上跨既有鐵路混凝土箱梁頂推施工安全控制技術(shù)研究

李蘭強(qiáng)

(中鐵十四局集團(tuán)第二工程有限公司 山東泰安 271000)

1 引言

新建橋梁上跨既有鐵路施工時，為了減少對鐵路運(yùn)輸?shù)母蓴_，一般不采用落地支架現(xiàn)澆和懸臂施工。而頂推施工法對跨越鐵路的影響小，機(jī)具設(shè)備簡便，施工精度容易控制，施工難度不大，應(yīng)用較廣泛[1-2]。但頂推施工對工程條件要求苛刻，需采取多種控制措施以保障施工安全，故亟需對上跨鐵路條件下頂推施工安全施工技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究。

Granata等[3]對梁體由于自重引起的彎矩情況進(jìn)行了研究，并成功應(yīng)用到曲線梁上；Fontan等[4]研究了梁體的力學(xué)狀態(tài)，并提出新型設(shè)計方案；Kwanghoe等[5]對鋼導(dǎo)梁的長度進(jìn)行優(yōu)化研究，并對鋼導(dǎo)梁整體安全性進(jìn)行了驗證；李杰等[6]以鄭州黃河鐵路項目為依托，研究了鋼桁組合梁第一聯(lián)頂推施工，并對桿件力學(xué)進(jìn)行分析；高波[7]、劉高鋒[8]對頂推施工的整體施工過程進(jìn)行研究，并分析了頂推的安全性；張培炎[9]、白烜寧[10]研究了頂推過程中主梁的力學(xué)狀態(tài)，并對彎矩及支座反力的分布進(jìn)行計算，分析頂推施工上端梁體懸空造成的應(yīng)力分布，提出相應(yīng)安全措施；彭玲麗等人[11-13]對頂推施工過程中橋墩的受力以及穩(wěn)定性進(jìn)行分析；張謙等人[14-15]對頂推施工關(guān)鍵施工技術(shù)進(jìn)行研究，并提出安全施工建議。

盡管近年來頂推施工的應(yīng)用范圍更為廣泛，但是理論研究與實(shí)際工程應(yīng)用情況有較大出入。國外專家對鋼導(dǎo)梁以及梁體的力學(xué)分析研究較為深入，但實(shí)際工程應(yīng)用較少；國內(nèi)有的專家對鋼桁架梁頂推施工依托實(shí)際工程進(jìn)行了力學(xué)研究，但對混凝土箱梁力學(xué)分析的涉及面較為狹窄；有的專家對關(guān)鍵施工技術(shù)進(jìn)行研究，但在不同工程中實(shí)用性有較大的差異。因此有必要對混凝土箱梁頂推施工安全控制技術(shù)進(jìn)行研究。

以上跨漢宜高速鐵路混凝土箱梁頂推施工工程為項目依托，結(jié)合有限元數(shù)值分析軟件，對混凝土箱梁、鋼導(dǎo)梁的應(yīng)力分布進(jìn)行分析，確定最大應(yīng)力分布位置，并采用現(xiàn)場監(jiān)測的手段對模擬值進(jìn)行驗證，結(jié)合分析結(jié)果提出針對性治理措施，指導(dǎo)施工。

2 主梁應(yīng)力計算理論

連續(xù)梁在頂推過程中，支座與梁的相對位置隨著施工進(jìn)度不停變更，主梁截面都會經(jīng)歷正負(fù)彎矩的交替重復(fù)作用，在成橋階段的跨中附近截面受到正彎矩作用，頂推至橋墩附近則截面承受負(fù)彎矩作用。從理論方面研究施工過程中主梁受力狀態(tài)時，為了簡化計算公式，作出以下假設(shè)：

(1)采用頂推施工的工程均能保證各跨跨徑一致，當(dāng)橋梁跨徑為L時，鋼導(dǎo)梁長度同跨徑L的比值為x；

(2)主梁縱向抗彎剛度在縱橋向上始終保持不變，用EcIc來代表，鋼導(dǎo)梁的縱向抗彎剛度在縱橋向上也用固定值EsIs來代表；

(3)結(jié)構(gòu)自重將被轉(zhuǎn)化為荷載集度作用在梁體上，其中主梁的自重集度在順橋向上是固定值g1，導(dǎo)梁的荷載集度在順橋向上相同，數(shù)值是主梁集度的γ倍，即γg1。

