王文暉

（陜西建工鋼構(gòu)集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

頂推施工是一種操作簡單、穩(wěn)定性強(qiáng)、質(zhì)量控制效果好的橋梁施工方法，常被應(yīng)用于連續(xù)鋼箱梁橋施工項(xiàng)目中。為加強(qiáng)頂推施工環(huán)節(jié)橋梁結(jié)構(gòu)的受力安全保障，保證橋梁線形控制精度達(dá)標(biāo)，需深入頂推施工過程中采用有限元分析方法進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)受力分析，并通過控制拼裝線形提高線形精度，滿足設(shè)計(jì)要求。

1 鋼箱梁線形控制原理與方法

1.1 基本原理

通常鋼箱梁在設(shè)計(jì)、制造、安裝等階段可劃分出不同線形，如設(shè)計(jì)成橋線形為橋梁施工結(jié)束后所需達(dá)到的成橋狀態(tài)，包含預(yù)拱度；制造線形為無應(yīng)力狀態(tài)下橋梁呈現(xiàn)出的線形，包含預(yù)拱度；安裝線形為頂推施工拼裝各梁段過程中梁段端部連接構(gòu)成的線形，受拼接梁段差異性的影響，安裝線形在各點(diǎn)處不同時(shí)存在[1]。頂推線形主要以已完成拼接的梁段為基準(zhǔn)，指在頂推施工過程中拼接梁段在臨時(shí)墩支承力與自重作用下產(chǎn)生的線形。通常在鋼箱梁的制造環(huán)節(jié)，需依據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行各節(jié)段的劃分，針對(duì)單梁段依照直線制造，在相鄰梁段之間按折線連接形式生成制作線形，結(jié)合端點(diǎn)里程、標(biāo)高等參數(shù)進(jìn)行各梁段的定位，并且依據(jù)制作預(yù)拱度、設(shè)計(jì)成橋標(biāo)高進(jìn)行折線處高程的計(jì)算[2]。

1.2 線形控制方法

在鋼箱梁頂推施工環(huán)節(jié)，由于大跨度連續(xù)鋼箱梁的結(jié)構(gòu)體系較為復(fù)雜，受大跨度影響使得橋梁結(jié)構(gòu)的豎向剛度保持相對(duì)較低水平，易形成線形累積誤差，加之頂推施工過程中鋼箱梁結(jié)構(gòu)的幾何姿態(tài)處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確獲取到線形誤差數(shù)值，由此增大頂推施工過程中的線形安裝誤差[3]。基于逼近理論進(jìn)行頂推施工過程中的線形控制方法研究，選取里程、高程兩項(xiàng)指標(biāo)描述鋼箱梁的幾何形態(tài)，將梁段兩端控制點(diǎn)設(shè)為i，控制點(diǎn)的里程為Si、高程為Hi，將頂推施工環(huán)節(jié)成橋狀態(tài)設(shè)為、制造狀態(tài)設(shè)為、安裝狀態(tài)設(shè)為、頂推狀態(tài)設(shè)為位于梁段兩端部控制點(diǎn)的位置表示為Pi{Si，Hi}和Pi+1{Si+1，Hi+1}，成橋累計(jì)位移為fz，則其計(jì)算公式為：

結(jié)合頂推橋梁尾端控制點(diǎn)i 的末端傾角與無應(yīng)力狀態(tài)下梁段i+1、i 間的位置關(guān)系，將待拼梁段i+1 的空間狀態(tài)分別表示為PCi+1和PCi+2，將狀態(tài)傳遞矩陣設(shè)為Ti+1，將狀態(tài)修正矩陣記為由此建立下一段待拼裝梁段的線形狀態(tài)方程：

在頂推施工過程中，需綜合考量不同工況狀態(tài)下鋼箱梁的線形狀態(tài)，用于針對(duì)線形控制效果進(jìn)行評(píng)估。將線形狀態(tài)預(yù)測值記為，設(shè)現(xiàn)階段已完成n 個(gè)梁段的安裝，已知梁段尾端的線形狀態(tài)，將各節(jié)段受鋼箱梁自重、強(qiáng)迫位移影響產(chǎn)生的相對(duì)位移設(shè)為則可推出：

2 大跨連續(xù)鋼箱梁頂推施工線形控制的具體應(yīng)用

2.1 工程概況

以某大跨度連續(xù)鋼箱梁橋施工項(xiàng)目為例，該橋梁主跨長70m，孔跨布設(shè)為60.14m+70m+60.14m，橋梁全長為190.28m，采用滿堂支架拼裝，配合頂推法進(jìn)行施工（如圖1 所示）。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用連續(xù)鋼箱梁，鋼箱梁為單箱三室截面，下部結(jié)構(gòu)為橋墩、承臺(tái)及樁基礎(chǔ)。根據(jù)該橋梁的結(jié)構(gòu)特征與施工現(xiàn)場情況，沿縱向?qū)⒃摌蛄簞澐殖砷L度為3.5m、4.0m 和4.5m 的三種節(jié)段類型，為滿足橋梁結(jié)構(gòu)安裝與頂推施工需求，該工程選取變剛度導(dǎo)梁進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)布設(shè)，由根部向頂端呈逐步減小趨勢，在整段橋梁上設(shè)有1#、2#、3#臨時(shí)墩與拼裝支架。

