基于頂推法的高架鋼箱梁橋施工技術(shù)*

安海兵，王煥平，王麗梅，周泰華，張群生

(中建六局土木工程有限公司，天津 300457)

0 引言

橋梁通常采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)，鋼箱梁也稱鋼板箱型梁，具備自重較小、強(qiáng)度較高等特點(diǎn)，且跨越能力良好[1-3]。鋼箱梁可通過多種方法完成施工[4]，如何在不影響橋下交通的同時，以最少的施工成本完成鋼箱梁施工是重難點(diǎn)。頂推法施工過程中無須使用支架及大型機(jī)械設(shè)備，因此，可在施工場地較小的情況下完成鋼箱梁施工。程少東等[5-6]針對分別展開相關(guān)研究，提出的拼裝和吊裝技術(shù)可較好完成鋼箱梁施工，但消耗較大物力。本文以最小物力消耗為前提，在占地最小的情況下施工鋼箱梁，研究基于頂推法的高架鋼箱梁橋施工技術(shù)。

1 工程概況

某高架鋼箱梁橋?yàn)榈雀哌B續(xù)鋼箱梁，長170m，為單箱雙室閉合截面，橋梁頂板寬15m，底板寬9.5m，懸臂長2m，橋梁中心線高出鋼箱梁外輪廓2.2m，鋼箱梁采用Q345，Q370鋼材質(zhì)，工程平面結(jié)構(gòu)如圖1所示，施工現(xiàn)場如圖2所示。

圖1 高架鋼箱梁橋結(jié)構(gòu)平面(單位:m)

圖2 工程施工現(xiàn)場

2 基于頂推法的鋼箱梁施工技術(shù)

步履式頂推施工技術(shù)由智能控制、基座、液壓油缸(頂升、側(cè)移、頂推)、驅(qū)動系統(tǒng)等組成。智能控制通過計算機(jī)程序控制千斤頂移動，完成頂升、側(cè)移、頂推等操作。通過千斤頂縱向頂升鋼梁后，推動鋼箱梁向前移動[7]，控制千斤頂回落，使鋼箱梁降落在墊塊位置上，控制水平千斤頂歸位。循環(huán)上述操作，將鋼箱梁推移至理想位置。頂推控制如圖3所示，共確定6組(對應(yīng)2個點(diǎn)為1組)頂推點(diǎn)，各頂推點(diǎn)推力如表1所示。

圖3 頂推控制施工示意

2.1 有限元分析模型

采用MIDAS Civil軟件構(gòu)建高架鋼箱梁橋有限元模型，如圖4所示。

圖4 有限元模型

鋼箱梁主梁模擬采用190個梁單元，鋼箱梁分為12個施工節(jié)段，依據(jù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)，修正模型容重[8]。頂推過程中，通過激活強(qiáng)制位移進(jìn)行模擬，由于混凝土橋面和鋼箱梁間存在共同耦合受力的情況，因此，該模擬采用剛性連接。成橋時，墩頂和支座下節(jié)點(diǎn)間的自由度為全部約束，采用彈性連接完成支座模擬后，將剛度數(shù)值輸入其中。

2.2 鋼箱梁抗傾覆穩(wěn)定性計算

頂推法施工過程中，由于軸線偏移、支點(diǎn)縱橫向間距及風(fēng)荷載等因素均影響橋梁傾覆穩(wěn)定性[9]，因此，需計算鋼箱梁在穩(wěn)定情況下的傾覆穩(wěn)定性。

設(shè)橋梁總荷載為F總，包含橋梁自重和施工荷載，穩(wěn)定狀態(tài)下，橋梁傾覆扭矩和穩(wěn)定扭矩相等，公式如下：

F總e+F內(nèi)e內(nèi)=F外e外

(1)

式中：e表示偏心距，對應(yīng)總荷載；F內(nèi)，F(xiàn)外分別表示內(nèi)側(cè)支座和外側(cè)支座的支反力；e內(nèi)表示內(nèi)側(cè)支座和梁體間距，e外表示外側(cè)支座和梁體間距。

F總=F內(nèi)+F外

(2)

(3)

如果橋梁橫向傾覆處于臨界點(diǎn)，則F內(nèi)=0，且e=e外；如果梁體處于穩(wěn)定狀態(tài)，則ee外，此時，穩(wěn)定系數(shù)計算如下：

(4)

式中：k>2.5時，表示橋梁穩(wěn)定性滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 橋梁風(fēng)險概率和損失分析

為分析采用頂推法的施工質(zhì)量，可通過模糊分析法定量分析施工后橋梁的風(fēng)險概率[10]。

設(shè)Ω表示風(fēng)險空間，對應(yīng)鋼箱梁存在的任意風(fēng)險事件A，Ω用B1,B2,...,Bn進(jìn)行劃分，鋼箱梁質(zhì)量風(fēng)險全概率計算如下：

