收稿日期：2024-03-26

作者簡介：趙哲（1991—），男，碩士研究生，工程師，研究方向：橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計。

摘要 江西省宜豐縣工業(yè)園至火車站公路跨武吉高速立交橋上跨武吉高速時，采用60 m簡支橫向三拱肋下承式鋼箱系桿拱橋，結(jié)合地形條件及橋下高速保通需求，需采用頂推施工工藝，文章主要對簡支鋼箱系桿拱橋整體頂推施工全過程進(jìn)行研究分析。研究結(jié)果表明，簡支鋼箱系桿拱橋各構(gòu)件受力及變形均滿足相關(guān)規(guī)范要求。計算分析過程及結(jié)論，也可為施工單位提供吊桿張拉索力控制的方法，對實際施工控制能夠提供很好的技術(shù)指導(dǎo)，對類似工程的施工控制研究有重要的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞 簡支鋼箱系桿拱橋；跨高速；頂推施工；施工控制；吊桿索力

中圖分類號 U442.52 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 B文章編號 2096-8949（2024）11-0168-03

0 引言

簡支鋼箱系桿拱橋具有較好的結(jié)構(gòu)剛度和承載能力，是大跨度橋梁主要采用的橋型之一，比較適用于橋下空間受限、需要降低梁高的合理結(jié)構(gòu)形式。簡支鋼箱系桿拱橋比較常用的施工方法主要包括轉(zhuǎn)體施工法、索吊裝懸拼拼裝法、頂推施工法、分段支架安裝法等。對于涉河地區(qū)常采用“先梁后拱”的施工方法較多。對于橋下無法設(shè)置支架，有環(huán)保需求的涉河地區(qū)考慮采用先吊索懸拼拱肋、后安裝吊桿拼裝橋面系的施工方法，對于上跨有保通要求高的道路地區(qū)，可考慮采用先將梁、拱、吊桿拼裝完成整體后，頂推施工跨越橋下道路。

在鋼箱系桿拱橋整體頂推施工過程中，主縱梁底千斤頂位置的支撐情況相對于縱梁的位置不斷發(fā)生改變，全橋結(jié)構(gòu)受力情況也不斷改變，成橋階段結(jié)構(gòu)受力情況與施工階段有較大區(qū)別，吊桿索力控制也是頂推施工過程中較大難點，一旦吊桿索力控制不當(dāng)，容易造成成橋階段吊桿索力與設(shè)計索力偏差較大，成橋受力狀態(tài)會有偏差，因此，需對簡支鋼箱系桿拱橋全橋頂推施工過程進(jìn)行受力計算分析。

該文以單跨60 m鋼箱系桿拱橋為例，對簡支鋼箱系桿拱橋整體頂推施工全過程進(jìn)行受力分析，主要分析了頂推施工過程中，主橋結(jié)構(gòu)受力特點與吊桿索力變化的特點，其分析結(jié)論為該簡支鋼箱系桿拱橋的頂推施工控制提供理論依據(jù)，對類似工程的施工控制研究有重要的現(xiàn)實意義。

1 項目概況

跨武吉高速立交橋上跨武吉高速，為橋下高速公路保通需求，采用60 m簡支下承式鋼箱系桿拱橋，橋面寬29 m，橋面布置機動車道雙向四車道，兩側(cè)無非機動車道及人行道。該橋橫橋向布置三片鋼拱肋，拱肋采用全鋼箱型截面，縱橫梁均為鋼結(jié)構(gòu)，橋面板采用帶有鋼底板的鋼混組合橋面板，混凝土橋面板采用現(xiàn)澆形式，拱腳節(jié)點為全鋼結(jié)構(gòu)。該橋結(jié)構(gòu)受力簡潔，造型優(yōu)美，其橋型布置如圖1所示。