能夠使主梁產(chǎn)生負(fù)彎矩的最不利情況可以歸納為兩種：前一種情況產(chǎn)生在導(dǎo)梁外伸懸臂最大的狀態(tài)下，即導(dǎo)梁推進(jìn)至最接近下一個橋墩墩頂時；后一種發(fā)生在導(dǎo)梁已經(jīng)通過了某一個墩頂且向前推進(jìn)了一段長度為aL的距離時。

第一種情況下最大負(fù)彎矩可通過以下公式求解：

第二種情況下最大負(fù)彎矩可通過以下公式求解：

其中，μ是一個計算系數(shù)，它的取值和導(dǎo)梁伸出長度a有關(guān)，也與導(dǎo)梁縱向剛度同主梁縱向剛度的比值K＝EsIs/EcIc相關(guān)聯(lián)，其具體取值可參考范立礎(chǔ)于《橋梁工程》中提及的μ值曲線圖。

通過理論公式，結(jié)合有限元模擬，尋找負(fù)彎矩最大時的工況及位置，進(jìn)一步確定頂推過程中導(dǎo)梁的參數(shù)變化將會對施工造成的影響，從而保證頂推過程的安全性。

3 工程概況

跨漢宜高鐵特大橋采用3×32 m連續(xù)混凝土箱梁，采用先在鋼管支架上現(xiàn)澆45.7 m長混凝土箱梁，頂推55.4 m至目標(biāo)位置，然后再現(xiàn)澆剩余部分梁段的施工方法。

主梁截面形式為單箱單室、等高度連續(xù)箱梁，截面梁高2.8 m，梁頂寬13.02 m，梁底寬6.4 m，跨中截面頂板厚度0.35 m，腹板厚度1 m，底板厚度0.6 m，支點(diǎn)截面頂板厚度0.65 m，腹板厚度1.3 m，底板厚度0.9 m。鋼導(dǎo)梁采用兩片變高度工字型截面梁組合而成，梁體分為預(yù)埋段、前段、后段三個部分，各部分之間采用高強(qiáng)螺栓連接。下部臨時結(jié)構(gòu)在橫橋向上不等間距的對稱布置，5根立柱的間隔距離依次是2.08 m、2.92 m以及2.92 m、2.08 m，縱橋向上根據(jù)梁長采用相同的間距6.7 m來布置，縱橫向排布的各個立柱之間的連接均通過雙槽鋼實(shí)現(xiàn)。8根56b工字型鋼焊接構(gòu)成滑道梁，在現(xiàn)澆梁體腹板下方布置滑道，各個滑道的橫向間距按5.84 m設(shè)置。頂推施工示意見圖1。

圖1 頂推施工示意(單位:cm)

4 頂推施工過程有限元分析

4.1 計算模型

本文采用數(shù)值模擬軟件建立了主梁、導(dǎo)梁、滑道系統(tǒng)、支架及橋墩的空間梁單元模型對頂推施工過程仿真計算。為了更精確地模擬實(shí)際頂推施工步驟下的結(jié)構(gòu)受力與變形，將上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元整體建模。按照1 m為單元長度進(jìn)行模擬，沿縱橋向建立47個梁單元構(gòu)成主梁模型。鋼導(dǎo)梁與滑道梁所用鋼材均為Q345鋼，其中導(dǎo)梁全長由22個單元構(gòu)成，而滑道梁通過209個單元來模擬?；老到y(tǒng)、臨時支架橋墩與永久橋墩均根據(jù)施工圖紙建立有限元模型。

混凝土主梁及鋼導(dǎo)梁與滑道梁之間采用只受壓剛性彈簧連接，以模擬主梁及鋼導(dǎo)梁與滑道梁之間的傳力特點(diǎn)，以此達(dá)到二者變形協(xié)調(diào)的目的。