(5)

對于A(P(A)>0)來說，發(fā)生質(zhì)量風(fēng)險的概率如下：

(6)

式中：Ai表示引發(fā)鋼箱梁質(zhì)量風(fēng)險A的因素；Bi表示引發(fā)鋼箱梁質(zhì)量風(fēng)險B的因素，對應(yīng)各種風(fēng)險?；谪惾~斯理論即可完成鋼箱梁質(zhì)量風(fēng)險源的先驗(yàn)、后驗(yàn)及似然3種概率，利用式(5)可獲取全部風(fēng)險源的風(fēng)險概率，取值范圍為(0.001，1.0)，將其劃分成3個階段，分別為(0.001，0.009)，(0.01，0.09)，(0.1，1.0)，即沒有風(fēng)險、可能存在風(fēng)險、存在風(fēng)險。

計算風(fēng)險概率后，需判斷該風(fēng)險造成的損失，基于模糊分析構(gòu)建模糊風(fēng)險損失綜合評價模型，首先構(gòu)建風(fēng)險因素集和風(fēng)險損失責(zé)備集，分別用U={UCij}和V={v1,v2,v3,v4}表示，Ci,j表示風(fēng)險因素，V中的4個因素分別表示風(fēng)險損失等級，即較低、一般、較大、嚴(yán)重，依次用等級1～4表示，依據(jù)隸屬函數(shù)得出如下模糊評價模型：

Gi=Wij·Rij

(7)

式中：Gi，Wij，Rij分別表示判斷結(jié)果向量、權(quán)向量及判斷矩陣。以此確定基于頂推法完成鋼箱梁施工過程中，各風(fēng)險源造成的質(zhì)量風(fēng)險等級。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 施工工藝分析

通過MIDAS模型計算鋼箱梁承載力：

q=1.45[(D2-d2)fc+d2fy]-26.1

(8)

式中：D表示鋼板開孔直徑；d表示貫穿鋼筋直徑；fc表示抗壓強(qiáng)度；fy表示貫穿鋼筋屈服強(qiáng)度。

將模型數(shù)據(jù)輸入MIDAS中模擬鋼箱梁頂推施工過程，關(guān)鍵工況如下：①工況1 完成45m長鋼箱梁的拼裝，頂推至20m，使導(dǎo)梁位于2號墩；②工況2 完成40m長鋼箱梁拼裝，頂推至25m，使導(dǎo)梁位于3號墩；③工況3 完成40m長鋼箱梁拼裝，頂推至30m，使導(dǎo)梁位于4號墩；④工況4 完成45m鋼箱梁拼裝，頂推至35m，使導(dǎo)梁位于5號墩；⑤工況5 繼續(xù)頂推20m，將鋼箱梁推至目標(biāo)位置，拆除導(dǎo)梁。

根據(jù)關(guān)鍵工況施工詳情，在這5種工況下，臨時墩的臨時最大支反力、鋼箱梁最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力、導(dǎo)梁最大撓度結(jié)果，如表2所示。

表2 施工技術(shù)分析結(jié)果

表2中，采用頂推法施工鋼箱梁過程中，工況3中的鋼箱梁累計頂推高度為75m，臨時墩的最大支反力、鋼箱梁最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力、導(dǎo)梁最大撓度分別達(dá)1 797kN，89.51MPa，-19.7MPa，397.1mm，此時，導(dǎo)梁已達(dá)最大懸臂狀態(tài)，導(dǎo)致鋼箱梁產(chǎn)生不均勻應(yīng)力，影響穩(wěn)定性，為保證鋼箱梁安裝穩(wěn)定性，應(yīng)采用臨時支撐等方式輔助鋼箱梁施工。

3.2 鋼箱梁強(qiáng)度分析

采用頂推法施工鋼箱梁后，可通過鋼箱梁承載力判斷施工技術(shù)的優(yōu)劣，結(jié)合鋼箱梁荷載，計算鋼箱梁極限承載力。該測試中，結(jié)合橋梁自重荷載、車輛行駛荷載、支座沉降荷載、梯度溫度變化荷載，獲取鋼箱梁結(jié)構(gòu)在綜合荷載下的應(yīng)力分布，如圖5所示。

圖5 鋼箱梁在綜合荷載下的應(yīng)力分布

依據(jù)圖5可知，在多種組合荷載下，鋼箱梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布不均勻，應(yīng)力方向趨于集中，且集中應(yīng)力過大，使鋼箱梁不穩(wěn)定。因此，施工過程中，應(yīng)實(shí)時關(guān)注每個工況的穩(wěn)定性，及時調(diào)整施工工況方案，保證施工后橋梁的穩(wěn)定性，避免集中應(yīng)力過大。

