跨鐵路寧波東站橋梁頂推施工的導(dǎo)梁設(shè)計(jì)

卞永明，敬 重，王麗萍，劉廣軍，程 鵬

（1.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804；2.上海同新土木工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，上海 200092）

隨著橋梁建設(shè)事業(yè)的飛速發(fā)展，頂推施工技術(shù)在造橋施工中被廣泛采用.其原理是在施工時(shí)采用特制的頂推動(dòng)力裝置，推動(dòng)梁體在專用的臨時(shí)設(shè)施、滑動(dòng)裝置上移動(dòng)，最終將梁體推移到預(yù)定的位置.頂推施工技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是不影響江河通航并且不需要大型吊裝設(shè)備.為了減少主梁的最大懸臂長度，減小主梁前端在頂推施工過程中的內(nèi)力，并且加大頂推跨度防止梁體傾覆，需在主梁沿頂推方向的最前端安裝鋼導(dǎo)梁.導(dǎo)梁配置的合理與否決定了整個(gè)施工過程中需要多少頂推設(shè)備和臨時(shí)墩設(shè)備，并且通過導(dǎo)梁的合理配置來盡量優(yōu)化臨時(shí)墩設(shè)備的結(jié)構(gòu).文獻(xiàn)［1］和文獻(xiàn)［2］主要研究了導(dǎo)梁的長度、剛度及質(zhì)量等結(jié)構(gòu)參數(shù)在頂推施工階段對(duì)主梁內(nèi)力影響的敏感性，為頂推施工導(dǎo)梁的配置提供了參考.文獻(xiàn)［3—5］主要在合理配置參數(shù)的基礎(chǔ)上提出了導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)的幾種優(yōu)化方法.本論文以跨鐵路寧波東站主橋項(xiàng)目的施工過程為例，以集成的計(jì)算機(jī)軟件作為分析工具，提出了一種計(jì)算頂推施工中導(dǎo)梁合理配置的方法，同時(shí)介紹了導(dǎo)梁與鋼箱梁的一種特殊連接形式.

1 工程概況

跨鐵路寧波東站主橋?yàn)椋?00＋220＋100）m三跨一聯(lián)雙塔雙索面斜拉橋，采用半漂浮體系，兩邊跨預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁各長109.4m，中跨鋼箱梁長201.2m（含結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)長度），鋼箱梁兩端分別與伸過主塔的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁通過鋼－混合段連接.

鋼箱梁采用累積拼裝頂推法施工.在主跨布置安裝頂推平臺(tái)和臨時(shí)墩，利用頂推平臺(tái)和臨時(shí)墩完成鋼箱梁的頂推.共布置7個(gè)臨時(shí)墩（編號(hào)分別為L2，L3，…，L8），頂推時(shí)，在橋的頂推方向有前導(dǎo)梁引導(dǎo)橋體的頂推，如圖1所示.

圖1 總體布置示意圖（單位：mm）Fig.1 Schematic diagram of the overall arrangement（unit：mm）

2 導(dǎo)梁設(shè)計(jì)的力學(xué)模型與計(jì)算

本節(jié)采用解析的方法對(duì)頂推過程中鋼箱梁和導(dǎo)梁的受力進(jìn)行分析，可分為兩種情況：鋼箱梁和鋼導(dǎo)梁在2個(gè)臨時(shí)墩支撐時(shí)為靜定結(jié)構(gòu)簡化為簡支梁模型，如圖2所示；在2個(gè)以上臨時(shí)墩支撐時(shí)為超靜定結(jié)構(gòu).定義相鄰臨時(shí)墩間的距離為Li（i為靠近導(dǎo)梁端的第i段，i＝1，2，3，…），鋼導(dǎo)梁的長度為a，懸臂的長度為h，首先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一些簡化［6］：

（1）鋼導(dǎo)梁與鋼主梁在連接處按剛接處理；

（2）鋼導(dǎo)梁與鋼主梁分別具有均一的質(zhì)量和抗彎剛度.設(shè)鋼主梁的自重均布載荷和抗彎剛度分別為q1，I1，鋼導(dǎo)梁的自重均布載荷和抗彎剛度分別為q2，I2；忽略施工誤差等引起的次內(nèi)力.

