基于臨時塔架的頂推施工工藝分析

王華 王龍林 梁茜雪 黃凱楠

摘要：目前橋梁建設正在向更高、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)頂推工藝中導梁前端撓度過大的問題，文章提出了一種采用臨時塔架和頂推施工相結(jié)合的施工工藝方法，并對該方法的可行性進行了計算分析。結(jié)果表明，采用臨時塔架的大跨徑連續(xù)鋼箱梁橋頂推施工方法是可行的。

關鍵詞：大跨徑;臨時塔架;頂推施工;鋼箱梁

0 引言

隨著橋梁設計技術的不斷發(fā)展，越來越多的新型橋梁結(jié)構被設計[1-2]，一些常規(guī)形式的橋梁也被設計得更高、跨徑更大，尤其是連續(xù)梁橋跨徑設計記錄被不斷刷新[3-4]。設計的創(chuàng)新往往會帶來施工難度的提升，傳統(tǒng)的施工工藝若不改進將難以滿足設計的需求。頂推施工工藝由于具有施工技術簡單、設備輕、不影響交通等優(yōu)勢，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)的頂推施工工藝會出現(xiàn)導梁前端撓度急劇增大的現(xiàn)象，嚴重影響施工安全，已經(jīng)不能滿足工程的需要[6]。因此，對傳統(tǒng)的頂推施工工藝進行改進就顯得十分必要。

本文依托某大跨度、大自重連續(xù)組合鋼箱梁橋施工，針對傳統(tǒng)頂推施工會產(chǎn)生導梁前端下?lián)蠂乐氐膯栴}，提出了臨時塔架和頂推施工相結(jié)合的方法，并開展該新型結(jié)構整體和局部分析計算，以此來驗證該方法的可行性。

1 工程概況

某大橋主橋位于柳州市北部，總長1.569km，設計時速為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)構為等高連續(xù)組合鋼箱梁，橫截面為雙箱單室結(jié)構，梁高6.5m，鋼箱梁頂板全寬46.6～48.6m，底板為2×13.61m，挑臂長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制現(xiàn)場安裝。下部結(jié)構采用箱型墩型式，其中中墩承臺為圓端形，在河中段采用高樁承臺，邊墩承臺為矩形。

擬在西岸側(cè)進行主梁節(jié)段拼裝，采用步履式頂推施工工藝，進行主梁架設安裝。頂推步長單個循環(huán)最大為4m，各主墩之間不設過渡墩。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度大的特點。這兩個特點使得若按常規(guī)頂推方案進行施工就會導致導梁前端撓度過大，同時過大的變形會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 采用臨時塔架的大跨徑連續(xù)鋼箱梁橋頂推施工方法

臨時塔架設置如圖3所示，臨時塔架布置在距導梁前端132.76m處，塔架共設3層拉索，橫向在鋼箱梁橫斷面的4道腹板處均設置拉索，上層、中層、下層拉索間距均為2m。臨時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件，橫聯(lián)采用630mm×12mm鋼管。

若無臨時塔架支撐，橋墩1和橋墩2之間的導梁和主梁自重將完全分布在該跨，隨著頂推過程中懸臂長度的增加，撓度將急劇增加，而當增加臨時塔架后，塔架會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，這部分力不會使主梁產(chǎn)生較大的變形，從而減小頂推過程中導梁前端撓度。采用臨時塔架能夠減小導梁前端撓度的根本原因是塔架將主梁的重力進行了重分布。

但是，由于臨時塔架設置在主梁上，其傳遞的力仍然會施加到主梁上，其在減小主梁一部分內(nèi)力的同時也會增加其他部分的內(nèi)力。因此，不僅需要對結(jié)構進行整體計算，還需要對導梁和主梁連接處以及臨時塔架和主梁連接處等位置進行局部驗算。