3.3 穩(wěn)定性分析

頂推法施工過程受多種因素影響和干擾，施工時易出現(xiàn)支點(diǎn)脫空、軸線偏移等問題，且受風(fēng)荷載影響，故從以上3個方向分析頂推法施工的優(yōu)劣。

3.3.1支點(diǎn)脫空對鋼箱梁穩(wěn)定性的影響

選取鋼箱梁內(nèi)、外側(cè)各4組對應(yīng)支點(diǎn)，研究分別脫空后的穩(wěn)定系數(shù)變化情況，如圖6所示。

圖6 支點(diǎn)脫空后穩(wěn)定系數(shù)變化結(jié)果

由圖6可知，內(nèi)、外兩側(cè)第1組支點(diǎn)發(fā)生脫空后，內(nèi)側(cè)k<2.5，外側(cè)略高于2.5，表明第1組支點(diǎn)脫空后，對鋼箱梁穩(wěn)定性影響較大，其抗傾覆穩(wěn)定性不滿足標(biāo)準(zhǔn)需求；其他支點(diǎn)脫空后，k均較大程度高于2.5的標(biāo)準(zhǔn)需求。表明采用頂推法施工鋼箱梁過程中，對端部支點(diǎn)的頂推尤為重要，需保證該位置支點(diǎn)不發(fā)生脫空，以保證鋼箱梁的抗傾覆穩(wěn)定性。

3.3.2軸線偏移對鋼箱梁穩(wěn)定性的影響

頂推法施工過程中，均設(shè)定中軸線，但實(shí)際操作時，中軸線與設(shè)定中軸線會產(chǎn)生間距，即軸線偏移。軸線偏移后穩(wěn)定系數(shù)變化如圖7所示。

圖7 軸線偏移后穩(wěn)定系數(shù)的變化結(jié)果

由圖7可知，軸線偏移距離越大，k值越低，當(dāng)偏移距離>30cm后，k值臨近最低標(biāo)準(zhǔn)甚至低于標(biāo)準(zhǔn)值，因此，施工過程中，需控制軸線偏移距離≤30cm。

3.3.3風(fēng)荷載對鋼箱梁穩(wěn)定性的影響

鋼箱梁施工過程中，風(fēng)荷載影響鋼箱梁的穩(wěn)定性，因此，將風(fēng)荷載數(shù)據(jù)輸入MIDAS計算模型中，通過調(diào)節(jié)不同風(fēng)力等級，模擬風(fēng)荷載對鋼箱梁穩(wěn)定性的影響，獲取不同風(fēng)力等級下k值的變化，如圖8所示。

圖8 風(fēng)荷載變化下穩(wěn)定系數(shù)的變化結(jié)果

由圖8可知，隨著風(fēng)力等級逐漸增加，k值逐漸下降，但仍顯著高于標(biāo)準(zhǔn)值。當(dāng)風(fēng)力等級達(dá)到6級后，k值為4左右，明顯高于標(biāo)準(zhǔn)值，結(jié)合各橋梁施工規(guī)范制度，當(dāng)風(fēng)力等級>6級后，應(yīng)停止施工，因此，風(fēng)荷載對鋼箱梁施工影響較小，對鋼箱梁抗傾覆穩(wěn)定性能的影響可忽略不計。

3.4 風(fēng)險概率評估和風(fēng)險損失等級判斷

通過橋梁風(fēng)險概率和損失分析，模擬施工過程中的風(fēng)險概率評估和風(fēng)險損失等級判斷測試。結(jié)合橋梁自重荷載、車輛行駛荷載、支座沉降荷載、梯度溫度變化荷載等荷載組合，獲取頂推施工技術(shù)在5種施工工況下，每個工況的風(fēng)險概率和風(fēng)險損失結(jié)果，以分析頂推施工技術(shù)的施工質(zhì)量，結(jié)果如圖9所示。

圖9 風(fēng)險概率評估和風(fēng)險損失等級判斷結(jié)果

由圖9可知，5種工況中，每個工況的風(fēng)險概率和風(fēng)險損失結(jié)果均存在一定差異，其中工況3的風(fēng)險概率約為0.02，存在較低的風(fēng)險損失，其余工況的風(fēng)險概率均低于0.009，表明不會造成風(fēng)險損失。因此，采用頂推法施工鋼箱梁時，及時調(diào)整施工工藝，即能夠保證良好的施工質(zhì)量。

4 結(jié)語

頂推法是跨度較大橋梁的主要施工技術(shù)[11-16]，本文對高架鋼箱梁橋施工中的應(yīng)用展開研究，結(jié)合有限模型及穩(wěn)定性計算和風(fēng)險概率計算，獲取該技術(shù)的施工效果和工程質(zhì)量。結(jié)果顯示，采用該技術(shù)施工鋼箱梁過程中，應(yīng)控制脫空支點(diǎn)和軸線偏移距離，以保證良好的施工效果和橋梁質(zhì)量。