通過主梁節(jié)點(diǎn)處剪力突變值確定主梁與滑道梁豎向相互作用力，再乘以摩擦系數(shù)確定主梁與滑道梁之間的摩擦力。施工過程的模擬是根據(jù)頂推施工方案，建立主梁與導(dǎo)梁在不同頂推位置時的有限元模型進(jìn)行計算分析。

4.2 頂推過程梁墩應(yīng)力狀況

4.2.1 主梁應(yīng)力

通過計算，頂推過程中主梁在施工荷載與自重下產(chǎn)生最大拉應(yīng)力為2.1 MPa，發(fā)生在頂推距離為55 m時，距主梁前端23 m處截面下緣；最大壓應(yīng)力為1.9 MPa，發(fā)生在頂推42 m時，距主梁前端20 m處截面下緣。預(yù)應(yīng)力作用下，各截面應(yīng)力基本相同，截面上緣最小壓應(yīng)力為2.9 MPa，最大為3.1 MPa；截面下緣最小壓應(yīng)力為2.5 MPa，最大為2.8 MPa。頂推階段，主梁全截面始終受壓，容許拉應(yīng)力為1.6 MPa，容許壓應(yīng)力為16.7 MPa，拉、壓應(yīng)力均未超過容許值。

4.2.2 鋼導(dǎo)梁應(yīng)力

鋼導(dǎo)梁在頂推過程中應(yīng)力處于不斷變化之中，且有不小的變化幅度。頂推過程中鋼導(dǎo)梁在最大懸臂時刻，支點(diǎn)處負(fù)彎矩較大，截面上緣拉應(yīng)力較大，下緣壓應(yīng)力較大，該階段導(dǎo)梁最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力分別為13.4 MPa、12.9 MPa。

導(dǎo)梁搭上臨時墩滑道之后，支點(diǎn)處負(fù)彎矩變小，跨中部位彎矩增大，通過模擬結(jié)果顯示，最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力分別為14.3 MPa、16.8 MPa；主梁搭上臨時墩滑道后，鋼導(dǎo)梁應(yīng)力變小，均小于前兩個階段。經(jīng)驗算，鋼導(dǎo)梁在頂推過程中滿足規(guī)范要求。

4.2.3 橋墩應(yīng)力

通過計算，頂推過程中，83#～87#墩最大壓應(yīng)力分別為0.43 MPa、0.66 MPa、1.03 MPa、1.12 MPa、0.76 MPa，均出現(xiàn)在墩底截面。頂推施工過程中沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，各墩最大壓應(yīng)力為1.12 MPa，發(fā)生在86#墩墩底，此時主梁已頂推55 m，橋墩強(qiáng)度滿足要求。

5 施工過程梁體應(yīng)力監(jiān)測

5.1 傳感器布設(shè)

連續(xù)梁橋采用頂推法施工時，梁體在自重、施工荷載、溫度等作用下，會產(chǎn)生應(yīng)力，隨著頂推的進(jìn)行不斷變化，不但應(yīng)力大小改變，其應(yīng)力屬性(拉、壓)也會發(fā)生改變。為達(dá)到安全施工的目的，對頂推過程進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，并將監(jiān)測結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，用于判定模擬的可靠性，并為安全施工提供技術(shù)支撐。

本橋的主梁截面應(yīng)力采用預(yù)埋在混凝土箱梁內(nèi)的鋼弦式應(yīng)變計實(shí)時監(jiān)測，現(xiàn)場及時處理數(shù)據(jù)，得出箱梁的應(yīng)力及其分布。傳感器埋置在距主梁前端與鋼導(dǎo)梁連接處6.5 m、9.8 m、16.3 m、32.7 m、36 m五個斷面，其中距主梁前端9.8 m、16.3 m、32.7 m三個斷面中，每個斷面在腹板上方頂板及下方底板處埋置應(yīng)變計，而距主梁前端6.5 m與36 m兩個斷面僅在腹板上方頂板處埋置應(yīng)變計，如圖2所示。

圖2 箱梁截面埋入應(yīng)變計示意(單位:cm)

