公路鋼箱梁頂推法施工技術(shù)及數(shù)值模擬分析

魯美 劉敏

云南省公路工程監(jiān)理咨詢(xún)有限公司 云南昆明 650021

鋼箱梁頂推施工法的雛形就是鋼橋的縱向拖拉施工法。上世紀(jì)70年代，我國(guó)修建狄佳河鐵路橋時(shí)首次采用了頂推法。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施飛速發(fā)展，采用頂推法施工修建的橋梁猶如雨后春筍般出現(xiàn)，使得我國(guó)的橋梁頂推施工技術(shù)不斷進(jìn)步、成熟。

1 頂推法施工技術(shù)

1959年，前聯(lián)邦德國(guó)建造Ager橋過(guò)程中，萊昂哈特博士和鮑爾教授提出并運(yùn)用了頂推施工法，從此該施工方法在世界橋梁建設(shè)中被廣泛運(yùn)用[1]。

橋梁頂推法中，用液壓千斤頂裝置取代了縱向拖拉法中的卷?yè)P(yáng)機(jī)裝置，并用板式滑動(dòng)裝置代替縱向拖拉法中的滾筒裝置，使得頂推法在應(yīng)用中比縱向拖拉法更加方便、優(yōu)越，適應(yīng)性更強(qiáng)。頂推法的出現(xiàn)，彌補(bǔ)和消除了縱向拖拉法的一些不足之處。例如，鋼箱梁下方用板式滑動(dòng)裝置取代了縱向拖拉施工法中的滾筒裝置，使得梁底的應(yīng)力集中現(xiàn)象得以減小甚至消除。

鋼箱梁頂推施工大致流程是在沿橋梁縱向的后方鋼箱梁拼裝平臺(tái)上將梁體進(jìn)行拼裝焊接，并梁體前端安裝導(dǎo)梁，然后用液壓頂推系統(tǒng)施加頂推力，使梁體通過(guò)各墩頂?shù)呐R時(shí)滑動(dòng)支座面到達(dá)設(shè)計(jì)位置。接著繼續(xù)在箱梁拼裝平臺(tái)上拼裝焊接下一節(jié)段梁體，循環(huán)操作，直到梁體全部頂推施工到設(shè)計(jì)位置。

圖1 頂推法施工示意圖

1.1 頂推施工分類(lèi)

頂推法施工多種多樣，按照頂推時(shí)對(duì)梁體的施力點(diǎn)位置及數(shù)量的不同，可將頂推方法分為單點(diǎn)頂推和多點(diǎn)頂推兩種。

1.1.1 單點(diǎn)頂推

單點(diǎn)頂推法施工是指將水平頂推力集中施加在在橋臺(tái)或者某個(gè)橋墩上，而其他橋墩和橋臺(tái)上僅設(shè)置滑道裝置。單點(diǎn)頂推法中，水平頂推力較為集中，若橋梁墩臺(tái)剛度較小時(shí)，頂推過(guò)程會(huì)在墩臺(tái)頂部產(chǎn)生較大的水平變形和位移，對(duì)橋墩臺(tái)結(jié)構(gòu)安全及其不利。

1.1.2 多點(diǎn)頂推

多點(diǎn)頂推法施工，是在每個(gè)墩臺(tái)上設(shè)置水平千斤頂，通過(guò)該方法，把集中力分散到各個(gè)墩上。通過(guò)利用多個(gè)墩臺(tái)的反作用力平衡梁體頂推時(shí)在滑道上產(chǎn)生的摩阻力，使得橋梁墩臺(tái)梁體在頂推過(guò)程中承受的水平力較小，因此該方法可以在柔性墩上應(yīng)用[2]。

1.2 頂推中的臨時(shí)設(shè)施

為了減小施工中梁體所承受的內(nèi)力值，從施工安全和方便角度考慮，鋼箱梁頂推法施工中還可能使用一些臨時(shí)設(shè)施結(jié)構(gòu)，如鋼導(dǎo)梁、臨時(shí)墩、頂推導(dǎo)向及糾偏裝置、拼裝平臺(tái)、滑動(dòng)裝置等。

