王華 王龍林 梁茜雪 黃凱楠

摘要：目前橋梁建設(shè)正在向更高、更大跨徑的方向發(fā)展。為了解決由于跨度大、自重大引起的傳統(tǒng)頂推工藝中導(dǎo)梁前端撓度過大的問題，文章提出了一種采用臨時(shí)塔架和頂推施工相結(jié)合的施工工藝方法，并對(duì)該方法的可行性進(jìn)行了計(jì)算分析。結(jié)果表明，采用臨時(shí)塔架的大跨徑連續(xù)鋼箱梁橋頂推施工方法是可行的。

關(guān)鍵詞：大跨徑;臨時(shí)塔架;頂推施工;鋼箱梁

0 引言

隨著橋梁設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的新型橋梁結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)[1-2]，一些常規(guī)形式的橋梁也被設(shè)計(jì)得更高、跨徑更大，尤其是連續(xù)梁橋跨徑設(shè)計(jì)記錄被不斷刷新[3-4]。設(shè)計(jì)的創(chuàng)新往往會(huì)帶來施工難度的提升，傳統(tǒng)的施工工藝若不改進(jìn)將難以滿足設(shè)計(jì)的需求。頂推施工工藝由于具有施工技術(shù)簡(jiǎn)單、設(shè)備輕、不影響交通等優(yōu)勢(shì)，一經(jīng)提出就受到了很大的歡迎，特別是在大跨徑連續(xù)梁橋的建設(shè)中被廣泛采用[5]。然而，隨著跨徑的增大，采用常規(guī)的頂推施工工藝會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)梁前端撓度急劇增大的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響施工安全，已經(jīng)不能滿足工程的需要[6]。因此，對(duì)傳統(tǒng)的頂推施工工藝進(jìn)行改進(jìn)就顯得十分必要。

本文依托某大跨度、大自重連續(xù)組合鋼箱梁橋施工，針對(duì)傳統(tǒng)頂推施工會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)梁前端下?lián)蠂?yán)重的問題，提出了臨時(shí)塔架和頂推施工相結(jié)合的方法，并開展該新型結(jié)構(gòu)整體和局部分析計(jì)算，以此來驗(yàn)證該方法的可行性。

1 工程概況

某大橋主橋位于柳州市北部，總長(zhǎng)1.569km，設(shè)計(jì)時(shí)速為60km/h，雙線六車道+雙線軌道交通+慢行系統(tǒng)。主橋跨徑組成為96m+124m+3×130m+90m（如圖1所示），上部結(jié)構(gòu)為等高連續(xù)組合鋼箱梁，橫截面為雙箱單室結(jié)構(gòu)，梁高6.5m，鋼箱梁頂板全寬46.6～48.6m，底板為2×13.61m，挑臂長(zhǎng)5.62m（如下頁圖2所示）。斷面采用槽形布置，橋面系中橋面板采用工廠預(yù)制現(xiàn)場(chǎng)安裝。下部結(jié)構(gòu)采用箱型墩型式，其中中墩承臺(tái)為圓端形，在河中段采用高樁承臺(tái)，邊墩承臺(tái)為矩形。

擬在西岸側(cè)進(jìn)行主梁節(jié)段拼裝，采用步履式頂推施工工藝，進(jìn)行主梁架設(shè)安裝。頂推步長(zhǎng)單個(gè)循環(huán)最大為4m，各主墩之間不設(shè)過渡墩。通過參考國內(nèi)外類似工程發(fā)現(xiàn)，本次頂推施工具有箱梁自重大以及頂推過程最大懸臂長(zhǎng)度大的特點(diǎn)。這兩個(gè)特點(diǎn)使得若按常規(guī)頂推方案進(jìn)行施工就會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)梁前端撓度過大，同時(shí)過大的變形會(huì)使得支撐處部分脫空，從而引起箱梁前端支座處局部受力增大。為了解決這些問題，本次施工提出了通過臨時(shí)塔架斜拉扣掛方式改善頂推過程中鋼箱梁的內(nèi)力分布的方案。

2 采用臨時(shí)塔架的大跨徑連續(xù)鋼箱梁橋頂推施工方法

臨時(shí)塔架設(shè)置如圖3所示，臨時(shí)塔架布置在距導(dǎo)梁前端132.76m處，塔架共設(shè)3層拉索，橫向在鋼箱梁橫斷面的4道腹板處均設(shè)置拉索，上層、中層、下層拉索間距均為2m。臨時(shí)塔架底部與鋼箱梁的4道腹板通過固結(jié)的方式連接。塔架采用630mm×12mm的鋼管立柱作為主要受力構(gòu)件，橫聯(lián)采用630mm×12mm鋼管。