5.2 混凝土箱梁應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果

隨著頂推距離的變化，各斷面的應(yīng)力也在變化，為更好分析頂推過程中施工荷載下梁的應(yīng)力變化，將頂推開始時主梁應(yīng)力值作歸零處理，其中9.8 m處斷面上緣面向頂推方向左側(cè)與右側(cè)監(jiān)測結(jié)果如圖3所示，32.7 m處斷面上緣與下緣監(jiān)測結(jié)果如圖4所示，5個監(jiān)測斷面上緣監(jiān)測結(jié)果如圖5所示，頂推開始時頂板測點(diǎn)應(yīng)力如圖6所示。

圖3表明，在頂推過程中，距主梁前端9.8 m處混凝土箱梁頂板左、右側(cè)應(yīng)力變化值差值很小，頂推過程中主梁受力橫向較為對稱，梁橫向受力沒有較大偏差。如圖4所示，主梁截面上下緣應(yīng)力變化時增時減，二者基本呈負(fù)相關(guān)的變化趨勢，大致關(guān)于零點(diǎn)對稱，但對稱點(diǎn)有波動。這表明頂推施工過程中梁截面彎矩也時刻變化，且主梁彎矩在截面上下緣的應(yīng)力相反，對稱點(diǎn)的波動說明梁在頂推過程中，頂推力與摩擦力作用下梁的軸力在變化。

圖3 頂推過程距主梁前端9.8 m處應(yīng)力變化

圖4 頂推過程距主梁前端32.7 m處斷面應(yīng)力變化

圖5 頂推過程主梁各頂板測點(diǎn)應(yīng)力變化

圖6 頂推開始時主梁頂板各測點(diǎn)應(yīng)力

根據(jù)圖5顯示，主梁各監(jiān)測截面上緣，由施工荷載引起的最大拉應(yīng)力為1.95 MPa，最大壓應(yīng)力為1.55 MPa；有限元計算結(jié)果中，主梁截面上緣最大拉應(yīng)力為1.6 MPa，最大壓應(yīng)力為1.3 MPa，與實(shí)測值較為吻合。

有限元計算結(jié)果中，主梁各截面在預(yù)應(yīng)力作用下截面上緣壓應(yīng)力為3.2 MPa；實(shí)際監(jiān)測結(jié)果中，主梁各截面在預(yù)應(yīng)力作用下截面上緣壓應(yīng)力平均值為3.3 MPa，與計算值比較接近。

由圖5、圖6可知，頂推過程中各測點(diǎn)應(yīng)力變化值中最大拉應(yīng)力為1.95 MPa，頂推開始時測點(diǎn)最小壓應(yīng)力為2.3 MPa，在頂推施工過程中梁截面未出現(xiàn)拉應(yīng)力，與有限元計算結(jié)果吻合。監(jiān)測結(jié)果表明，梁體在頂推過程中應(yīng)力水平滿足規(guī)范要求，且施工過程無受力裂縫出現(xiàn)。

6 頂推施工安全控制措施

頂推施工安全控制除了需要研究分析各個施工階段下結(jié)構(gòu)的整體受力，并通過施工監(jiān)控掌握所有控制截面的局部應(yīng)力、變形、裂縫發(fā)展等要素以外，還需要對部分關(guān)鍵施工階段采取一定措施以確保結(jié)構(gòu)頂推時各個施工階段的安全性。

6.1 滑道系統(tǒng)減摩措施

滑道系統(tǒng)能夠保證頂推過程中梁體可以順利移動，當(dāng)滑道面無法保證較高的平整度時，將會造成頂推力過大，進(jìn)而引發(fā)橋梁墩底開裂甚至對移動梁體帶來嚴(yán)重阻礙。本橋滑道梁頂層設(shè)置一層3 mm厚不銹鋼板與滑道梁上鋼板焊接，混凝土梁底為鋼板墊板加MGB板，兩者之間采取榫接技術(shù)，解決了梁體后端MGB板與梁體脫空而無法跟進(jìn)的技術(shù)難題，在滑動面上涂抹二硫化鉬減小摩擦系數(shù)[16]。