1.2.1 鋼導(dǎo)梁

所謂的鋼導(dǎo)梁就是在鋼箱梁頂推施工時(shí)在主梁頂推方向鼻端安裝的等截面或變截面鋼桁梁或鋼板梁。在主梁前端安裝導(dǎo)梁后，減小了主梁最大懸臂長(zhǎng)度和主梁在頂推過(guò)程中的彎矩值，使主梁受力更加合理。鋼導(dǎo)梁的使用除增大橋梁頂推施工的適用跨徑范圍外，還能能提高梁體在拼裝平臺(tái)上拼裝時(shí)的梁體抗傾覆能力。

鋼導(dǎo)梁對(duì)于橋梁頂推施工來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常重要的輔助結(jié)構(gòu)。一個(gè)科學(xué)合理的導(dǎo)梁設(shè)計(jì)方案，不僅可以有效改善梁體內(nèi)力分布情況，降低梁體頂推施工難度，還能提高導(dǎo)梁的重復(fù)利用性和頂推施工法的經(jīng)濟(jì)性。

1.2.2 臨時(shí)墩

橋梁頂推施工中采用的臨時(shí)墩主要能提供三個(gè)作用：①頂推過(guò)程中，鋼箱梁承受的最大彎矩值與跨度呈正相關(guān)。臨時(shí)墩減小了頂推跨度，進(jìn)而減小了梁體跨中彎矩內(nèi)力值大小，擴(kuò)大了鋼箱梁頂推法的適用范圍；②設(shè)置臨時(shí)墩可以降低梁端鋼導(dǎo)梁的安裝難易程度，還能提高頂推初始階段的平衡性和抗傾覆穩(wěn)定性；③臨時(shí)墩能減小梁段頂推完成后鋼箱梁梁尾的轉(zhuǎn)角，進(jìn)而減小頂推施工過(guò)程中梁體安裝誤差的積累，提高橋梁安裝施工的精確度

1.2.3 頂推導(dǎo)向和糾偏裝置

鋼箱梁施工過(guò)程中，為了保證梁體中線始終在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，需要使用橫向?qū)蜓b置和糾偏裝置。橫向?qū)蜓b置在曲線橋梁頂推施工中作用顯得更加重要。

1.2.4 梁體拼裝平臺(tái)

梁體拼裝平臺(tái)是鋼箱梁加工、安裝、焊接、線形調(diào)整的操作平臺(tái)。鋼箱梁段在其上面可以通過(guò)平移、滑動(dòng)來(lái)調(diào)整位置姿態(tài)，是梁體頂推施工的起始平臺(tái)。

1.3 鋼箱梁頂推施工監(jiān)測(cè)

鋼箱梁頂推施工過(guò)程中，施工監(jiān)測(cè)是保證橋梁頂推施工質(zhì)量和安全的一項(xiàng)有效重要措施。鋼箱梁頂推施工中，主要的監(jiān)控項(xiàng)目有三個(gè)：①箱梁線形控制；②應(yīng)力控制；③穩(wěn)定控制。其中，線形控制可以通過(guò)施工測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)；應(yīng)力控制和穩(wěn)定控制可以通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]。

2 工程概況

圖2 橋型布置示意圖

云南某高速公路馬朗立交E匝道橋?yàn)榭缭紸匝道和主線公路而設(shè),全橋按9聯(lián)布置。該橋第四聯(lián)采用標(biāo)準(zhǔn)跨徑50m的簡(jiǎn)支鋼箱梁上跨高速公路。

本工程所采用的簡(jiǎn)支鋼箱梁為單箱雙室結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為Q345C鋼材，跨徑50m。箱梁跨中內(nèi)輪廓梁高2.27m，外輪廓梁等高為2.3m。單幅頂面全寬11.74m，兩側(cè)各設(shè)2.25m寬挑臂。橋梁平面處于直線上。箱梁頂板厚16mm，U形加勁肋板厚8mm，板式加勁肋160×14mm。箱梁底板板厚14mm，腹板板厚12mm，橫隔板厚10mm。

圖3 鋼箱梁截面示意圖（cm）

3 有限元模型建立

有限元結(jié)構(gòu)模型中，鋼箱梁和導(dǎo)梁都采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，材質(zhì)為Q345C鋼材。頂推裝置中滑道、支架材料采用Q235鋼材。本模型中鋼導(dǎo)梁由兩片主梁和兩道橫撐組成，與主梁頂?shù)赘拱宀捎煤附酉噙B。鋼導(dǎo)梁長(zhǎng)32m，兩片導(dǎo)梁的中心間距為7.3m。導(dǎo)梁的兩主梁為變截面工字型結(jié)構(gòu)，高度為0.74m～22.2m。模型中鋼材彈性模量取2.06×105MPa，泊松比取0.3，密度取78.5kN/m3。