2.1 靜定工況力學(xué)模型的建立及求解

以第一段鋼箱梁頂推為例，在2個(gè)臨時(shí)墩參與頂推的過程中，鋼箱梁和導(dǎo)梁處于簡支懸臂體系，此時(shí)的力學(xué)模型如圖2所示，其中Fax，F(xiàn)ay分別表示后支點(diǎn)橫向和豎向的反力，F(xiàn)by為前支點(diǎn)的豎向反力.

圖2 靜定工況受力簡圖Fig.2 Force diagram of statically determinate structure

由靜力平衡條件可知：

得

任意截面的彎矩M為

式中：x為所求截面到導(dǎo)梁前端的距離.

2.2 超靜定工況力學(xué)模型的建立及求解

在n（n＞2）個(gè)臨時(shí)墩同時(shí)參與頂推的過程時(shí)，鋼箱梁和導(dǎo)梁處于超靜定結(jié)構(gòu)，并且超靜定的次數(shù)為（n－1），此時(shí)內(nèi)力不能通過平衡方程直接全部求出.本文采用力法進(jìn)行求解.計(jì)算思路為：去掉（n－1）個(gè)多余的約束，以（n－1）個(gè)未知力代替；再根據(jù)原結(jié)構(gòu)的位移條件建立力法方程，解出多余的未知力.這樣就把把超靜定的問題轉(zhuǎn)化成了靜定的問題來求解.力學(xué)模型如圖3所示.可以建立以下力法方程［7］：

式中：Xi（i＝1，2，3，…，n－1）為去掉支座處多余聯(lián)系后加上的（n－1）個(gè)多余未知力.ΔiP表示基本結(jié)構(gòu)上沿多余未知力Xi的作用方向在Xi的作用處由荷載單獨(dú)作用時(shí)所產(chǎn)生的位移；δij（i＝1，2，3，…，n－1，j＝1，2，3，…，n－1）為基本結(jié)構(gòu)上Xi的作用處沿其作用方向，由第j個(gè)多余未知力為單位1時(shí)（Xj＝1）單獨(dú)作用時(shí)所產(chǎn)生的位移.

圖3 超靜定工況力學(xué)模型圖Fig.3 Mechanics model of statically indeterminate structure

根據(jù)疊加原理計(jì)算得出彎矩為

通過上述計(jì)算提供的依據(jù)對(duì)導(dǎo)梁進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，如圖4和圖5所示：導(dǎo)梁全長40m，分成4節(jié)，第一節(jié)長8m，第二、三節(jié)長均為10m，第四節(jié)長為12m.導(dǎo)梁與鋼箱梁、導(dǎo)梁節(jié)段之間采用高強(qiáng)螺栓連接.導(dǎo)梁由鋼板加工成工字型，兩工字型截面中心距10m，通過橫向桁架連接.由根部向前，第一、二節(jié)段上下翼緣板采用30mm鋼板，腹板采用20mm鋼板；第三、四節(jié)段上下翼緣板采用20mm鋼板，腹板采用16mm鋼板.考慮到導(dǎo)梁前端的負(fù)彎矩對(duì)導(dǎo)梁上墩產(chǎn)生的影響，選取梁高由3.3m漸變至0.95m；鋼導(dǎo)梁各節(jié)段腹板均設(shè)置豎向和縱向加勁肋，板厚采用10mm，12mm2種，橫向加勁肋間距2.0m左右，縱向加勁肋共設(shè)置上下2層，距離翼緣板0.5m.整套導(dǎo)梁重約85t.