圖1 鋼系桿拱橋總體斷面圖（cm）

跨武吉高速立交橋主拱結(jié)構(gòu)為豎直式鋼箱拱，主拱矢跨比采用1/4.29，結(jié)合受力需要，最優(yōu)拱軸線采用二次拋物線?？紤]吊桿張拉空間及箱內(nèi)檢修需求，鋼拱肋截面尺寸采用高2.0 m×寬1.5 m。橫橋向設(shè)置三片拱肋，拱肋之間通過3道鋼箱橫撐連接，風(fēng)撐尺寸采用高1.22 m×寬1.6 m，鋼材均采用Q345qD。主梁由主縱梁、橫梁、次縱梁及橋面系組成。全橋在相應(yīng)拱肋處共設(shè)置三片箱形斷面主縱梁，中心間距13.75 m，邊主縱梁高1.6 m，中主縱梁高1.825 m。端橫梁采用箱形斷面，箱寬2.55 m，梁高1.6～1.825 m；中橫梁采用工字型斷面，順橋向間距3 m，梁寬0.4 m，梁高1.6～1.825 m。橫橋向每兩個拱肋之間布置1道工字型次縱梁，梁高1.713 m，主要方便鋼混組合橋面板鋼地板搭接。橋面板采用鋼—混凝土組合橋面板，設(shè)置8 mm厚鋼底板；現(xiàn)澆混凝土橋面板厚20 cm，在與縱、橫梁連接處設(shè)置加厚梗腋，梗腋高度為10 cm。全橋共設(shè)置27對雙吊桿，單個吊桿采用縱橋向雙吊桿，雙吊桿縱橋向間距為0.5 m，吊桿類型采用鋼絞線整束擠壓型吊桿，吊桿縱橋向間距為6 m，橫橋向間距為2×13.75 m。邊拱肋處吊桿規(guī)格為15-6，中拱肋處吊桿規(guī)格為15-12。吊桿均采用鋼錨箱錨固于拱肋與主縱梁鋼箱內(nèi)。吊桿錨頭特別是短吊桿采用球形支座。整束擠壓型吊桿鋼絞線的抗拉強度為1 860 MPa，吊桿防腐措施采用環(huán)氧涂層及內(nèi)外兩層HDPE雙護(hù)套，耐久性較好。

2 整體頂推施工過程

結(jié)合現(xiàn)場條件及武吉高速保通需求，該橋施工方案采用頂推法，拱肋、縱梁、橫梁先在小樁號側(cè)路基上進(jìn)行安裝完成，整體頂推過武吉高速。

2.1 頂推導(dǎo)梁方案

為能夠有效控制鋼拱肋、鋼主梁、吊桿等構(gòu)件在頂推過程中的受力及整體穩(wěn)定狀況，結(jié)合橋下高速寬度及支架布置情況，梁拱前端設(shè)置了30 m長的頂推鋼導(dǎo)梁[1]。導(dǎo)梁與主縱梁在橫橋向?qū)?yīng)布置[2]，共設(shè)置三片，導(dǎo)梁之間設(shè)置控制導(dǎo)梁穩(wěn)定的橫向連接系統(tǒng)。

2.2 臨時撐桿設(shè)置方案

為減少頂推過程中的施工難度，使吊桿受力更為直接，并改善鋼拱肋、主縱梁等結(jié)構(gòu)的整體受力，拱肋與縱梁之間不設(shè)置臨時撐桿，方便施工，加快施工進(jìn)度，以減少對橋下高速公路的影響。

2.3 吊桿張拉控制

2.3.1 吊桿成橋索力求解

對于簡支鋼箱系桿拱橋，對應(yīng)特定恒載分布模式的合理拱軸線，常用的合理拱軸線線型有懸鏈線、拋物線等。該橋的橋面系及拱肋結(jié)構(gòu)自重沿跨度方向大致相等，經(jīng)多方面計算分析，該橋簡支鋼箱系桿拱橋合理拱軸線為二次拋物線。對于斜拉橋索力優(yōu)化的問題，國內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了較多研究，可以總結(jié)為4種類型：①斜拉橋索力優(yōu)化的影響矩陣法。②剛性支撐連續(xù)梁法和零位移法，這種類型主要是指定受力或位移的索力優(yōu)化方式。③用索量最小法，這種類型主要是有約束的索力優(yōu)化方式。④彎矩平方和最小法和彎曲能量最小法，這種類型主要是無約束的索力優(yōu)化方式等。簡支鋼箱系桿拱橋成橋索力求解可參考斜拉橋[3]。

