頂推法用于大跨連續(xù)鋼桁梁橋施工的探討

劉堯慶

(中鐵十三局集團(tuán) 第一工程有限公司，遼寧 大連 116031)

1 工程概況

東江南支流特大橋?yàn)殡p層剛性懸索加勁三跨連續(xù)鋼桁梁橋，主橋上部結(jié)構(gòu)由三片華倫式主桁、上下平面聯(lián)接系、縱橫梁橋面系和剛性吊桿加勁懸索組成。跨度布置為(112 +208 +112)m，桁高10 m，桁間距2 ×18 m，中間支點(diǎn)處上加勁弦中心到上弦中心高度28 m，上加勁弦與上弦在跨中合成上弦，節(jié)間長(zhǎng)度8 m(圖1)。主桁三片桁間僅在中間支點(diǎn)上加勁弦與上弦間的大豎桿處設(shè)有橫向聯(lián)結(jié)系，其他位置將豎桿與橫梁聯(lián)結(jié)成橫向框架。上加勁弦采用二次拋物線，上弦與上加勁弦之間用吊桿連接。主桁上下弦桿為箱型截面整體節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，采用高強(qiáng)螺栓M30 和M27 連接。主桁上、下弦桿桿件制造長(zhǎng)度16 m，鋼桁梁安裝總質(zhì)量15 000 t，單件最大吊重50 t。

圖1 東江南支流特大橋主橋立面圖(單位:m)

2 懸臂拼裝施工方案

2．1 方案概述

本橋現(xiàn)已建成通車(chē)，實(shí)際施工中采用的是懸臂拼裝施工方案。

懸臂拼裝由兩側(cè)邊跨向跨中相向?qū)ΨQ(chēng)進(jìn)行［1］，首先在邊跨靠邊墩一側(cè)搭設(shè)臨時(shí)支架和臨時(shí)墩，長(zhǎng)度為64 m，利用跨梁龍門(mén)吊在支架上拼裝該段鋼桁梁，然后在梁頂安裝50 t(QLY50/16 型)全回轉(zhuǎn)式懸臂吊機(jī)，向跨中懸臂拼裝至跨中臨時(shí)墩頂合龍。

懸臂法拼裝鋼桁梁主要流程如圖2 所示。

(1)首先在桁梁兩側(cè)搭設(shè)施工棧橋用于跨梁龍門(mén)吊行走、運(yùn)送桁梁桿件和主墩施工。

圖2 懸臂法拼裝鋼桁梁施工示意圖

(2)邊墩至主墩之間桁梁下方搭設(shè)桁梁拼裝臨時(shí)支架。

(3)拼裝跨梁龍門(mén)吊，跨度60 m，吊高不小于30 m，吊重不小于50 t。

(4)在支架頂拼裝邊跨段鋼桁梁(64 m 長(zhǎng))，桁梁頂拼裝懸臂拼裝吊機(jī)。

(5)兩側(cè)懸拼吊機(jī)向跨中拼裝鋼桁梁桿件到跨中臨時(shí)墩頂合龍。

(6)由跨中向邊跨拼裝加勁弦桿件。

2．2 懸臂拼裝施工分析

(1)懸臂吊機(jī)的選購(gòu)或設(shè)計(jì)。懸臂吊機(jī)一般采用兩臺(tái)QLY50/16 型懸臂吊機(jī)，吊裝最大桿件質(zhì)量為47 t。

(2)跨梁龍門(mén)吊機(jī)。本橋懸臂拼裝起始段及全回轉(zhuǎn)懸臂吊機(jī)的安裝需首先在邊跨橋位設(shè)置跨度為60 m，吊高大于30 m，吊重大于60 t 的龍門(mén)吊，龍門(mén)吊下設(shè)置專(zhuān)用水上施工棧橋。如此高度、跨度和吊重的龍門(mén)還要行駛在棧橋上，其設(shè)計(jì)和施工都將成為難點(diǎn)和施工控制的重點(diǎn)［2］。為此必須選擇有經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)業(yè)廠家進(jìn)行龍門(mén)吊的設(shè)計(jì)和施工，施工棧橋的設(shè)計(jì)從其標(biāo)準(zhǔn)、參數(shù)選取和施工質(zhì)量方面都要有充分保障［3］。

