大跨度多孔箱涵頂進(jìn)時(shí)底板內(nèi)力研究

付琪生

（中鐵二十四局集團(tuán)有限公司北京分公司，北京102600）

1 引言

隨著我國(guó)交通流量的日益增長(zhǎng)，道路和鐵路作為主要的運(yùn)輸線路，道路與鐵路的平交道口嚴(yán)重阻礙了城市交通的發(fā)展。針對(duì)這種情況，采用頂進(jìn)的方法將預(yù)制箱涵推進(jìn)鐵路橋下，可不影響上部鐵路線路的正常運(yùn)行，目前這種施工方法已得到了廣泛應(yīng)用。大跨度多孔箱涵在頂進(jìn)過(guò)程容易發(fā)生軸線偏移等情況，嚴(yán)重影響工程質(zhì)量與施工進(jìn)度，因此，在施工中應(yīng)根據(jù)箱涵姿態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，采取及時(shí)、有效的糾偏措施，將軸線偏差控制在合理范圍內(nèi)[1～3]。

要及時(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整頂力提高糾偏策略的科學(xué)性與有效性，了解箱涵在頂進(jìn)過(guò)程中的受力情況必不可少。由于千斤頂頂力施加于箱涵底板，因此，研究箱涵頂進(jìn)過(guò)程底板內(nèi)力的變化規(guī)律是實(shí)現(xiàn)智能糾偏的關(guān)鍵。

2 工程概況

大禮路位于北京新機(jī)場(chǎng)北部，西起大廣高速，東至京臺(tái)高速，全長(zhǎng)約15.1km，是東西向重要交道干道及管線主廊道。大禮路下穿京九鐵路工程，作為大興新機(jī)場(chǎng)外部交通及市政管線（水、電、氣、信等）保障的主要通道，為新機(jī)場(chǎng)臨空經(jīng)濟(jì)區(qū)打造國(guó)際化、高端化、服務(wù)化的區(qū)域定位提供了基本保證。

該工程包括綜合管廊框架橋、雨水方溝框架橋和市政交通框架橋的施工，其中，綜合管廊框架橋采用一孔框架結(jié)構(gòu)，全長(zhǎng)29.74m，全寬21.70m（框架橋正向尺寸），總高10.00m，凈跨19.50m，與京九鐵路相交里程K42+313.79；市政交通框架橋采用五孔連體式框架結(jié)構(gòu)，全長(zhǎng)30.24m，全寬57.00m，結(jié)構(gòu)總高度為10.00m，凈跨為8.50m+12.50m+9.00m+12.50m+8.50m，與京九鐵路相交里程K42+273.75；雨水方溝框架橋采用一孔框架結(jié)構(gòu)，全長(zhǎng)29.74m，全寬15.60m（框架橋正向尺寸），總高度為10.00m，凈跨13.60m，與京九鐵路相交里程K42+236.78。單孔綜合管廊框架橋、單孔雨水方溝框架橋和五孔市政交通框架橋與京九鐵路上行線和下行線的交角均為84.4°，箱涵頂板頂面距最低鋼軌地面的距離分別為1.10m、0.80m 和0.94m。

3 箱涵頂進(jìn)頂力現(xiàn)場(chǎng)情況

大禮路工程箱涵頂進(jìn)自5 月18 日起至5 月27 日結(jié)束，歷時(shí)9d，施工時(shí)，3 座框架橋同時(shí)進(jìn)行頂進(jìn)作業(yè)，總計(jì)頂鎬57次，累計(jì)頂進(jìn)44m，頂進(jìn)過(guò)程中第9 鎬箱涵脫離滑板，第36鎬箱涵前端進(jìn)入線路。箱涵在脫離滑板前，9 個(gè)鎬次內(nèi)頂力由3 000t 增加至5 500t，之后箱涵脫離滑板，在進(jìn)入線路前，頂力逐漸增大，在27 個(gè)鎬次內(nèi)頂力由5 500t 增加至7 700t，并趨于穩(wěn)定，直至行將結(jié)束。

4 箱涵頂進(jìn)底板鋼筋內(nèi)力分析

4.1 箱涵底板鋼筋內(nèi)力時(shí)程曲線分析

大禮路測(cè)試共安裝振弦式鋼筋測(cè)力計(jì)37 組74 個(gè)，分別安裝于箱涵底板上下兩層鋼筋內(nèi)，導(dǎo)線總長(zhǎng)1 600m，上層測(cè)點(diǎn)編號(hào)首位為0，下層為1。