2.3.2 吊桿索力控制方案

吊桿張拉控制依據(jù)結(jié)構(gòu)特點，為提高吊桿索力控制精度及效率，該橋采用無應(yīng)力狀態(tài)法進(jìn)行。另外，該簡支系桿拱橋跨徑不大，梁拱組合體系的整體剛度較大，而且吊桿無應(yīng)力長度在成橋狀態(tài)下為常量，和施工過程無關(guān)，在梁、拱、吊桿在支架上安裝后，整體頂推之前，對主梁采用二次拋物線進(jìn)行向上預(yù)拋，預(yù)拋值需要通過正裝迭代計算求得，最終頂推完成，拆除橋下支架，澆筑橋面現(xiàn)澆混凝土，安裝二期荷載后的成橋狀態(tài)正好為設(shè)計成橋狀態(tài)，整個吊桿張拉控制過程中，只需要對吊桿一次調(diào)整，控制極為方便[4]。

2.3.3 吊桿索力控制原理

成橋狀態(tài)與施工過程無關(guān)，僅需求出吊桿無應(yīng)力長度。在簡支鋼箱系桿拱橋中，通過張拉吊桿，可使主縱梁（系桿）和拱肋協(xié)調(diào)變形并協(xié)同工作，同時形成一個依靠拱、梁、吊桿組成具有整體剛度的梁拱組合體系以承擔(dān)恒載和活載，因此，吊桿的張拉可以理解成對簡支鋼箱系桿拱橋施加內(nèi)部預(yù)應(yīng)力的形式。

根據(jù)以往研究成果，對張拉預(yù)應(yīng)力的理解方式一般是從“施加力”的角度來分析研究的，很明顯，吊桿的張拉通常理解為在吊桿兩端的錨固位置對簡支鋼箱系桿拱橋施加一組相互作用外力的過程。所以目前常用的吊桿索力張拉控制的分析方法一般將吊桿的索力作為未知量，這類分析方法在工程應(yīng)用中受到一定的限制。

研究表明，吊桿張拉也可以從“變形”的方向進(jìn)行分析，吊桿張拉同時可以理解為將具有“比成橋階段吊桿長度有所剪短”的吊索通過張拉千斤頂協(xié)同拱肋、系桿、吊桿變形就位的過程，所以吊桿張拉的另外一種表達(dá)方式是吊索的“初始缺陷長度”，即求解吊桿的無應(yīng)力長度。具體表達(dá)如圖2所示。

圖2 初始缺陷長度示意圖

2.3.4 吊桿無應(yīng)力長度的求解過程

方法一：利用有限元軟件ANSYS建立全橋模型，采用降溫迭代法可得到最終的吊桿無應(yīng)力長度。

方法二：在Midas Civil軟件分析過程中，可以采用吊桿縮短的方法模擬吊桿的張拉，吊桿縮短量T即為吊桿的初始缺陷長度Dt，因此初始缺陷迭代法可在Midas Civil中實現(xiàn)。具體過程如下：

設(shè)Ft為吊桿索力設(shè)計值向量，T為吊桿縮短值向量。

（1）設(shè)i代表迭代進(jìn)行的循環(huán)次數(shù)，初始令i=1，令吊桿初始的縮短量Ti=0，將此縮短量賦給各吊桿，對結(jié)構(gòu)模型求解，在模型中提取吊桿索力F0t。

（2）如前所述，吊桿縮短使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，故得到的索力Fit達(dá)不到索力設(shè)計值Ft，此時需對Ti進(jìn)行修正，令：Ti+1=Ti+βΔT，ΔT=Ft?Fit，其中，β為加速系數(shù)，適當(dāng)?shù)倪x取β值，可以有效加速迭代過程。

（3）將吊桿縮短量賦予各吊桿，對結(jié)構(gòu)模型求解，在模型中提取吊桿索力，令：，若ε小于設(shè)定的容差[ε]，則迭代終止，即為所求吊桿縮短量；反之，令i=i+1，回到第（2）步，進(jìn)入下輪迭代直至收斂[5]。

2.4 頂推施工過程

全橋整體施工工序如下所示。

步驟一：拱肋、縱梁、橫梁等鋼構(gòu)件可在工廠分節(jié)段加工制作，在現(xiàn)場小樁號側(cè)路基上搭支架拼裝成整體，考慮吊桿無應(yīng)力長度，將主縱梁向上預(yù)拋，安裝吊桿，使吊桿處于無應(yīng)力狀態(tài)，安裝頂推導(dǎo)梁。

