洪小剛

0 引言

頂推施工法是1959年由德國的萊昂哈特博士和鮑爾教授提出的一種施工方法,具有安全、優(yōu)質(zhì)、快速、經(jīng)濟(jì)、不需支架、無干擾和場地少等優(yōu)點(diǎn),在國外的中等跨徑橋梁上得以廣泛采用[1-4]。我國于1977年第一次成功應(yīng)用頂推法建成4×40 m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁鐵路橋——狄家河橋;此后,在 1979年又采用頂推法建成跨徑為(40+54+40)m、三孔一聯(lián)的撐架式預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面連續(xù)梁公路橋——萬江大橋,迄今我國已利用頂推法修建了50余座橋梁[2,5],但其中先有鋼管混凝土拱橋。頂推施工的最大特點(diǎn)是在施工過程中梁體截面的縱向位置不斷變化,因而截面的內(nèi)力也隨之不斷變化,截面經(jīng)過支點(diǎn)時(shí)要承受負(fù)彎矩,而經(jīng)過跨中區(qū)段時(shí)又要承受正彎矩。對于鋼管混凝土拱橋的頂推施工,以往經(jīng)驗(yàn)不足,因此,對鋼管混凝土拱橋頂推施工過程中主梁內(nèi)力以及變形的研究顯得尤為重要。

本文以石家莊市石環(huán)公路鋼管混凝土拱橋?yàn)楣こ瘫尘?借鑒現(xiàn)有的拱橋頂推施工控制方法,利用有限元分析軟件ANSYS建立了全橋模型,針對頂推過程中的各個(gè)工況,對鋼管混凝土拱橋頂推過程中主梁的內(nèi)力和變形進(jìn)行了分析,同時(shí)還對頂推臨時(shí)結(jié)構(gòu)導(dǎo)梁和臨時(shí)支墩進(jìn)行了計(jì)算,為鋼管混凝土拱橋的施工提供技術(shù)支持,必將有助于頂推法在鋼管混凝土拱橋施工中的廣泛應(yīng)用。

1 石環(huán)公路系桿拱橋頂推施工技術(shù)研究

1.1 工程概況

石環(huán)公路307國道東互通立交橋位于石家莊市裕華區(qū)小西帳村北,由南向北依次跨越307國道、石德鐵路良村車站、307國道復(fù)線、石津灌溉渠。主線主橋位于直線段,下部結(jié)構(gòu)采用群樁基礎(chǔ),橋墩為矩形等截面柱式墩;主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土系桿拱結(jié)構(gòu),采用剛性系梁、剛性拱,每道拱肋采用兩根鋼管拼成啞鈴形,材質(zhì)采用Q345D鋼,鋼管外徑120 cm,鋼管及腹板除拱肋預(yù)埋段壁厚為16 mm外,其余壁厚均為14 mm,內(nèi)填充C50微膨脹混凝土。主橋上部系桿拱結(jié)構(gòu)采用頂推法施工。

1.2 工程特點(diǎn)及施工策略研究

1.2.1 工程特點(diǎn)

1)鐵路安全要求高。石德鐵路為石家莊連接?xùn)|部地區(qū)的干線鐵路,行車密度大;施工過程中,必須確保石德鐵路運(yùn)營安全。2)主橋施工難度大。主橋采用102 m系桿拱結(jié)構(gòu),其拱肋采用直徑120 cm鋼管混凝土,系梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁,體積大、結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜;主梁采用頂推法施工橫跨鐵路,頂推距離遠(yuǎn)、頂推重量大、安全要求高。3)施工場地狹窄。系桿拱結(jié)構(gòu)施工時(shí),必須在石德鐵路上行線和相鄰到發(fā)線間、石德鐵路到發(fā)線和貨物線間布置臨時(shí)墩。石德鐵路上行線和相鄰到發(fā)線間間距僅7.55 m,行車限界以外可利用有效空間僅2.55 m,施工場地狹窄。4)施工交通困難。石德鐵路行車密度大,鐵路范圍內(nèi)臨時(shí)墩施工時(shí),人員、材料和機(jī)具的通行、運(yùn)輸必須橫穿鐵路,施工交通困難。

1.2.2 施工對策

根據(jù)上述工程特點(diǎn),制定了以下施工策略:1)對跨越鐵路的工程部位采取有效的安全技術(shù)措施;2)安排具有跨鐵路施工經(jīng)驗(yàn),且熟練掌握頂推施工工藝的施工隊(duì)伍進(jìn)行主橋施工;3)充分利用通往貨場的既有道路,盡量避免施工人員、機(jī)具、材料橫跨鐵路通行、運(yùn)輸。