本節(jié)選取大禮路工程箱涵底板上部分測(cè)點(diǎn)進(jìn)行受力分析。

先選取145 號(hào)測(cè)點(diǎn)時(shí)程曲線用以反映頂進(jìn)側(cè)箱涵底板中部鋼筋內(nèi)力分布，經(jīng)過(guò)分析，頂進(jìn)側(cè)底板中部鋼筋在每鎬頂推時(shí)均受壓力作用，頂力記錄與鋼筋內(nèi)力記錄在時(shí)間上有很強(qiáng)的相關(guān)性，說(shuō)明監(jiān)測(cè)設(shè)備工作狀態(tài)良好，數(shù)據(jù)可靠。

再選取011 號(hào)、051 號(hào)、061 號(hào)測(cè)點(diǎn)時(shí)程曲線用以反映箱涵底板邊緣沿頂進(jìn)方向的鋼筋內(nèi)力分布，其時(shí)程曲線如圖1所示。

圖1 上述測(cè)點(diǎn)鋼筋內(nèi)力變化時(shí)程曲線對(duì)比（17～23 鎬）

從圖1 可以看出，箱涵底板側(cè)邊鋼筋內(nèi)力與頂力在時(shí)間上有很強(qiáng)的相關(guān)性，且11 號(hào)測(cè)點(diǎn)鋼筋內(nèi)力最大，其次是51 號(hào)測(cè)點(diǎn)鋼筋內(nèi)力，61 號(hào)測(cè)點(diǎn)鋼筋內(nèi)力最小，即靠近頂進(jìn)側(cè)的鋼筋內(nèi)力較大，沿頂進(jìn)方向逐漸減小，符合預(yù)計(jì)的應(yīng)力分布規(guī)律，數(shù)據(jù)可靠。

4.2 箱涵頂進(jìn)時(shí)各鎬鋼筋應(yīng)力分布

將箱涵頂進(jìn)劃分為推出滑板前、脫離滑板以及進(jìn)入線路3個(gè)過(guò)程，并分別在3 個(gè)階段內(nèi)選取典型鎬次，根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)，可分析得出每鎬的鋼筋應(yīng)力分布情況，具體為：相較于箱涵離開(kāi)滑板以及進(jìn)入線路的階段，箱涵在脫離滑板前（9 鎬前）鋼筋應(yīng)力更小，最大應(yīng)力約在15MPa，是后者的70%～80%，這與總頂力大小以及滑板的摩阻力系數(shù)更小有關(guān)。

進(jìn)一步截取靠近頂進(jìn)側(cè)一排測(cè)點(diǎn)的相應(yīng)鎬次應(yīng)力變化曲線，如圖2 所示。可以看到，箱涵中部測(cè)點(diǎn)112 號(hào)、114 號(hào)、115號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力相較箱涵兩側(cè)測(cè)點(diǎn)111 號(hào)與116 號(hào)鋼筋應(yīng)力變化較大，而113 號(hào)測(cè)點(diǎn)因?yàn)榍胺绞苋琼攭K的影響應(yīng)力變化相對(duì)較小。結(jié)合鋼筋應(yīng)力變化分布圖還可以看到，頂進(jìn)端左側(cè)115 號(hào)測(cè)點(diǎn)鋼筋應(yīng)力變化普遍比112 號(hào)大，個(gè)別鎬次差異明顯，箱涵底板鋼筋存在一定的受力不均的現(xiàn)象。

圖2 大禮路工程部分鎬次頂進(jìn)端鋼筋應(yīng)力比較

5 箱涵頂進(jìn)時(shí)底板內(nèi)力分析

5.1 箱涵底板沿頂進(jìn)方向斷面平均內(nèi)力分布規(guī)律

假設(shè)箱涵底板的混凝土應(yīng)變沿底板高度呈線性變化，且鋼筋附近混凝土等應(yīng)變。根據(jù)上節(jié)箱涵底板鋼筋內(nèi)力分布，在假設(shè)的前提下，可得到箱涵底板結(jié)構(gòu)應(yīng)變。

參考GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（2015 年版）[4]附錄C 中鋼筋、混凝土本構(gòu)關(guān)系，對(duì)箱涵底板結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布進(jìn)行計(jì)算，并沿箱涵頂進(jìn)方向積分，可以得出各鎬沿頂進(jìn)方向的斷面內(nèi)力分布根據(jù)其與頂進(jìn)側(cè)面距離遠(yuǎn)近逐漸變小，直至箱涵遠(yuǎn)端接近至0，前后部變化相對(duì)一致。