步驟二：在正式頂推前，進(jìn)行頂推設(shè)備向前試頂推五個行程左右（距離約5 m），頂推后檢查頂推設(shè)備有無故障、鋼梁有無變形等工作，沒有問題后正式頂推。

步驟三：對主橋進(jìn)行持續(xù)頂推，頂推過程中根據(jù)監(jiān)控指令監(jiān)測拱肋、縱梁部門應(yīng)力應(yīng)變情況，并持續(xù)頂推至設(shè)計橋位，拆除橋下頂推支架和梁拱前端導(dǎo)梁，此時觀測拱肋、吊桿、縱梁是否協(xié)同變形到設(shè)計要求，保證達(dá)到設(shè)計狀態(tài)，再進(jìn)行下一步驟工作。

步驟四：現(xiàn)場澆筑混凝土橋面板，檢測并調(diào)整吊桿的張拉力到理論值，調(diào)整橋面線形，安裝橋面鋪裝、防撞欄桿等附屬結(jié)構(gòu)，進(jìn)行荷載試驗，全橋竣工。

3 整體頂推施工計算

3.1 計算模型

計算采用Midas Civil 2022有限元程序來建立空間有限元模型。主梁、主拱、風(fēng)撐、導(dǎo)梁及臨時撐桿均采用梁單元模擬，橋面板采用板單元模擬。計算所采用的有限元模型如圖3所示。

3.2 邊界條件

任意頂推階段計算模型的邊界條件根據(jù)結(jié)構(gòu)實際情況進(jìn)行模擬，同時，模擬路側(cè)頂推平臺支架的支撐剛度，以保證吊桿受力的準(zhǔn)確性。

3.3 計算荷載

計算荷載包括結(jié)構(gòu)恒載和風(fēng)荷載。恒荷載包括拱肋、主梁鋼結(jié)構(gòu)、導(dǎo)梁、拱梁間臨時撐桿等重量，按照實際分布施加于模型。風(fēng)荷載按20年重現(xiàn)期風(fēng)速計算。

3.4 施工過程

頂推計算基本步長取為2 m，整個頂推過程共分為40個施工階段?？紤]了拱、梁組合結(jié)構(gòu)從開始頂推到頂推到位的全部過程。

3.5 頂推計算結(jié)果

由上述計算結(jié)果可知，整個頂推過程中全橋拱肋、主梁、橫梁、導(dǎo)梁及臨時撐桿應(yīng)力值的最大應(yīng)力值為69.2 MPa，具體結(jié)果如圖 4 所示，均小于規(guī)范要求，最大豎向位移為 84 mm，且頂推過程中，支撐均沒有出現(xiàn)負(fù)反力，吊桿力均在安全系數(shù)以內(nèi)，故此頂推方案是可行的。

圖3 頂推計算有限元模型

4 結(jié)語

該文以60 m簡支鋼箱下承式鋼箱系桿拱橋為例，利用商業(yè)有限元分析軟件Midas Civil建立全過程頂推施工的全橋有限元模型，并對頂推全過程中的全橋各主要構(gòu)件進(jìn)行了受力計算分析。計算結(jié)果表明，主橋各構(gòu)件受力均滿足規(guī)范要求，結(jié)合該簡支鋼箱系桿拱橋的受力特點，提出了吊桿張拉控制指導(dǎo)意見，為施工單位提供了施工過程中結(jié)構(gòu)控制的設(shè)計依據(jù)。計算結(jié)果對簡支鋼箱系桿拱橋的施工控制能夠起到很好的指導(dǎo)作用，特別是對跨高速公路橋的頂推施工工藝，有一定的推廣價值。

參考文獻(xiàn)

[1]趙人達(dá)， 張雙陽. 橋梁頂推法施工研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 中國公路學(xué)報， 2016（2）： 32-43.

[2]陳輝， 鄒小潔. 大跨度鋼系桿拱橋整體頂推施工過程分析[J]. 上海公路， 2022（2）： 73-77.

[3]萬志勇， 馬玉全， 孫向東， 等. 大跨度多拱肋連續(xù)鋼箱拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析[J]. 公路， 2018（7）： 176-179.

[4]劉承啟. 三拱肋下承式鋼拱橋頂推施工關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)， 2015.

[5]中華人民共和國交通運輸部. 公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范： JTG D64—2015[S]. 北京：人民交通出版社股份有限公司， 2015.