基于漂浮體系的多種橋梁頂升支撐-約束系統(tǒng)力學行為研究

張彥龍

（中鐵二十二局集團第一工程有限公司，哈爾濱 150000）

橋梁頂升工程相較于橋梁新建工程，因其施工時是對整個橋梁施加力學行為，造成整個橋梁的力學技術參數(shù)都會發(fā)生改變，所以施工難度更大，為此諸多學者都對其進行了分析研究。

王曉峰[1]以廈門市仙岳路立交頂升設計為背景，對混凝土結構提出了加鋪、減載、加固3 種層次的頂升設計解決方案，對鋼結構采用上述3 種方案均失效時，還提出了切割-分段頂升-焊接成形的頂升改造方案。張永山等[2]闡述了頂升基礎及橋臺支架結構設計與施工，其支架具有結構簡單、重量輕便、安拆方便的特點，既保障了橋梁頂升的施工安全，又保障了施工進度和質(zhì)量。劉美景等[3]對橋梁頂升施工中鋼抱箍節(jié)點受力性能進行分析，提出了2 種新型鋼抱箍連接節(jié)點，并對其設計原則和設計參數(shù)進行了分析，利用ABAQUS 軟件建立了2 種節(jié)點的準確有限元模型，對鋼抱箍節(jié)點受力性能開展數(shù)值模擬分析。李清江[4]依據(jù)京哈高速公路改擴建項目東九號分離立交橋舊橋改造建設實例，提煉匯總出改擴建公路橋梁因縱斷面高程抬高，采用頂升更換支座加高墩臺獸梁施工技術，為類似橋梁施工提供借鑒經(jīng)驗。彭瑋[5]簡要介紹頂升支撐設計及施工要點，并重點介紹頂升支撐結構安全分析時所要考慮的荷載工況、關鍵施工階段和分析內(nèi)容，以及根據(jù)分析結果所提出的意見與建議，可為實際工程設計提供技術支撐，也可為類似工程提供有價值的設計經(jīng)驗。

綜上所述，學者們對橋梁頂升施工做了全面的研究，但很少有人對頂升支撐與約束系統(tǒng)進行詳盡的描述，本文將從這方面入手，著重介紹橋梁頂升施工的支撐與約束系統(tǒng)的結構設計。

1 工程介紹

1.1 項目簡介

該工程位于哈爾濱東三環(huán)，南起先鋒路北側400 m處，跨越規(guī)劃向化街和鐵路專用線后落地。全橋均采用簡支轉連續(xù)預應力混凝土小箱梁結構，橋面分兩幅布置，單幅橋面寬度23 m。西幅跨徑布置為4×30 m（簡支轉連續(xù)小箱梁）+3×40 m（簡支轉連續(xù)小箱梁）+3×30 m（簡支轉連續(xù)小箱梁）+3×30 m（簡支轉連續(xù)小箱梁）。東幅跨徑布置為4×30 m（簡支轉連續(xù)小箱梁）+4×30 m（簡支轉連續(xù)小箱梁）+3×30 m（簡支轉連續(xù)小箱梁）+3×30 m（簡支轉連續(xù)小箱梁）。橋型布置圖如圖1 所示。

圖1 橋型布置圖

1.2 頂升設計總體改造方案

南側引橋老橋（PM291～PM295）頂升改造。老橋利用情況：上部結構小箱梁均保留利用，PM291 橋臺拆除后改造為橋墩，PM292～PM295 橋墩接高、基礎保留利用。

北側引橋老橋（PM298～PM304）頂升改造。老橋利用情況：上部結構小箱梁均保留利用，PM298～PM303橋墩接高、基礎保留利用，PM304 橋臺拆除后改造為橋墩。梁體長度調(diào)整情況見表1。

表1 梁體長度調(diào)整情況表

2 頂升支撐-約束系統(tǒng)結構設計

橋梁頂升支撐-約束系統(tǒng)是指橋梁頂升過程中用于施工的臨時輔助結構的統(tǒng)稱，可以有效地改善橋梁頂升施工效率和安全性，并且可以有效地約束橋梁的梁體，以確保橋梁的穩(wěn)定性和安全性，從而減少施工時間，降低施工成本，提高施工質(zhì)量。

2.1 支撐系統(tǒng)設計

2.1.1 抱柱梁

抱柱梁長18 m、寬4.4 m、高1.6 m，中心限位孔長寬各是2.3 m，與限位柱間隙1 cm。兩邊限位孔：寬1.4 m、長0.7 m。采用C40 混凝土，植筋選用φ25 鋼筋，植入深度70 cm，上下各布置二層，中間布置一層，橫間距18 cm，構造鋼筋采用φ20 筋，間距20 cm 布置，箍筋采用φ16 筋每4 個一箍，間距20 mm。抱柱梁結構示意圖如圖2 所示。