(3)跨中臨時(shí)墩。在鋼桁梁懸拼至跨中合龍時(shí)調(diào)整梁的線形標(biāo)高需要提供較大的豎向力［3］，在河中心深水處基巖祼露區(qū)域施工臨時(shí)墩，從技術(shù)和施工管理角度來(lái)看都有相當(dāng)?shù)碾y度。通過(guò)數(shù)值模擬分析確定其荷載，有針對(duì)性的采取措施攻克深水、基巖祼露等問(wèn)題，保證臨時(shí)墩的性能。

(4)龍門(mén)吊專(zhuān)用棧橋。由于橋址處基巖祼露、強(qiáng)度高，在這種地質(zhì)條件下要修建大量的大型龍門(mén)吊專(zhuān)用臨時(shí)施工棧橋需要投入大量的物資和設(shè)備，勢(shì)必增大成本［4］。

(5)鋼桁梁合龍。采用高強(qiáng)螺栓連接，拼裝的精度要求高［5］，且桿件截面大、板材厚、強(qiáng)度高、剛度大，經(jīng)過(guò)懸臂拼裝152 m 實(shí)現(xiàn)跨中精確合龍，也是施工中的一個(gè)難點(diǎn)。通過(guò)有限元模擬分析各施工階段，提出施工預(yù)控值，嚴(yán)格控制施工線形，確保合龍精度。

3 頂推施工方案分析

本橋采用懸臂拼裝施工方案雖已建成，但在實(shí)際施工過(guò)程中存在以下問(wèn)題:吊裝專(zhuān)用特種設(shè)備難以滿足要求;臨時(shí)棧橋和臨時(shí)墩施工增加了施工成本和施工難度;大型龍門(mén)吊在河道內(nèi)長(zhǎng)距離行駛增加了不安全因素;桁梁拼裝作業(yè)面隨施工進(jìn)度不斷變化增加了水道航道安全隱患;拼裝作業(yè)會(huì)時(shí)常受到不利天氣影響而制約施工進(jìn)度。

采用頂推法，對(duì)本橋重新進(jìn)行施工仿真分析，為類(lèi)似橋梁施工提供參考。采用頂推法架設(shè)鋼桁梁具有投入設(shè)備少，施工簡(jiǎn)捷、快速、高效的特點(diǎn);而鋼桁梁頂推施工重點(diǎn)是要解決好頂推過(guò)程中桁梁節(jié)點(diǎn)受力問(wèn)題。鋼桁架頂推施工原理在橋臺(tái)桁架支座位置設(shè)置頂推裝置，通過(guò)水平千斤頂施力，借助滑道、滑塊將桁架沿橋縱軸線逐段向前頂進(jìn)，跨越各中間墩，直達(dá)彼岸，就位后落梁，更換永久支座［6］。本橋三片主桁斷面結(jié)構(gòu)新穎但受力復(fù)雜，結(jié)構(gòu)體系受力性能空間效應(yīng)特別突出，用平面分析的方法不能正確反映結(jié)構(gòu)的整體受力特征;在不同工況存在偏載作用下，主桁內(nèi)必然存在很大扭矩，導(dǎo)致主桁斷面的畸形及翹曲變形［7］。故必須建立空間有限元模型，對(duì)頂推法施工全過(guò)程進(jìn)行分析，以模擬結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況，為制定合理的施工方案奠定理論基礎(chǔ)。