圖4 導(dǎo)梁立面圖（單位：mm）Fig.4 Elevation of guide beam（unit：mm）

圖5 導(dǎo)梁上下結(jié)構(gòu)平面圖（單位：mm）Fig.5 Plan of guide beam（unit：mm）

3. 鋼箱梁滑移過程仿真

3.1 幾何模型

本項(xiàng)目采用集成化的通用結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件sap2000對(duì)頂推過程中具有代表性的工況進(jìn)行整體計(jì)算.圖6為整個(gè)頂推過程中某一工況的計(jì)算模型.首先采用AutoCAD建立三維線框模型導(dǎo)入到sap2000中，然后在sap2000中定義截面形式.

圖6 導(dǎo)梁的計(jì)算模型Fig.6 Calculation model of guide beam

3.2 荷載模式和工況

本項(xiàng)目由于采取累積拼裝滑移的施工方法，在整個(gè)頂推過程中選取了30個(gè)典型工況，分別對(duì)導(dǎo)梁和鋼箱梁臨時(shí)擱置時(shí)以及頂推時(shí)2種情況進(jìn)行了計(jì)算.在sap2000中定義的荷載模式和荷載組合：荷載模式和荷載組合均只有鋼箱梁和導(dǎo)梁自重引起的永久荷載.另外，根據(jù)《GB50009—2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》定義設(shè)計(jì)荷載組合，即在永久荷載的基礎(chǔ)上乘以1.2的分項(xiàng)系數(shù).整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)約束加在臨時(shí)墩頂推的位置，如圖7所示.

圖7 導(dǎo)梁模型施加約束Fig.7 Constraint of guide beam

3.3 計(jì)算結(jié)果和分析

在sap2000進(jìn)行分析時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)將建立的面對(duì)象的模型轉(zhuǎn)換成基于有限元的模型.通過對(duì)每個(gè)典型工況的分別計(jì)算，得出各狀態(tài)下臨時(shí)墩的豎向反力、鋼箱梁及導(dǎo)梁的變形、鋼箱梁及導(dǎo)梁的應(yīng)力比，統(tǒng)計(jì)出滑移距離與各臨時(shí)墩豎向反力的曲線（圖8）和導(dǎo)梁前端的變形曲線（圖9）.鋼箱梁與導(dǎo)梁應(yīng)力比，如圖10所示.圖中可定性地判斷應(yīng)力是否超限：模型中如果出現(xiàn)深色區(qū)域，此部分應(yīng)力比有問題，通過查詢桿件的具體信息，查出此部分桿件出現(xiàn)問題的原因，定量的判斷應(yīng)力比的方法是通過顯示表格的方法查出模型中某一工況下所有桿件的應(yīng)力比大小，由此查出模型中應(yīng)力比超限的桿件.通過計(jì)算，導(dǎo)梁在鋼箱梁頂推滑移97.8m的時(shí)候前段變形最大為－176.67mm，在鋼箱梁頂推滑移130m時(shí)，在導(dǎo)梁中間段聯(lián)系橫桿出現(xiàn)最大的應(yīng)力比為0.382，均滿足設(shè)計(jì)要求.

圖8 滑移過程臨時(shí)墩支反力曲線Fig.8 Reaction curve of temporary pier in slip process

圖9 滑移過程導(dǎo)梁前端變形的曲線Fig.9 Deformation curve of guide beam in slip process

4. 導(dǎo)梁與鋼箱梁的連接

圖10 滑移過程鋼箱梁與導(dǎo)梁應(yīng)力比圖Fig.10 Ratio of stress of steel box girder and guide beam

