西溪河大跨徑鋼管混凝土拱橋連續(xù)梁頂推法施工過(guò)程受力分析

樊開盼，黃 欣，陳國(guó)勝

（1.天津城建大學(xué)，天津 300384；2.中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222）

西溪河大跨徑鋼管混凝土拱橋連續(xù)梁頂推法施工過(guò)程受力分析

樊開盼1，黃 欣2，陳國(guó)勝2

（1.天津城建大學(xué)，天津 300384；2.中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222）

以西溪河大跨徑鋼管混凝土拱橋?yàn)楣こ桃劳?，研究了拱上鋼箱連續(xù)梁基于無(wú)導(dǎo)梁和臨時(shí)墩的頂推法施工技術(shù)，確定了合理的頂推力及頂推量.通過(guò)建立MIDAS有限元數(shù)值模型，研究了不同頂推施工階段中各不利工況下各墩柱處的支反力最大值，得到了頂推施工過(guò)程中主梁的彎矩包絡(luò)圖.

頂推法；連續(xù)梁；不利工況；支反力最大值；頂推量

隨著橋梁高度和跨度的不斷突破，頂推法施工得到了廣泛的推廣應(yīng)用.所謂頂推法，即沿橋梁縱軸方向在橋臺(tái)的后方開辟預(yù)制場(chǎng)地，設(shè)置拼裝平臺(tái)，分節(jié)段預(yù)制、拼裝梁段，并通過(guò)縱向預(yù)應(yīng)力筋將各節(jié)段梁體與已完成的梁段連成整體，通過(guò)液壓千斤頂施力，將梁段向?qū)Π锻七M(jìn)，待全部梁段頂推就位后，進(jìn)行整體頂升，拆除滑道、落梁，最終完成橋梁施工的方法［1］.頂推法施工具有節(jié)省大量腳手架、臨時(shí)設(shè)備少、高空作業(yè)少、安全可靠、平穩(wěn)無(wú)噪聲、施工速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)［2-3］，在橋梁施工中發(fā)揮出了顯著優(yōu)勢(shì).頂推法的分類方法有許多，若按其工藝可分為：?jiǎn)蜗蝽斖坪投嘞蝽斖啤吸c(diǎn)頂推和多點(diǎn)同步頂推、步距式頂推和連續(xù)頂推、垂直+水平千斤頂法和拉桿千斤頂法.

閆林棟以鄭州黃河公鐵兩用橋的第一聯(lián)鋼桁梁施工架設(shè)為工程依托，采用有限元數(shù)值模擬方法，對(duì)第一聯(lián)鋼桁梁的施工階段進(jìn)行力學(xué)分析，校驗(yàn)導(dǎo)梁、設(shè)計(jì)桿件等臨時(shí)構(gòu)件的應(yīng)力及穩(wěn)定性，論證了結(jié)構(gòu)的安全性及施工方法的可行性［4］.秦林、陳進(jìn)芬等研究了北盤江大橋的合龍頂推方案，綜合考慮該橋合龍的合龍溫度及后續(xù)混凝土的收縮徐變，確定了合理的頂推力及頂推量，并根據(jù)不同頂推方案對(duì)各主墩的扭轉(zhuǎn)、合龍口標(biāo)高及頂推量的影響，確定了合理的合龍頂推方案［5］.

在已有的文獻(xiàn)中，大多是研究設(shè)有導(dǎo)梁和臨時(shí)墩的橋梁的頂推法施工，或是研究基于合龍溫度及后續(xù)混凝土收縮徐變效應(yīng)的頂推方案［6-11］.本文以西溪河特大拱橋?yàn)檠芯勘尘?，基于無(wú)導(dǎo)梁和臨時(shí)墩，研究了拱上鋼箱梁的頂推法施工技術(shù)，確定了合理的頂推力及頂推量.通過(guò)建立空間有限元數(shù)值模型，研究了頂推施工階段中各不利工況下各墩柱處的支反力最大值，得到了頂推施工過(guò)程中主梁彎矩包絡(luò)圖，從而可以有效地指導(dǎo)施工.