圖2 抱柱梁結構示意圖

2.1.2 鋼管支撐

鋼管布置原則：在頂升前采用最大鋼管高度原則，即首根鋼管采用現(xiàn)場能用的最高值，結合現(xiàn)有材料，鋼支撐主要可以為3、2、1、0.5、0.2 m 和0.1 m 六種規(guī)格。頂升段采用1、2、3 m 段作為更換節(jié)，考慮現(xiàn)場安全，主要使用1 m 和2 m 作為頂升節(jié)。

頂升支撐鋼管采用φ609×16 鋼管，鋼支撐立柱中心離橋梁墩柱邊70 cm，兩鋼支撐中心間距為90.9 cm，與墩柱對稱布置，每根墩柱側面布置2 根，共布置8根，一個橋墩16 根立柱。縱橫向連接系每2 m 一道，縱橫向連系采用10#槽鋼，使其鋼支撐形成穩(wěn)定的結構形式，以保證使用的穩(wěn)定性。

2.1.3 頂升獸梁加固

頂升獸梁加固新增楔形塊調(diào)平，楔形塊采用C60高強灌漿料澆筑，獸梁下底面植筋間距φ16@150，植入深度10 cm，鋼筋網(wǎng)片φ16@150，內(nèi)排立柱中心線距墩柱邊55 cm，楔形塊下部預埋20 mm 厚鋼板，預埋板邊線距墩柱邊線20 cm，預埋板中心線間距1 m。

2.1.4 橋臺支撐構件

橋臺支撐由支撐鋼管、臨時墊塊及水平系桿等組成。每個墩柱頂升支撐的主體采用精加工的φ609×16鋼管作為支撐。鋼管上下兩端焊接厚度為25 mm 的法蘭，側面焊有連接用構件。每根鋼管支撐下部通過植入M24 錨栓與承臺或筏基混凝土連接。具體布置為橋梁下采用φ609×16 鋼管立柱，同排立柱中心間距0.8 m，2 排立柱橫向中心間距3.82 m，立柱縱向中心間距3.05 m，共計12 排，24 根立柱?？v橫向連接系每2 m一道，縱橫向連接系采用10#槽鋼斜拉進行加強。

鋼支撐臨時墊塊：頂升專用臨時鋼墊塊用在千斤頂與臨時支撐之間。臨時鋼墊塊與頂升托架體系的鋼管相對應，采用φ609×16 鋼管，兩端焊接厚為25 mm的法蘭。每個臨時支撐頂部均配置一對楔塊和薄厚不一的鋼板，以滿足不同頂升高度的要求。為避免頂升過程中支撐失穩(wěn)，鋼墊塊間通過法蘭連接。為適應千斤頂?shù)捻斏谐蹋搲|塊共有10、20、50 cm 高度等類型。

2.2 約束系統(tǒng)設計

2.2.1 貝雷梁與鋼柱組合限位結構

貝雷梁與鋼柱組合限位結構由2 節(jié)貝雷梁和1 組立柱組合而成，貝雷梁采用1.4 m×3.0 m 的標準貝雷節(jié)連接而成，其中豎向貝雷梁由5.5 節(jié)貝雷節(jié)連接，橫向貝雷梁由8 節(jié)貝雷節(jié)連接而成，立柱由6 根φ325×14的圓管組成，立柱之間用系桿與連接板進行連接，立柱頂端設置分配梁，分配梁與橫向貝雷梁搭接而成，該限位結構主要用于橋臺的橫向限位，保證橋梁在頂升的時候橋臺位置不發(fā)生橫向的側移及偏位。

2.2.2 鋼柱限位結構

純鋼柱限位結構均為橋墩處的限位結構，但是分為2 種，其中一種為橋墩處有抱柱梁，另一種為橋墩處并沒有抱柱梁，下面分別介紹。

第一種為有抱柱梁處的限位情況，同樣的，鋼柱為φ325×14 的圓管，但數(shù)量不同，在抱柱梁的兩側采用3立柱限位結構，立柱之間的距離為96 cm，立柱與立柱之間采用11#角鋼進行橫向與斜向的連接來提高限位結構的穩(wěn)定性，橫撐的布設設置為1 m 一道，斜撐連接在橫撐與立柱的交接處，立柱與抱柱梁預留1 cm 的技術間隙進行安裝，該限位結構主要起抗扭限位作用。在抱柱梁的中間采用4 立柱限位連接，組成2.3 m×2.3 m的矩形限位，并采用14#角鋼進行橫向與斜向的連接，每1.5 m 的間距設置一道，該限位結構主要起縱橫向限位作用。抱柱梁處限位圖示如圖3 所示。

圖3 抱柱梁處限位圖示

第二種為無抱柱梁處的限位情況，此時采用φ609×16 圓管進行螺栓連接，立柱縱向間距為1.8 m，橫向間距為3.27 m，預留技術間隙為1 cm，同樣采用14#的角鋼進行橫向與斜向的連接，每1 m 設置一道，縱向限位牛腿采用雙拼的250H 型鋼，距離獸梁邊緣0.8 cm，型鋼與鋼管之間采用焊接固定。