圖1 橋型布置

2.2 頂推施工全過程控制

采用頂推施工法進(jìn)行鋼箱梁施工，其施工工序?yàn)轫斖破脚_(tái)→頂推臨時(shí)墩→工廠預(yù)制鋼箱梁、完成節(jié)段劃分→將鋼箱梁節(jié)段運(yùn)送至頂推平臺(tái)→依據(jù)線形要求進(jìn)行節(jié)段定位、拼裝與焊接→將焊接完成后的節(jié)段頂推到位。通過重復(fù)上述流程，即可完成所有鋼箱梁節(jié)段的頂推施工與拼接作業(yè)。在該項(xiàng)目中設(shè)有3 個(gè)臨時(shí)墩，沿橋向進(jìn)行頂推施工，在起始臨時(shí)墩上設(shè)有頂推平臺(tái)，借助臨時(shí)墩進(jìn)行平臺(tái)支撐，并選取鋼箱梁前端處設(shè)置鋼導(dǎo)梁，用于保證頂推施工過程中鋼箱梁結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性。

基于全過程控制理念將施工流程劃分為以下三個(gè)階段：①準(zhǔn)備階段，需完成設(shè)計(jì)圖紙、施工方案準(zhǔn)備，針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，做好施工過程參數(shù)敏感性分析，并判斷誤差因素對(duì)于施工控制結(jié)果的影響效應(yīng)，完成測量參數(shù)的選取、提取制造線形；②制造階段，需完成控制參數(shù)選取、方案制定，確定主梁節(jié)段無應(yīng)力線形以及控制容許誤差，做好關(guān)鍵構(gòu)件制造誤差評(píng)估；③架設(shè)階段，結(jié)合仿真分析與誤差評(píng)估結(jié)果進(jìn)行模型修正，結(jié)合數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行拼裝線形控制。

2.3 有限元分析

采用有限元軟件ANSYS 進(jìn)行施工全過程模擬分析，生成有限元離散圖，選用溫度桿模擬臨時(shí)墩的高差。觀察有限元分析結(jié)果可知，在頂推施工過程中該橋梁的1#、2#、3#臨時(shí)墩的最大支反力分別為9675kN、8144kN 和3647kN，導(dǎo)梁的最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力分別為84.8MPa 和-84.5MPa，鋼主梁的最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力分別為78.5MPa 和-85.2MPa，綜合上述計(jì)算結(jié)果可判斷橋梁結(jié)構(gòu)受力安全。待完成施工后，觀察主梁的恒載、活載撓度圖可知，其恒載、活載最大撓度分別為-45mm 和-32mm。

2.4 線形控制方法

線形控制的主要目標(biāo)是修正因溫度變化、制作工藝等因素，導(dǎo)致在鋼箱梁頂推過程中產(chǎn)生的線形誤差。結(jié)合有限元分析結(jié)果，將全過程控制理念應(yīng)用于線形控制中，圍繞制造和安裝兩個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行具體分析，其中制造線形主要由設(shè)計(jì)線形和預(yù)拱度兩項(xiàng)參數(shù)決定，預(yù)拱度為恒載變形反拱和活載變形反拱的二分之一相加之和，分別建立預(yù)拱度-恒載撓度-活載撓度與預(yù)拱度-設(shè)計(jì)線形-制造線形的比較曲線，從中可觀察到制造線形同比理論值的最大誤差不超過8mm。安裝線形控制主要指在拼裝平臺(tái)上進(jìn)行制造線形的還原，應(yīng)確保相鄰兩梁段的夾角保持恒定數(shù)值。在匹配梁段、已成梁段端部分別取1 點(diǎn)和2 點(diǎn)，將匹配梁段端部點(diǎn)位的高度設(shè)為h1，已成梁段靠近連接部位與另一端點(diǎn)位的高度分別為h2和h3，兩梁段的長度分別為L2和L1，則夾角α 的計(jì)算公式為：

在安裝梁段、已成梁段及相鄰梁段端部分別取1 點(diǎn)，將其分別設(shè)為HN、HN-1、HN-2，兩梁段長度分別為L2和L1，夾角為α，則梁段安裝線形的計(jì)算公式為：

考慮到溫度變化易對(duì)鋼箱梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，因此通常宜選取夜間溫差浮動(dòng)較小的時(shí)段開展各梁段匹配安裝，待完成頂推施工后進(jìn)行梁段線形的測評(píng)，并完成安裝線形的調(diào)整。在各截面選取直腹板與頂板連接部位設(shè)置2 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，待頂推施工到位后獲取各監(jiān)測點(diǎn)處的線形誤差，將誤差數(shù)值控制在2cm 內(nèi)，保證線形控制精度達(dá)標(biāo)。

2.5 關(guān)鍵截面應(yīng)力監(jiān)測

為加強(qiáng)頂推施工過程的安全保障，需針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵截面進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測，將獲取到的某一時(shí)刻的應(yīng)力值與預(yù)測值進(jìn)行比較，包括縱向應(yīng)力監(jiān)測值、頂推導(dǎo)梁以及臨時(shí)墩的應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果，判斷施工過程中相應(yīng)的橋梁結(jié)構(gòu)是否保持在安全范圍內(nèi)。針對(duì)該橋梁的主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測，選取5 個(gè)梁段中部位置布設(shè)應(yīng)力測點(diǎn)，并在各斷面頂?shù)装逄幏謩e進(jìn)行應(yīng)變傳感器的布設(shè)（如圖2 所示），測得橋梁結(jié)構(gòu)誤差符合設(shè)計(jì)要求。

圖2 主梁應(yīng)力傳感器布置

3 結(jié)論

本文針對(duì)大跨度鋼箱梁拼接頂推施工過程中的線形控制方法進(jìn)行總結(jié)，可通過測算匹配梁段與已成梁段間的方向角、測量控制點(diǎn)與零點(diǎn)的相對(duì)高差，完成鋼箱梁制造誤差的修正，借助支承千斤頂?shù)仍O(shè)備進(jìn)行誤差調(diào)平，即可使鋼箱梁結(jié)構(gòu)符合線形控制要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼箱梁頂推作業(yè)環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，提高定位線形精度。