1 工程概況

成貴鐵路西溪河大橋是一座鋼管混凝土提籃拱橋，跨越深切河谷西溪河，中心里程DK417+ 141.00，起始里程DK416+910.55，終止里程DK417+404.15，全長(zhǎng)493.60，m，軌面至河面高差255.7，m，主跨240，m.孔跨樣式為3×32.7，m簡(jiǎn)支箱梁+240，m上承式鋼管混凝土提籃拱橋+4× 32.7，m簡(jiǎn)支箱梁，拱肋內(nèi)傾角7.5°拱軸系數(shù)m= 2.2，矢跨比約為1/4.364.西溪河大橋?yàn)殡p線橋，直線，平坡，線間距4.6，m.主跨及引橋共338.1，m，采用頂推法施工，用紅色、綠色、藍(lán)色區(qū)分三聯(lián)段.西溪河大橋布置示意圖如圖1所示.

圖1 西溪河大橋布置示意圖（單位：cm）

2 頂推法施工

2.1 基于不設(shè)導(dǎo)梁和臨時(shí)墩的連續(xù)梁頂推法施工技術(shù)

以往的頂推法施工，一般單獨(dú)設(shè)置獨(dú)立的鋼導(dǎo)梁.導(dǎo)梁雖然可以改善頂推過(guò)程中梁體受力狀態(tài)，但后期拆除較困難.臨時(shí)墩的后期拆除量也相當(dāng)大，尤其是在超高空作業(yè)時(shí)危險(xiǎn)性較大.相比而言，本文是在不單獨(dú)設(shè)置導(dǎo)梁和臨時(shí)墩的基礎(chǔ)上，對(duì)頂推法施工過(guò)程中的鋼箱連續(xù)梁進(jìn)行受力分析.“無(wú)導(dǎo)梁”施工，即用鋼箱梁自身作為導(dǎo)梁，當(dāng)梁體前端即將到達(dá)墩柱時(shí)，為消除懸臂段自重而引起的下?lián)?，在墩柱上布設(shè)豎向千斤頂，將梁前端頂起略高于滑道，當(dāng)梁體前端到達(dá)滑道上方時(shí)再徐徐落梁，使之在正式滑道上就位.由此懸臂端在千斤頂作用下即可順利上墩.因成貴鐵路西溪河大橋跨越深切河谷西溪河，軌面至河面高差255.7，m，采用不設(shè)導(dǎo)梁和臨時(shí)墩的頂推技術(shù)，可大大減少超高空作業(yè)，保障生產(chǎn)安全，減少后期拆除工作量.

2.2 頂推力的控制

本工程大里程兩聯(lián)連成一體整體頂推，第三聯(lián)與引橋混凝土梁連接，作為引橋梁體的導(dǎo)梁，與引橋連成一體整體頂推.采用多點(diǎn)頂推法對(duì)鋼箱連續(xù)梁進(jìn)行頂推.梁體被推動(dòng)，頂推力需滿足如下公式

式中：

Fi—第i墩柱處頂推設(shè)備的頂推力；

Ni—第i墩柱處的支反力；

fi—第i墩柱處的摩擦系數(shù)，最大靜摩擦系數(shù)取10%，動(dòng)摩擦系數(shù)取6%，；

ai—第i墩柱處的縱坡率，“+”表示上坡頂推，“-”表示下坡頂推，因本工程全橋設(shè)計(jì)為平坡，故ai取值為0.

主橋單次頂推質(zhì)量為8，600，kN，引橋頂推總質(zhì)量為26，500，kN（22，200，kN+4，300，kN）.計(jì)算所得主橋及引橋頂推時(shí)所需牽引力和相關(guān)系數(shù)如表1所示.

表1 主橋及引橋頂推時(shí)所需牽引力及相關(guān)系數(shù)

2.3 頂推量

因在西溪河大跨徑鋼管混凝土拱橋主梁的頂推法施工過(guò)程中沒(méi)有單獨(dú)設(shè)置導(dǎo)梁及臨時(shí)墩，為使主梁不發(fā)生傾覆，根據(jù)“彎矩最小原則”，本文經(jīng)計(jì)算所確定的合理頂推量如表2所示.