3 支撐-約束系統(tǒng)力學行為研究

現(xiàn)對支撐-約束系統(tǒng)中的部分結構進行力學驗算，驗證其在施工過程中的安全性。

3.1 支撐系統(tǒng)驗算

現(xiàn)對抱柱梁相關結構進行驗算，由于線形混凝土規(guī)范中并未單獨說明抱柱梁結構的計算模型，考慮頂升過程中抱柱梁的受力模式（即2 組千斤頂交替頂升），即假設頂升過程中抱柱梁四面均為單獨的牛腿進行計算，依據(jù)GB 50010—2015《混凝土結構設計規(guī)范》進行計算。

式中：Fvk為作用于牛腿頂部按荷載效應標準組合計算的豎向力值；Fhk為作用于牛腿頂部按荷載效應標準組合計算的水平拉力值；β 為裂縫控制系數(shù)，支撐吊車梁的牛腿，取0.65，其他取0.80；a 為豎向力作用點至下柱邊緣的水平距離，應考慮安裝偏差20 mm，當考慮安裝偏差后的豎向力作用點仍位于下柱截面以為取等于0；b 為牛腿寬度；h0為牛腿與下柱交接處的垂直截面有效高度，取h1-as+c·tanα，當a 大于45°時，取45°，c 為下柱邊緣到牛腿外邊緣的水平長度；橫橋向，a 取720 mm（考慮20 mm 的施工誤差），b 取1 700 mm，h0=1 600-50=1 550 mm，F(xiàn)vk取5 000 kN（10 000 kN÷2），ftk為2.4 N/mm2，經(jīng)過簡化變形后可得

5 000 kN＜2.4×1 700×1 550÷（0.5+720/1 550）=6 529 kN。

現(xiàn)對頂升支撐鋼管進行驗算，經(jīng)計算，支撐鋼管的最不利受力狀態(tài)為單根鋼管承受大小為280 kN 的水平推力，采用Midas-civil 進行建模分析，所有桿件均為梁單元，橫撐與斜撐為Q235 材質(zhì)，立柱為Q345 材質(zhì)，立柱與基礎固定連接，立柱、橫撐、斜撐之間共節(jié)點連接，模型受自身結構重力，取1.02 倍安全系數(shù)（連接板等小件），另外在結構一側的每根立柱上施加280 kN 的水平荷載，計算模型與結果如圖4 所示。

圖4 支撐鋼管模型與結果

由模擬結果可以得到，在最不利狀態(tài)下，頂升支撐鋼管的最大應力為σmax=189.7 MPa≤[σ]=305 MPa。

3.2 約束系統(tǒng)驗算

為保證調(diào)坡頂升過程中對水平力抵抗留有足夠安全儲備，對限位架在受到縱向水平力下的強度及變形進行計算，限位架分為頂獸梁工況及頂抱柱梁工況。

在頂抱柱梁工況情況下：采用的建模形式與支撐系統(tǒng)的建模相似，3 立柱限位結構與4 立柱限位結構所產(chǎn)生的最大應力為σmax=133 MPa≤[σ]=305 MPa，產(chǎn)生的最大變形為umax=11.5 mm，且都發(fā)生在4 立柱限位結構上，如圖5 所示。

圖5 4 立柱限位架模擬云圖

在頂獸梁工況情況下：采用的建模形式與支撐系統(tǒng)的建模相似，4 立柱限位結構所產(chǎn)生的最大應力為σmax=124 MPa≤[σ]=305 MPa，產(chǎn)生的最大變形為umax=10.6 mm，如圖6 所示。

4 結論

通過對基于漂浮體系的多種橋梁頂升支撐-約束系統(tǒng)力學行為進行研究，得到以下結論。

1）支撐系統(tǒng)、約束系統(tǒng)的結構設計詳情，其中包含支撐系統(tǒng)中的抱柱梁、鋼管支撐、頂升獸梁加固和橋臺支撐構件，約束系統(tǒng)中的貝雷梁與鋼柱組合限位結構（用于橋臺限位）、純鋼柱限位結構（用于橋墩限位）。

2）對頂升支撐體系的力學性能進行分析，包括支撐系統(tǒng)中的抱柱梁牛腿施工計算、鋼管支撐仿真模擬計算，計算結果表明頂升支撐結構最大應力為189.7 MPa。

3）分析了約束體系的力學性能，包括約束系統(tǒng)中的抱柱梁限位結構、頂獸梁限位結構仿真模擬計算，計算結果表明頂獸梁工況最大應力為133 MPa，最大變形為11.5 mm；頂獸梁工況最大應力為124 MPa，最大變形為10.6 mm。

圖6 蓋梁限位架模擬云圖