本模型將鋼箱梁頂推施工過(guò)程劃分為四個(gè)階段。階段1：導(dǎo)梁和主梁拼裝；階段2：導(dǎo)梁即將到達(dá)10號(hào)墩；階段3：導(dǎo)梁到達(dá)10號(hào)墩；階段4：主梁到達(dá)10號(hào)墩。

4 頂推過(guò)程各階段受力分析結(jié)果

4.1 導(dǎo)梁和主梁拼裝階段

鋼箱梁、導(dǎo)梁及滑道系統(tǒng)的最大組合應(yīng)力為14.8MPa，最大剪應(yīng)力為7.3MPa，導(dǎo)梁最大位移量為4.74mm。本階段最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在導(dǎo)梁支撐處，最大撓度點(diǎn)出現(xiàn)在導(dǎo)梁前端。

圖4 階段1 組合應(yīng)力分析結(jié)果

4.2 導(dǎo)梁即將到達(dá)10 號(hào)墩階段

導(dǎo)梁即將到達(dá)10號(hào)墩階段，鋼箱梁、導(dǎo)梁及滑道系統(tǒng)的最大組合應(yīng)力為157.4MPa，最大剪應(yīng)力為41.4MPa，導(dǎo)梁最大位移量為112.7mm。本階段最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在主梁支撐處，最大撓度點(diǎn)出現(xiàn)在導(dǎo)梁前端。

圖5 階段2 組合應(yīng)力分析結(jié)果

4.3 導(dǎo)梁到達(dá)10 號(hào)墩階段

導(dǎo)梁到達(dá)10號(hào)墩階段，鋼箱梁、導(dǎo)梁及滑道系統(tǒng)的最大組合應(yīng)力為117.4MPa，最大剪應(yīng)力為52.9MPa，導(dǎo)梁最大位移量為21.6mm。本階段最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在導(dǎo)梁根部，最大撓度點(diǎn)出現(xiàn)在導(dǎo)梁前端。

圖6 階段3 組合應(yīng)力分析結(jié)果

4.4 鋼箱梁到達(dá)10 號(hào)墩階段

導(dǎo)梁到達(dá)10號(hào)墩階段，鋼箱梁、導(dǎo)梁及滑道系統(tǒng)的最大組合應(yīng)力為117.4MPa，最大剪應(yīng)力為52.9MPa，導(dǎo)梁最大位移量為21.6mm。本階段最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在導(dǎo)梁根部，最大撓度點(diǎn)出現(xiàn)在導(dǎo)梁前端。

圖7 階段4 組合應(yīng)力分析結(jié)果

通過(guò)以上對(duì)鋼箱梁頂推過(guò)程的模擬分析，將四個(gè)階段下鋼箱梁和導(dǎo)梁的最大組合應(yīng)力、最大剪應(yīng)力及最大位移值統(tǒng)計(jì)情況如圖8所示。

圖8 各階段分析結(jié)果匯總

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上有限元模擬分析結(jié)果得，鋼箱梁頂推施工中最大組合應(yīng)力為157.4MPa，最大剪應(yīng)力為52.9MPa，最大撓度值為112.7mm。導(dǎo)梁、主梁材質(zhì)為Q345C，強(qiáng)度和剛度均滿足要求。

頂推法施工中梁體在頂推過(guò)程中所受彎矩、應(yīng)力反復(fù)變化，正、負(fù)彎矩交替變化，造成結(jié)構(gòu)受力相對(duì)復(fù)雜。

簡(jiǎn)支梁橋頂推施工中，導(dǎo)梁處于最大懸臂狀態(tài)階段階段時(shí)，鋼箱梁及導(dǎo)梁的組合應(yīng)力、撓度值最大值出現(xiàn)在導(dǎo)梁根部，最大撓度點(diǎn)出現(xiàn)在導(dǎo)梁前端。該階段導(dǎo)梁豎向撓度值大，對(duì)結(jié)構(gòu)較不利，應(yīng)加以重視，必要時(shí)可設(shè)置臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)。