若無臨時(shí)塔架支撐，橋墩1和橋墩2之間的導(dǎo)梁和主梁自重將完全分布在該跨，隨著頂推過程中懸臂長(zhǎng)度的增加，撓度將急劇增加，而當(dāng)增加臨時(shí)塔架后，塔架會(huì)將這部分重力傳遞到塔架上，最終通過塔架傳遞到主梁和塔架連接處的主梁上。由于塔架離橋墩更近，這部分力不會(huì)使主梁產(chǎn)生較大的變形，從而減小頂推過程中導(dǎo)梁前端撓度。采用臨時(shí)塔架能夠減小導(dǎo)梁前端撓度的根本原因是塔架將主梁的重力進(jìn)行了重分布。

但是，由于臨時(shí)塔架設(shè)置在主梁上，其傳遞的力仍然會(huì)施加到主梁上，其在減小主梁一部分內(nèi)力的同時(shí)也會(huì)增加其他部分的內(nèi)力。因此，不僅需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體計(jì)算，還需要對(duì)導(dǎo)梁和主梁連接處以及臨時(shí)塔架和主梁連接處等位置進(jìn)行局部驗(yàn)算。

3 模型建立

3.1 桿系模型

整體優(yōu)化計(jì)算采用桿系有限元計(jì)算軟件MidasCivil進(jìn)行分析，采用“墩動(dòng)梁不動(dòng)”的方式模擬頂推過程。即假定梁體位置不變，每頂推一次，變換邊界條件和支座信息一次。建模及施工工況考慮如下：

（1）梁體與頂推設(shè)備支撐位置間采用僅受壓彈性連接，模擬可能出現(xiàn)的脫空現(xiàn)象;

（2）考慮設(shè)計(jì)預(yù)拱度對(duì)底板線形的影響，且按單縱坡進(jìn)行頂推施工計(jì)算;

（3）以4m一個(gè)工況進(jìn)行模擬，以頂推行程4m為一個(gè)計(jì)算工況;

（4）導(dǎo)梁、臨時(shí)塔架采用整體剛度等效原則進(jìn)行模擬。

全橋有限元模型如圖4所示，其中主梁和塔架采用梁?jiǎn)卧M（共801個(gè)單元），拉索采用只受拉桿單元模擬（共6個(gè)單元），共劃分為198個(gè)施工階段。

3.2 殼體模型

局部殼體模型采用ABAQUS軟件模擬，其中主梁采用S4R（4節(jié)點(diǎn)減縮積分）單元，臨時(shí)塔架采用桁架單元。其中，支座處鋼箱梁局部受力模型如圖5（a）所示，塔底與主梁連接處受力模型如圖5（b）所示。

其中桿系有限元模型主要用于整體分析，殼體模型主要用于局部分析計(jì)算。

4 整體優(yōu)化計(jì)算

4.1 索力確定

在頂推過程中，隨著懸臂長(zhǎng)度的增加，拉索受力是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，一旦索力變化超出預(yù)期就會(huì)引起危險(xiǎn)，因此需要確定出不同施工階段下合適的索力值，保證結(jié)構(gòu)撓度和局部受力在合理的范圍內(nèi)。同時(shí)，索力的確定也是結(jié)構(gòu)整體和局部分析的前提。

本著簡(jiǎn)化施工流程的宗旨，減少施工過程中調(diào)索次數(shù)，本工程在鋼箱梁頂推施工過程中，對(duì)拉索一次張拉到位，后續(xù)頂推階段不進(jìn)行索力調(diào)整，索力施加選擇在第三次拼接梁段后進(jìn)行，松索選擇在第十六次拼接梁段后。臨時(shí)塔架索力張拉計(jì)算結(jié)果如表1所示。

為了保證不同施工階段下索力在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)，計(jì)算出不同工況下的索力值，如圖6所示。

由圖6可知，索力最大值為3552.1kN，本項(xiàng)目單幅單側(cè)采用16根15.24mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線，兩側(cè)合計(jì)為32根，則安全系數(shù)k為：

根據(jù)《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/TD65-01-2007）對(duì)施工狀態(tài)斜拉索安全系數(shù)≥2的規(guī)定，本次索力計(jì)算滿足規(guī)范要求。

4.2 導(dǎo)梁前端撓度閾值確定

在頂推施工過程中導(dǎo)梁前端撓度控制是十分重要的工作，其大小直接影響整體穩(wěn)定性和局部安全性。導(dǎo)梁前端撓度過大會(huì)引起尾端翹起，使得本來與橋墩接觸的主梁會(huì)產(chǎn)生脫空，此時(shí)與橋墩接觸的主梁局部受力較大。雖然通過增大索力可以明顯減小最大撓度值，但是隨著索力的增加，臨時(shí)塔架處主梁的局部應(yīng)力會(huì)急劇增加。因此，如何找到撓度的控制閾值就顯得十分重要。

