三門峽黃河公鐵兩用橋鋼桁梁懸臂頂推受力分析

田亮 趙健 李向海

（1.天津城建大學(xué)土木工程學(xué)院，天津 300384；2.中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司，天津 300300）

橋梁在我國交通路網(wǎng)建設(shè)中占據(jù)重要地位，國家統(tǒng)計局發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，截至2019 年末，我國已建成高速鐵路總里程突破3.5 萬km，全球超過2/3 的高鐵鋪設(shè)在中國。其中橋梁結(jié)構(gòu)在高速鐵路中占比較高，在已開工建設(shè)的高速鐵路中，橋梁占線路比例約為50%，已建成的京滬高鐵橋梁占比約80.5%［1-2］。目前我國已有超過100 萬座公路和鐵路橋梁［3］。在這些已建成或在建橋梁中，連續(xù)鋼桁梁是公鐵兩用橋的主要形式，多采用公路在上、鐵路在下的雙層橋面結(jié)構(gòu)。

鋼桁梁橋是由主桁、腹桿、聯(lián)接系、橋道等桿件組拼而成，適合工業(yè)化制造，具有造型美觀、跨越能力大、承載能力高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于公路和鐵路橋梁的建設(shè)［4］。采用頂推法施工鋼桁梁是一種比較成熟的橋梁施工方法，尤其隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得對頂推千斤頂?shù)耐叫钥刂茖崿F(xiàn)了全過程自動化，大大提高了頂推能力和控制精度［5-7］。本文以蒙華鐵路三門峽黃河公鐵兩用特大橋為依托工程，基于桿系有限元和實體有限元模型，重點對鋼桁梁頂推懸臂狀態(tài)下主桁、導(dǎo)梁、桿件以及主墩等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位的受力和變形狀態(tài)進(jìn)行分析，從而為三門峽黃河橋鋼桁梁懸臂頂推的施工控制如千斤頂選型、主墩受力、鋼梁受力及線形控制等提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

三門峽黃河公鐵兩用特大橋是蒙華鐵路跨越黃河的控制性工程，由中國鐵建大橋工程局承建，是我國第一座跨越黃河的軸重30 t的重載鐵路橋梁。橋梁采用公鐵合建上下層布置橫斷面方案：公路在上，為雙向6車道高速公路；鐵路在下，分別為雙線蒙華鐵路和雙線運(yùn)三（運(yùn)城—三門峽）鐵路。橋梁起訖里程DK639+106.184—DK644+769.938，全長5 663.754 m，其中公鐵合建段長1762.733 m。主橋為11 跨連續(xù)鋼桁結(jié)合梁橋，主梁位于6‰的單向縱坡上（三門峽至運(yùn)城方向為下坡方向），橋跨布置為（84+9×108+84）m，主橋全長1 142.5 m，橋跨布置如圖1所示。

圖1 主橋橋跨布置（單位：m）

該橋主桁采用無豎桿三角形桁式，桁高15 m，節(jié)間長12 m，橫向為3 片主桁，中、邊桁中心距13.6 m。主桁的弦桿采用箱形截面；腹桿采用箱形及H 形2 種截面。主桁采用焊接的整體節(jié)點，各主桁桿件在工地采用高強(qiáng)螺栓和拼接板連接。主桁橫斷面結(jié)構(gòu)形式見圖2。三門峽黃河橋的連續(xù)頂推長度大，達(dá)1 142.5 m，頂推質(zhì)量約4.3 萬t，是目前世界上頂推墩數(shù)最多、頂推距離最長和頂推質(zhì)量最大的連續(xù)鋼桁梁橋。由于在高墩上實施鋼梁頂推，不確定因素多，在施工過程中確保11跨鋼梁的多點同步性，合理控制鋼梁及主墩的受力和變形是懸臂頂推實施成功的關(guān)鍵。

圖2 主橋橫斷面布置示意

2 頂推方案

三門峽黃河橋主橋鋼桁梁采用頂推法施工，跨中不設(shè)臨時墩，主梁不帶混凝土橋面板，由南岸三門峽側(cè)向北岸運(yùn)城側(cè)頂推架設(shè)。鋼梁在南岸拼裝平臺上分節(jié)段拼裝鋼導(dǎo)梁和鋼桁梁，利用水平液壓千斤頂同步頂推，通過鋼絞線牽引鋼梁下弦底部的滑塊，帶動鋼桁梁和滑塊在滑道上同步滑移。鋼桁梁頂推效果圖如圖3所示。

圖3 鋼梁頂推架設(shè)效果示意

主要施工流程如下：

①首先在各主墩混凝土托梁上安裝鋼滑道，將正式支座吊至墩頂支座滑移支架上。②在南岸側(cè)11#—S04#墩之間設(shè)置拼裝支架、龍門吊、頂推平臺等臨時設(shè)施，1—10#主墩采用混凝土托梁作為鋼梁頂推施工滑道和操作平臺，0#墩跨中側(cè)搭設(shè)墩旁支架作為導(dǎo)梁拆除平臺，在11#墩頂搭設(shè)連接平臺的通長鋼滑道梁。③采用架梁吊機(jī)拼裝鋼桁梁，逐步向前頂推滑移，導(dǎo)梁未上10#墩時，每拼裝2～3 個節(jié)間向前頂推一次；導(dǎo)梁上10#墩后，每拼裝8個節(jié)間向前頂推一次。每頂推一個節(jié)間，各墩頂向后倒換滑塊，如此循環(huán)，直至鋼導(dǎo)梁頂推至0#墩。④導(dǎo)梁上0#墩平臺后逐節(jié)拆除導(dǎo)梁，后端鋼梁繼續(xù)拼裝、頂推，直至鋼梁頂推到位，精確調(diào)整鋼梁縱橫向位置。⑤支座橫向滑移到位，各主墩依次、循環(huán)將鋼桁梁落梁至設(shè)計高程，并拆除拼裝平臺等臨時結(jié)構(gòu)。