5.2 箱涵底板沿頂進(jìn)方向斷面內(nèi)力區(qū)域分布規(guī)律

依照上節(jié)計(jì)算方法，將大禮路工程的五孔箱涵的六面立墻面向頂進(jìn)方向其兩側(cè)墻體分別記作左一至右一，如圖3 所示。

圖3 箱涵立墻編號(hào)示意

提取相應(yīng)鎬次的立墻底測(cè)點(diǎn)處的底板內(nèi)力進(jìn)行分析，可以得到，在六面立墻中，兩側(cè)邊墻（左一、右一）附近的底板結(jié)構(gòu)內(nèi)力相較于左二、右二處，在靠近頂進(jìn)端普遍更小，左三、右三次之，表明對(duì)于箱涵底板頂進(jìn)側(cè)，更靠近左右2 組千斤頂?shù)牡装逯胁繀^(qū)域所受內(nèi)力最大，2 組千斤頂受力交界區(qū)域次之，兩側(cè)內(nèi)力最小，存在一定的受力不均現(xiàn)象。而對(duì)于遠(yuǎn)離頂進(jìn)側(cè)，大致自箱涵中部開(kāi)始，各個(gè)立墻附近的底板所受內(nèi)力大小差異并不明顯。表明由千斤頂頂力所引起的底板內(nèi)力不均主要作用范圍位于箱涵涵體的前1/3～1/2。

再提取箱涵涵體前1/4 處左二孔洞與右二孔洞附近各鎬箱涵底板內(nèi)力分析后，發(fā)現(xiàn)除個(gè)別鎬次較為接近以外，箱涵左側(cè)底板在頂進(jìn)時(shí)的內(nèi)力變化始終大于右側(cè)，由頂力產(chǎn)生的混凝土最大壓應(yīng)力變化為3.13MPa，平均為1.84MPa；右側(cè)最大為2.00MPa，平均為1.19MPa。箱涵在頂進(jìn)中底板存在受力不均的現(xiàn)象，但最大變化幅值仍遠(yuǎn)小于混凝土的抗壓極限，頂進(jìn)過(guò)程不會(huì)對(duì)涵體結(jié)構(gòu)造成破壞。

6 底板內(nèi)力對(duì)箱涵頂進(jìn)姿態(tài)的影響研究

進(jìn)一步結(jié)合頂力分析，相鄰鎬次間較大的頂力變化容易導(dǎo)致箱涵姿態(tài)控制失穩(wěn)，繼而需要進(jìn)行箱涵糾偏。部分鎬次箱涵底板存在左右應(yīng)力不均的現(xiàn)象，同樣在一定程度上影響了箱涵姿態(tài)控制。因此針對(duì)類(lèi)似工程，應(yīng)結(jié)合箱涵姿態(tài)、糾偏策略等因素進(jìn)行頂力合理配置，將左右頂力保持相對(duì)均衡，避免發(fā)生較大的頂力波動(dòng)以及頂力浪費(fèi)。

7 結(jié)語(yǔ)

在大跨度箱涵頂進(jìn)時(shí)，可利用振弦式鋼筋測(cè)力計(jì)對(duì)箱涵底板鋼筋內(nèi)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為實(shí)現(xiàn)箱涵智能頂進(jìn)控制提供依據(jù)與指導(dǎo)。同時(shí)，經(jīng)過(guò)對(duì)大禮路工程箱涵頂近時(shí)底板的內(nèi)力分析可以發(fā)現(xiàn)，涵體所受應(yīng)力主要集中在涵體前側(cè)1/3～1/2 區(qū)域內(nèi)，中部應(yīng)力高于兩側(cè)應(yīng)力，部分鎬次存在左右應(yīng)力分布不均的現(xiàn)象。而在在箱涵頂進(jìn)過(guò)程中，相鄰鎬次間較大的頂力變化容易導(dǎo)致箱涵姿態(tài)控制失穩(wěn)，繼而需要進(jìn)行箱涵糾偏。同時(shí)部分鎬次箱涵底板存在左右應(yīng)力不均的現(xiàn)象，同樣在一定程度上影響了箱涵姿態(tài)控制。因此針對(duì)類(lèi)似工程，應(yīng)結(jié)合箱涵姿態(tài)、糾偏策略等因素進(jìn)行頂力合理配置，將左右頂力保持相對(duì)均衡，避免發(fā)生較大的頂力波動(dòng)以及頂力浪費(fèi)。