2 石環(huán)系桿拱橋頂推施工過程仿真計(jì)算及分析

2.1 有限元模型的建立

本文采用ANSYS計(jì)算軟件進(jìn)行頂推過程仿真計(jì)算,根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性選取左半幅拱橋進(jìn)行有限元計(jì)算。在進(jìn)行有限元建模時(shí)采用桿系單元。系梁、拱肋、風(fēng)撐和剛臂采用Beam189單元,導(dǎo)梁采用Beam4單元,吊桿采用Link8單元。

2.2 頂推過程仿真計(jì)算結(jié)果分析

利用大型有限元軟件ANSYS對整個(gè)頂推過程按工況進(jìn)行了仿真計(jì)算,主要對頂推過程中主梁的彎矩和豎向撓度進(jìn)行分析。

2.2.1 彎矩分析

頂推施工階段主梁產(chǎn)生最大彎矩的情況有兩種,一種是主梁前端接近前方支點(diǎn)時(shí),即最大懸臂狀態(tài);另一種情況是主梁到達(dá)墩頂后,隨著梁體繼續(xù)向前推移,到達(dá)某一特定位置,主梁可能再次出現(xiàn)最大負(fù)彎矩值。

通過對本橋頂推施工過程的模擬計(jì)算,得到各工況下主梁的彎矩極值,繪制曲線如圖1所示,這里以梁上側(cè)受拉為正(下同);同時(shí)還得到對應(yīng)各工況下主梁不同截面的彎矩值,這里每隔5 m取一個(gè)控制截面,將其繪成曲線,得主梁彎矩包絡(luò)圖如圖2所示。

由圖2可知,主梁最大正彎矩發(fā)生在工況7且距端部25 m的截面處,因?yàn)楣r7距端部25 m處有3號(hào)支墩,且此時(shí)主梁達(dá)到最大懸臂25 m,因此,25 m截面出現(xiàn)彎矩尖角,彎矩達(dá)到最大值66 200 kN?m。同時(shí)工況 17處也出現(xiàn)了彎矩極值,此時(shí)主梁剛上4號(hào)a墩,主梁前端也出現(xiàn)了較大懸臂長度,為22.54 m,所以此工況出現(xiàn)了彎矩極值。

2.2.2 豎向撓度分析

由計(jì)算得到梁體各施工工況的豎向最大撓度值曲線如圖3所示。由圖3可知,主梁最大豎向撓度變化曲線與圖1最大彎矩變化曲線的變化趨勢是相同的,其最大豎向撓度也產(chǎn)生在工況7,因?yàn)榇藭r(shí)主梁前端出現(xiàn)最大懸臂,所以此時(shí)撓度出現(xiàn)最大值-92.64 mm,位置在主梁前端0截面處。

3 結(jié)語

利用有限元分析軟件ANSYS建立了全橋模型,針對頂推過程中的各個(gè)工況對鋼管混凝土拱橋頂推過程中主梁的內(nèi)力和變形進(jìn)行了分析,得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)針對頂推過程中主梁內(nèi)力和變形的計(jì)算分析,得到出現(xiàn)彎矩和撓度極大值的危險(xiǎn)工況為工況7和工況17,因此在施工過程中應(yīng)對這兩個(gè)工況予以特別關(guān)注;

2)在頂推過程中主梁前10 m～40 m的范圍為危險(xiǎn)截面范圍,應(yīng)加強(qiáng)檢測及采取措施以保證施工過程中結(jié)構(gòu)的安全;

3)通過對整個(gè)頂推過程中所得數(shù)據(jù)的定性分析,說明運(yùn)用本文的計(jì)算模型和程序?qū)︿摴芑炷凉皹蝽斖剖┕み^程進(jìn)行仿真計(jì)算是可行的,完全可以滿足施工技術(shù)的需要。

[1] 范立礎(chǔ).橋梁工程[M].第2版.北京:人民交通出版社,2002.

[2] 黃宏輝.大跨度斜連續(xù)梁橋頂推施工仿真計(jì)算程序設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)研究[D].長沙:長沙理工大學(xué),2005.

[3] Hewson Nigel,Hodgkinson Andrew.Incremental larnch of Brides Glen Bridge,Ireland[J].Concrete(London),2004,38(7):29-30.

[4] Malite Maximiliano,Takeya Toshiaki,Goncalves Roberto Martins,et al.Monitoring of the Parana River Bridge during larnching[J].Structural Engineering International:Journal of the International Association for Bridge and Structural Engineering(IABSE),2000,10(3):193-196.

[5] 張華平.混凝土斜連續(xù)梁橋頂推施工控制技術(shù)研究[D].長沙:長沙理工大學(xué),2005.