通過以上施工流程可知，鋼桁梁在頂推上墩過程中多次出現(xiàn)最大懸臂狀態(tài)。鑒于鋼導(dǎo)梁過11#至10#墩為鋼梁頂推首次出現(xiàn)最大懸臂狀態(tài)，后文將重點對該工況下鋼梁及主墩的受力和變形狀態(tài)進(jìn)行分析討論。

3 懸臂頂推受力分析

3.1 鋼梁受力狀態(tài)

根據(jù)第2 節(jié)的頂推施工流程，以鋼梁上10#墩首次出現(xiàn)最大懸臂狀態(tài)為分析工況，如圖4 所示。該工況下鋼梁最大懸臂達(dá)7 個節(jié)間，需要明確此時導(dǎo)梁前端下?lián)霞昂蠖说闹c反力。

圖4 導(dǎo)梁準(zhǔn)備上10#墩布置示意

采用MIDAS/Civil建立全橋模型，按“墩動梁不動”的思路計算該頂推最大懸臂狀態(tài)支點反力，見圖5。此時中桁最大支反力為10 330 kN，邊桁最大支反力為7 800 kN，拼裝支架中桁最大支反力為2 090 kN，邊桁支反力為1 010 kN。圖6 為準(zhǔn)備上10#墩時導(dǎo)梁前端最大下?lián)献冃?，?dǎo)梁中桁最大下?lián)?93 mm，邊桁最大下?lián)?89 mm。

圖5 導(dǎo)梁上10#墩支點反力（單位：kN）

圖6 導(dǎo)梁準(zhǔn)備上10#墩前端下?lián)希▎挝唬簃m）

考慮豎向風(fēng)荷載的作用，按照11 級基準(zhǔn)風(fēng)速28.6 m/s 計算基本風(fēng)壓［8］，將風(fēng)壓以線荷載形式施加到模型對應(yīng)的鋼梁桿件梁單元上。分析鋼梁頂推首次出現(xiàn)最大懸臂狀態(tài)時的應(yīng)力分布，經(jīng)計算，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在導(dǎo)梁中部上弦桿與鋼梁連接的部位，最大值約124 MPa。

3.2 主墩受力狀態(tài)

鋼梁上墩需要經(jīng)歷起頂、安裝滑塊、頂推鋼梁、倒換滑塊等工序，在一個頂推循環(huán)中，主墩受到周期性變化的偏心彎矩作用?；跅U系有限元的頂推模擬無法精細(xì)地了解細(xì)部結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，因此建立了包含主墩-滑塊-滑道的實體有限元模型（圖7），對單個頂推循環(huán)（滑移距離為單個節(jié)間長度12 m）進(jìn)行動力學(xué)計算分析，以得到主墩關(guān)鍵截面的應(yīng)力狀態(tài)。

圖7 主墩頂推滑移實體模型

針對鋼梁上10#墩首次出現(xiàn)最大懸臂這一工況，對鋼梁起頂力進(jìn)行實測，中桁實測值為10 260 kN，上游邊桁和下游邊桁的實測值分別為8 700 kN和8 060 kN。將實測反力值代入該實體模型計算分析，所得10#墩墩身整體及測量截面的應(yīng)力分布如圖8所示。

圖8 10#墩墩身豎向應(yīng)力分布（單位：MPa）

由圖8可以看出，在偏心彎矩作用下，墩身一側(cè)受拉，另一側(cè)受壓。受拉側(cè)最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在墩身外表面，約0.46 MPa。提取實測斷面（距離墩頂10 m）的8個測點的計算值與實測值進(jìn)行對比，如表1所示。測點1的實測應(yīng)變?yōu)?15×10-6，實測應(yīng)力和理論應(yīng)力均為拉應(yīng)力，分別為0.53 MPa 和0.42 MPa，兩者相差不大，且墩身所受拉應(yīng)力在允許范圍內(nèi)。測點4 和測點7 的理論值和計算值比較吻合，均為壓應(yīng)力，這表明墩身處于受壓狀態(tài)，結(jié)構(gòu)受力安全。需要指出的是，表1中應(yīng)變值為累計值，應(yīng)變增加為受拉，減小為受壓；拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。其他測點由于應(yīng)力元件損壞或信號不穩(wěn)定而無測試數(shù)據(jù)。

表1 頂推過程中10#墩測量截面應(yīng)力對比

圖9為正在頂推施工中的三門峽黃河公鐵兩用大橋，該橋已于2018年10月1日順利合龍。

圖9 頂推施工中的三門峽黃河公鐵兩用大橋

4 結(jié)論

三門峽黃河公鐵兩用大橋為連續(xù)鋼桁梁橋，采用頂推法施工。本文對鋼梁頂推首次出現(xiàn)最大懸臂狀態(tài)這一工況進(jìn)行計算分析，得到如下結(jié)論：

1）鋼梁首次上10#墩，導(dǎo)梁懸臂端最大下?lián)?93 mm。鋼梁支點反力計算值中桁為10 330 kN，邊桁為7 800 kN；反力實測值中桁為10 260 kN，邊桁分別為8 700 kN 和8 060 kN。理論值與實測值吻合較好。

2）在一個頂推循環(huán)中，主墩受偏心彎矩作用，承受交替變化的拉壓應(yīng)力，受拉側(cè)墩身最大拉應(yīng)力約0.46 MPa，實測與理論值均表明，主墩受力在安全范圍內(nèi)。