表2 頂推量匯總

3 有限元模型及數(shù)值分析

3.1 有限元模型

成貴鐵路西溪河大橋的孔跨樣式為3×32.7，m簡(jiǎn)支箱梁+240，m上承式鋼管混凝土拱橋+4× 32.7，m簡(jiǎn)支箱梁.采用Q345qE鋼結(jié)構(gòu)，ML15剪力釘，M22高強(qiáng)度螺栓，C50混凝土.圖2為1/2主橋橫截面示意圖.運(yùn)用MIDAS/CIVIL建立空間有限元仿真模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，主梁簡(jiǎn)化為空間梁?jiǎn)卧?，利用“頂推法橋梁施工階段建模助手”作施工階段分析.部分有限元模型如圖3所示.

圖2 1/2主橋橫截面示意圖

圖3 部分有限元模型

3.2 最不利工況下的最大支反力

鋼梁集度取平均值51.16，kN/m.頂推施工階段中鋼箱梁在各不利工況下于各支撐位置處的支反力最大值及水平抗推剛度如表3所示.

表3 各不利工況下各墩柱處支反力最大值

隨著頂推過(guò)程的不斷推進(jìn)，各支撐位置處的支反力也在不斷發(fā)生變化.由表3可知，在各頂推施工階段中梁體所受的最大支反力為8，151.3，kN，發(fā)生在3，4聯(lián)到達(dá)4#柱時(shí)1#墩位置處，此時(shí)的最大摩擦力為489.1，kN，所需的牽引力最小為489.1，kN.此時(shí)可通過(guò)調(diào)整頂推千斤頂?shù)挠蛪簛?lái)控制頂推力.在1，2聯(lián)到達(dá)4#墩時(shí)，4#墩處的支反力為419.1，kN，且為各墩處支反力最大值中的最小值.墩頂處的支反力最大值明顯比拱上立柱處的支反力最大值要大，約為拱上立柱支反力最大值的2～4倍.而拱上各立柱間的支反力最大值相差不大.0#墩的水平抗推剛度為最大值94，428.7，kN/mm，從0#墩到3#墩水平抗推剛度依次減小.拱上立柱的水平抗推剛度以6#柱為對(duì)稱點(diǎn)，向兩側(cè)對(duì)稱分布.1#柱與11#柱的水平抗推剛度最小，其值均為2.7，kN/mm，5#柱和7#柱的水平抗推剛度達(dá)到各拱上立柱中水平抗推剛度的最大值2，787.1，kN/mm.拱上1#柱、2#柱、10#柱、11#柱水平抗推剛度較小，需增加其與相臨墩柱間的縱向聯(lián)系，建議各墩柱之間通過(guò)鋼絞線串聯(lián)連接.

3.3 主梁彎矩包絡(luò)圖

在主梁的頂推過(guò)程中，隨著跨數(shù)的逐漸增多，結(jié)構(gòu)體系不斷轉(zhuǎn)換為高次超靜定結(jié)構(gòu).鋼箱連續(xù)梁內(nèi)各個(gè)截面在移動(dòng)過(guò)程中所承受的正負(fù)彎矩交替出現(xiàn)，不斷發(fā)生變化.在頂推施工過(guò)程中鋼箱連續(xù)梁的彎矩包絡(luò)圖如圖4所示.

圖4 頂推過(guò)程中主梁彎矩包絡(luò)圖

由圖4可知，鋼箱梁各個(gè)截面在頂推過(guò)程中都要經(jīng)歷正負(fù)彎矩的頻繁交替，施工過(guò)程中主梁最大負(fù)彎矩與使用狀態(tài)的支點(diǎn)負(fù)彎矩較接近，且在頂推過(guò)程中鋼箱連續(xù)梁在墩頂處的最大負(fù)彎矩值（-49，783.5，kN·m）的絕對(duì)值要大于最大正彎矩值（36，927.41，kN·m）.兩聯(lián)主梁全在拱上立柱上進(jìn)行頂推時(shí)的彎矩值要比在墩上頂推時(shí)的彎矩值小.此彎矩包絡(luò)圖不僅為西溪河鋼管混凝土拱橋的施工控制提供可靠的理論依據(jù)，還對(duì)今后該類橋梁的施工控制具有一定的借鑒意義.

