，L為桁長;

Δt

為溫度變化值;

a為線膨脹系數(shù);

Δ為上弦桿件拼縫變化值。

溫度法的優(yōu)點是計算結(jié)果準確，但缺點是因為反推的關(guān)系，

需要計算者有豐富的設計經(jīng)驗，且需經(jīng)過多次試算才能得到準確結(jié)果，計算時間長。拓

展

部

分

升降溫法

幾何法和溫度法都有其優(yōu)缺點，在上述兩種方法基礎