建立頂推過程中最大懸臂狀態(tài)下的有限元模型，在最大懸臂狀態(tài)下，分別計(jì)算不同索力下導(dǎo)梁前端撓度、滑道與鋼箱梁接觸區(qū)域的最大應(yīng)力以及接觸面積的變化，如圖7所示。

通過圖7可知，導(dǎo)梁前端撓度增大時(shí)，滑道與鋼箱梁的接觸面積呈下降趨勢(shì)，最大應(yīng)力則逐漸增加。當(dāng)撓度達(dá)到55.6cm時(shí)，最大應(yīng)力>200MPa，之后應(yīng)力隨撓度的增加急劇增加。綜合主梁材料特性，從而確定出導(dǎo)梁前端撓度閾值為55.6cm。

4.3 抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算

結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)K0計(jì)算如下：

以轉(zhuǎn)動(dòng)支座為分割點(diǎn)，將梁段分割為前后兩部分，分別構(gòu)造兩座簡(jiǎn)支梁模型（如圖8～9所示），模型中僅考慮已拼接梁段鋼箱梁恒載作用（不考慮拉索索力、塔架的有利影響），并分別求出支座反力（如下頁表2所示）。

以導(dǎo)梁前端推至最大懸臂狀態(tài)為最不利工況進(jìn)行傾覆驗(yàn)算。首先，通過有限元模型得到該工況下的支反力，計(jì)算結(jié)果如下：

因此抗傾覆穩(wěn)定性滿足要求。

5 局部計(jì)算及分析

5.1 塔底應(yīng)力分析

通過對(duì)整個(gè)頂推過程的整體模擬，得到塔架最大豎向軸力和彎矩分別為11400kN和24000kN·m，將該力以均布力的形式加載在塔架頂部，如圖10所示。

通過計(jì)算，得到塔架底部應(yīng)力云圖如圖11所示，可知塔架底部最大應(yīng)力為208MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

5.2 主梁應(yīng)力分析

建立主梁節(jié)段有限元模型如圖12所示，模型長(zhǎng)度為36m，箱梁下部結(jié)構(gòu)含腹板、底板、肋板、橫隔板，滑道和梁端之間采用表面-表面接觸的剛性約束控制（含摩擦），邊界采用兩端簡(jiǎn)支約束，在跨中處通過工字鋼（滑道）施加荷載。

計(jì)算過程中，分別考慮A、B、C1和C2梁段分別過墩4種工況。各工況下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表2所示。由表2可知，各梁段均在橫隔板處出現(xiàn)了較大的應(yīng)力值（345MPa）。

為了保證施工安全需要，在該截面附近采取局部加強(qiáng)措施。以C2梁段為例進(jìn)行加固，具體措施為：橫隔板兩側(cè)各添加4塊尺寸為350mm×350mm，厚度為40mm的三角鋼板，間距為100mm，其次在橫隔板豎向增加兩塊尺寸為600mm×300mm，厚度為16mm的肋板（如圖13所示）。

加固后的橫隔板和底板應(yīng)力云圖如圖14～15所示，橫隔板的最大應(yīng)力由345MPa減小到211.4MPa，底板由251.5MPa減小到244.6MPa，加固后的應(yīng)力滿足試驗(yàn)要求。

6 結(jié)語

本文針對(duì)大跨度、大自重鋼箱梁在傳統(tǒng)頂推施工導(dǎo)梁前端下?lián)蠂?yán)重的問題，提出了采用臨時(shí)塔架和頂推施工相結(jié)合的方法，并對(duì)該方法的可行性進(jìn)行了計(jì)算分析：（1）分別建立了結(jié)構(gòu)的桿系模型和殼體模型;（2）通過桿系模型對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體優(yōu)化計(jì)算，包含索力的確定、導(dǎo)梁前端撓度閾值的確定以及整體抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算;（3）通過殼體模型對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了局部受力分析，包含塔底應(yīng)力和主梁支點(diǎn)附近應(yīng)力分析。通過分析結(jié)果表明，采用臨時(shí)塔架的大跨徑連續(xù)鋼箱梁橋頂推施工方法是可行的。

參考文獻(xiàn)：

[1]范立礎(chǔ).預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋[M].北京：人民交通出版社，1988.

[2]雷俊卿.橋梁懸臂施工與設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社，2000.

[3]劉建瑞.大跨徑連續(xù)鋼構(gòu)橋施工控制[D].武漢：華中科技大學(xué)，2006.

[4]李 堅(jiān).我國預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的發(fā)展與工程實(shí)踐[J].城市道橋與防洪，2001（1）：21-26，1.

[5]夏學(xué)軍.寬幅鋼箱梁大跨高位頂推施工關(guān)鍵技術(shù)[J].世界橋梁，2019（3）：15-19.

[6]鄧 旭，劉志軒.連續(xù)鋼桁梁頂推架設(shè)施工過程中的安全控制分析[J].安徽建筑，2019（5）：99-100.