鋼箱梁在與導(dǎo)梁的連接時(shí)，考慮到受力，要求一般均采取導(dǎo)梁的主筋與鋼箱梁的加筋處相連.大多數(shù)的鋼箱梁結(jié)構(gòu)均如圖11a所示.這種鋼箱梁與導(dǎo)梁連接時(shí)由于鋼箱梁加筋處的底面很平整，導(dǎo)梁與鋼箱梁底部的過渡段連接均處于一個(gè)平面內(nèi)，在整個(gè)滑移過程中導(dǎo)梁和鋼箱梁均可以同時(shí)平穩(wěn)地上下臨時(shí)墩結(jié)構(gòu)，如圖12所示.而本項(xiàng)目的鋼箱梁結(jié)構(gòu)如圖11b所示，鋼箱梁加筋處的底部筋板呈現(xiàn)一個(gè)弧線的形式，這就為施工中導(dǎo)梁與鋼箱梁的連接帶來了困難，為解決這一問題提出了如圖13的方案.

圖11 鋼箱梁結(jié)構(gòu)圖Fig.11 Structure of box girder

圖12 一般鋼箱梁與導(dǎo)梁連接圖Fig.12 Connection of general box girder and guide beam

這種方法的核心就是導(dǎo)梁底部“掛板”和“拆板”的問題，具體思想如下：將導(dǎo)梁過渡段底板由80mm厚鋼板加工成底面與鋼箱梁底面弧度一致，對(duì)接處鋼箱梁下翼緣板因弧度而產(chǎn)生的高差完全包含在過渡板板厚范圍內(nèi)，方便鋼箱梁底面可以平滑過渡到導(dǎo)梁底面并且方便對(duì)接.導(dǎo)梁底板和導(dǎo)梁底板上墩可拆卸墊板是由40mm厚鋼板加工分3塊，兩端長1.5m，中間長2m，間隔100mm.兩端2塊各由8個(gè)內(nèi)六角圓柱頭螺釘與梁底部連接，中間1塊由10個(gè)內(nèi)六角圓柱頭螺釘與導(dǎo)梁底部連接.

圖13 跨鐵路寧波東站鋼箱梁與導(dǎo)梁連接結(jié)構(gòu)圖Fig.13 Connection of box girder and guide beam of bridge across Ningbo East Station

5 結(jié)論

介紹了在跨寧波東站主橋施工過程中導(dǎo)梁的設(shè)計(jì)計(jì)算思路以及導(dǎo)梁和鋼箱梁在施工中的特殊連接：

（1）通過導(dǎo)梁力學(xué)模型的建立，采用集成的結(jié)構(gòu)分析軟件sap2000，對(duì)施工過程中典型工況分別計(jì)算得出各狀態(tài)下臨時(shí)墩的豎向反力、鋼箱梁及導(dǎo)梁的變形以及鋼箱梁及導(dǎo)梁的應(yīng)力比.通過統(tǒng)計(jì)臨時(shí)墩受力最大的情況，為之后臨時(shí)墩的局部計(jì)算提供依據(jù).通過統(tǒng)計(jì)鋼箱梁及導(dǎo)梁變形最大的情況，可以確保在整個(gè)施工過程中保持頂推線形的準(zhǔn)確性；通過統(tǒng)計(jì)鋼箱梁及導(dǎo)梁的應(yīng)力比，可以確保在整個(gè)施工過程中鋼箱梁和導(dǎo)梁的結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞.如鋼箱梁或?qū)Я褐谐霈F(xiàn)較大的應(yīng)力比時(shí)，要對(duì)導(dǎo)梁進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，確保整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性.

（2）由于本項(xiàng)目中鋼箱梁腹板所處的位置使其與導(dǎo)梁主筋焊接連接的結(jié)構(gòu)在整個(gè)頂推過程中不能實(shí)現(xiàn)在臨時(shí)墩上的平滑過渡，本項(xiàng)目中鋼箱梁與導(dǎo)梁通過螺栓“掛放”板的技術(shù)已成功地用于寧波東站主橋的滑移施工，對(duì)橋梁頂推施工中導(dǎo)梁與鋼箱梁的連接提供了一定的參考價(jià)值.

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