3．1 模型建立

利用ANSYS 軟件中的link10 單元，模擬棧橋平臺(tái)只能受壓不能受拉的力學(xué)性能;桁架上下弦桿、腹桿采用beam4 單元模擬［8］;上下平聯(lián)桿采用link8 單元模擬;分析中限制主墩處桁架下弦節(jié)點(diǎn)的水平向位移。桁架空間有限元模型如圖3 所示。

3．2 計(jì)算工況及計(jì)算內(nèi)容

施工全過(guò)程分析共分為11 個(gè)工況，除工況4 外，均為每推進(jìn)兩個(gè)節(jié)間(16 m)作為一個(gè)工況，工況4為將節(jié)點(diǎn)E27 頂推至主墩處的情況，工況1、工況4 和工況11 的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示。

圖3 有限元模型

圖4 部分工況結(jié)構(gòu)示意圖(單位:m)

每個(gè)工況分別計(jì)算出支座反力、平弦下弦各節(jié)點(diǎn)撓度、最大應(yīng)力以及傾覆臨界力。其中，傾覆臨界力是指結(jié)構(gòu)不發(fā)生傾覆情況下，懸臂端部允許施加的最大集中荷載。平弦下弦節(jié)點(diǎn)編號(hào)從左至右依次為E0 ～E27(圖5);支座編號(hào)如圖6 所示，其中Z1 ～Z5 為棧橋施工平臺(tái)支座，Z6 為主墩支座。

圖5 桁架節(jié)點(diǎn)和支座編號(hào)(單位:m)

3．3 有限元分析結(jié)果

各種工況下結(jié)構(gòu)的最大變形、桿件最大應(yīng)力、轉(zhuǎn)角和結(jié)構(gòu)臨界傾覆力如表1 所示;施工過(guò)程中各支座最大支反力如表2 所示;部分工況結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖6 所示。

3．4 分析結(jié)論

分析表1 和表2 中有限元計(jì)算結(jié)果可以看出，結(jié)構(gòu)進(jìn)行頂推施工各階段所有桿件處于應(yīng)力較低的彈性狀態(tài)，變形不大，桁梁撓度等各指標(biāo)均處正常可控的狀態(tài)。且分析方法簡(jiǎn)單，可操控性更強(qiáng)，適宜于推廣。

表1 頂推法施工主要工況下結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

表2 施工過(guò)程中支座最大支反力 kN

圖6 部分工況結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

4 結(jié)論及反思

基于上述分析，通過(guò)和常規(guī)的懸拼方案相比，可以得出如下結(jié)論:

(1)從施工模擬角度來(lái)看，頂推法施工，結(jié)構(gòu)桿件均處于良好的彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力比不高，避免了由于施工引起的附加應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響，且結(jié)構(gòu)施工模擬相對(duì)簡(jiǎn)單，而懸拼法施工模擬相對(duì)復(fù)雜。

(2)從施工角度來(lái)看，常規(guī)的懸臂拼裝法雖然使用廣泛，但對(duì)于本橋施工存在需要的設(shè)備多、投入大，運(yùn)輸、吊裝作業(yè)復(fù)雜，管理難度大等問(wèn)題;而對(duì)于頂推法，只要解決好頂推滑道及滑塊的問(wèn)題，確保頂推中豎向力作用于桁架節(jié)點(diǎn)，就可發(fā)揮出其簡(jiǎn)化作業(yè)、減少投入、安全高效的優(yōu)點(diǎn)。

綜上所述，頂推方法雖從理論上更加適用于本工程，并且可以取得較好的經(jīng)濟(jì)效益［9］，但超過(guò)百米的鋼桁梁橋常用頂推法施工極為罕見(jiàn)，難度大，問(wèn)題多，尤其是頂推技術(shù)設(shè)備、滑道、導(dǎo)梁的設(shè)置、頂推位置的確定、落梁的時(shí)機(jī)［10］，要真正實(shí)施還有許多技術(shù)難題需要解決，本文只是為類(lèi)似橋梁施工方案的選擇提供一個(gè)有益的借鑒、參考。

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