3 模型建立

3.1 桿系模型

整體優(yōu)化計算采用桿系有限元計算軟件MidasCivil進行分析，采用“墩動梁不動”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）考慮設計預拱度對底板線形的影響，且按單縱坡進行頂推施工計算;

（3）以4m一個工況進行模擬，以頂推行程4m為一個計算工況;

（4）導梁、臨時塔架采用整體剛度等效原則進行模擬。

全橋有限元模型如圖4所示，其中主梁和塔架采用梁單元模擬（共801個單元），拉索采用只受拉桿單元模擬（共6個單元），共劃分為198個施工階段。

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)點減縮積分）單元，臨時塔架采用桁架單元。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算。

4 整體優(yōu)化計算

4.1 索力確定

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

本著簡化施工流程的宗旨，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，對拉索一次張拉到位，后續(xù)頂推階段不進行索力調(diào)整，索力施加選擇在第三次拼接梁段后進行，松索選擇在第十六次拼接梁段后。臨時塔架索力張拉計算結(jié)果如表1所示。

為了保證不同施工階段下索力在設計允許的范圍內(nèi)，計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，本項目單幅單側(cè)采用16根15.24mm預應力鋼絞線，兩側(cè)合計為32根，則安全系數(shù)k為：

根據(jù)《公路斜拉橋設計細則》（JTG/TD65-01-2007）對施工狀態(tài)斜拉索安全系數(shù)≥2的規(guī)定，本次索力計算滿足規(guī)范要求。

4.2 導梁前端撓度閾值確定

在頂推施工過程中導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。導梁前端撓度過大會引起尾端翹起，使得本來與橋墩接觸的主梁會產(chǎn)生脫空，此時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，臨時塔架處主梁的局部應力會急劇增加。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，分別計算不同索力下導梁前端撓度、滑道與鋼箱梁接觸區(qū)域的最大應力以及接觸面積的變化，如圖7所示。

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

4.3 抗傾覆穩(wěn)定性計算

結(jié)構抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)K0計算如下：

以轉(zhuǎn)動支座為分割點，將梁段分割為前后兩部分，分別構造兩座簡支梁模型（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）。

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

因此抗傾覆穩(wěn)定性滿足要求。

5 局部計算及分析

5.1 塔底應力分析

通過對整個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。

通過計算，得到塔架底部應力云圖如圖11所示，可知塔架底部最大應力為208MPa，滿足設計要求。

5.2 主梁應力分析

建立主梁節(jié)段有限元模型如圖12所示，模型長度為36m，箱梁下部結(jié)構含腹板、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），邊界采用兩端簡支約束，在跨中處通過工字鋼（滑道）施加荷載。

計算過程中，分別考慮A、B、C1和C2梁段分別過墩4種工況。各工況下的應力計算結(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措施。以C2梁段為例進行加固，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力云圖如圖14～15所示，橫隔板的最大應力由345MPa減小到211.4MPa，底板由251.5MPa減小到244.6MPa，加固后的應力滿足試驗要求。

6 結(jié)語

本文針對大跨度、大自重鋼箱梁在傳統(tǒng)頂推施工導梁前端下?lián)蠂乐氐膯栴}，提出了采用臨時塔架和頂推施工相結(jié)合的方法，并對該方法的可行性進行了計算分析：（1）分別建立了結(jié)構的桿系模型和殼體模型;（2）通過桿系模型對結(jié)構進行了整體優(yōu)化計算，包含索力的確定、導梁前端撓度閾值的確定以及整體抗傾覆穩(wěn)定性計算;（3）通過殼體模型對結(jié)構進行了局部受力分析，包含塔底應力和主梁支點附近應力分析。通過分析結(jié)果表明，采用臨時塔架的大跨徑連續(xù)鋼箱梁橋頂推施工方法是可行的。

參考文獻：

[1]范立礎.預應力混凝土連續(xù)梁橋[M].北京：人民交通出版社，1988.

[2]雷俊卿.橋梁懸臂施工與設計[M].北京：人民交通出版社，2000.

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

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

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

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