4 結(jié) 論

本文以西溪河大跨徑鋼管混凝土拱橋?yàn)檠芯勘尘埃ㄟ^(guò)建立有限元模型，對(duì)基于無(wú)導(dǎo)梁和臨時(shí)墩的頂推法施工過(guò)程進(jìn)行模擬，研究了頂推施工階段中各不利工況下各個(gè)支撐位置處主梁的最大支反力及頂推過(guò)程中主梁的彎矩包絡(luò)圖，得出如下結(jié)論：

（1） 為保證頂推過(guò)程中主梁不發(fā)生傾覆，確定了各工況下的合理頂推量，以便于更好地指導(dǎo)施工，且為今后無(wú)導(dǎo)梁、無(wú)臨時(shí)墩的頂推法施工提供有效參考.

（2） 鋼箱梁在頂推施工階段中所受的最大支反力為8，151.3，kN，發(fā)生在3，4聯(lián)到達(dá)4#柱時(shí)，于1#墩位置處.墩頂處的支反力最大值約為拱上立柱處支反力最大值的2～4倍.拱上各立柱處的支反力最大值相差不大.

（3） 拱上1#柱、2#柱、10#柱、11#柱的水平抗推剛度較小，需增加其與相臨墩柱間的縱向聯(lián)系，建議各墩柱之間通過(guò)鋼絞線串聯(lián)連接.

（4） 在頂推法施工過(guò)程中，鋼箱連續(xù)梁各個(gè)截面的正負(fù)彎矩頻繁交替，主梁最大負(fù)彎矩與使用狀態(tài)的支點(diǎn)負(fù)彎矩接近.

［1］張曉東.橋梁頂推技術(shù)［J］.公路，2003（9）：46-51.

［2］萬(wàn)雨帆，王艷華，榮 杰.青銀高速濟(jì)南黃河大橋鋼箱梁頂推施工技術(shù)［J］.施工技術(shù)，2009，38（10）：97-99.

［3］閣永風(fēng).步履式頂推跨鐵路鋼箱梁施工技術(shù)［J］.鐵道建筑技術(shù)，2014（1）：58-62.

［4］閆林棟.鄭州黃河公鐵兩用橋第一聯(lián)鋼桁梁頂推法施工技術(shù)與工藝研究［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2009.

［5］秦 林，陳進(jìn)芬，胡海洋，等.北盤江大橋合龍頂推方案研究［J］.世界橋梁，2013，41（3）：43-46.

［6］張培炎.橋梁頂推施工過(guò)程受力分析及關(guān)鍵問(wèn)題研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2011：19-51.

［7］王衛(wèi)鋒，林俊鋒，馬文田.橋梁頂推施工導(dǎo)梁的優(yōu)化分析［J］.工程力學(xué)，2007，24（2）：132-138.

［8］蘇國(guó)明，陳 銘，續(xù)宗寶，等.預(yù)應(yīng)力混凝土梁拱組合橋梁頂推施工新工藝［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009（11）：56-58.

［9］戴 杰.鋼箱梁斜拉橋主梁頂推法施工階段控制研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2009：39-66.

［10］武鑫哲.連續(xù)鋼構(gòu)橋合龍頂推施工橋墩應(yīng)力及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2015：19-62.

［11］李慧敏.鋼箱梁頂推施工安全性分析［D］.北京：北京交通大學(xué)，2014：23-59.

Stress Analysis on Incremental Launching Construction Process of Continuous Beam of Long-span Concrete-filled Steel Tube Arch Bridge over Xixi River

FAN Kaipan1，HUANG Xin2，CHEN Guosheng2
（1.Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China；2.China Railway 18th Bureau Group Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China）

With the long-span concrete-filled steel tube arch bridge over Xixi River as the project background，this paper researched on incremental launching construction technology of steel box continuous beam above the arch without launching noses and temporary piers and determined the reasonable incremental launching force and amount.By the establishment of the finite element numerical model，this paper studied the maximum bearing reaction of each pier column in adverse conditions at different stages of incremental launching construction，and got the bending envelope diagram of the main beam in the process of incremental launching.

incremental launching method；continuous beam；unfavorable working condition；maximum bearing reaction；incremental launching amount

U448.215

A

2095-719X（2016）04-0278-04

2015-06-26；

2015-07-08

住建部科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目（2015-K3-021）；天津市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（13JCYBJC19600）；天津市交通運(yùn)輸委員會(huì)科技項(xiàng)目（2014-23）

樊開盼（1989—），女，山東濱州人，天津城建大學(xué)碩士生.