6.2 限位控制措施

橋梁的頂推施工中，為了保證主梁不偏離既定軌跡線，在主梁的兩側(cè)設(shè)置限位裝置，來限制主梁的前進(jìn)軌跡，當(dāng)主梁橫向偏移軌跡線較大時，需采用糾偏裝置來使主梁回到預(yù)定軌跡線上。

本橋橫向限位裝置有兩種，第一種限位裝置(見圖7)由φ28 mm限位圓鋼及20 mm厚加強(qiáng)鋼板(間隔50 cm一道)組成，設(shè)置在83#墩～L12(鐵路小里程側(cè))，通過對滑塊進(jìn)行限位實(shí)現(xiàn)對梁體橫向限位。第二種限位裝置由20 mm厚限位鋼板、20 mm厚加強(qiáng)鋼板和2榀40a工字鋼(間隔6.7 m一道)組成(見圖8)，設(shè)置在L13～87#墩(鐵路大里程側(cè))，通過對鋼導(dǎo)梁進(jìn)行限位，從而引導(dǎo)梁體不致偏位過大。

圖7 第一種限位裝置

圖8 第二種限位裝置

6.3 糾偏控制措施

頂推時配設(shè)3套液壓泵站以及6臺橫調(diào)千斤頂，為了進(jìn)行橫向糾偏，在頂推施工過程中將裝置對稱布置在84#、85#、86#墩主梁底板的左右兩側(cè)，糾偏裝置除了有鋼墊板和反力座以外，主要由行程為100 mm的200 t雙作用千斤頂構(gòu)成。頂推時，對橫向偏移量進(jìn)行動態(tài)測量，及時進(jìn)行梁體偏位調(diào)整。如圖9所示。

圖9 糾偏裝置(單位:cm)

6.4 梁體試頂

正式頂推施工之前需要預(yù)先進(jìn)行梁體的試頂，試頂階段荷載應(yīng)在啟動荷載理論值60%的基礎(chǔ)上逐步增加，直至梁體克服靜摩擦力產(chǎn)生相對滑動，據(jù)此確定正式頂推時的啟動荷載。若梁體本身設(shè)置了縱坡，還需要保證頂推時梁體不會在自重荷載作用下產(chǎn)生相對滑移。

試頂可以檢查頂推各工序的運(yùn)行情況，及時發(fā)現(xiàn)問題，為正式頂推順利進(jìn)行積累經(jīng)驗。

6.5 落梁

頂推過程完成前的最后一項工序是具有高技術(shù)難度的落梁，由于落梁階段對精度的要求也很高，在該階段施工方應(yīng)當(dāng)有針對性地制定專項方案以便應(yīng)對實(shí)際施工情況，包括對橋下既有線路進(jìn)行封鎖或根據(jù)列車運(yùn)行時間間隔進(jìn)行起、落梁作業(yè)等。

本橋在85#、86#墩頂分別設(shè)置1組4臺千斤頂，每個墩頂4臺千斤頂設(shè)一套泵站及PLC控制系統(tǒng)，操作平臺設(shè)在對應(yīng)墩中心梁頂處，千斤頂配置位移傳感器及壓力傳感器。采用PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行同步控制，保證均勻落梁。

7 結(jié)束語

跨既有線橋梁施工具有難度和特殊性，需要對跨線橋梁的頂推過程進(jìn)行監(jiān)測并采取安全控制措施，保證施工過程的安全。通過理論分析，結(jié)合數(shù)值模擬對跨漢宜特大橋連續(xù)梁頂推施工進(jìn)行安全控制，確保了施工過程的順利、安全進(jìn)行。

(1)研究了混凝土箱梁彎矩計算方法，在不同工況條件下對主梁的彎矩計算公式進(jìn)行分析，總結(jié)出理論方程，為模擬提供理論支撐。

(2)通過建立有限元模型，計算分析了結(jié)構(gòu)在頂推施工全過程的受力與變形，計算結(jié)果表明，最大拉應(yīng)力發(fā)生在頂推距離至55 m時，距主梁前端23 m處截面下緣；最大壓應(yīng)力發(fā)生在頂推42 m時，距主梁前端20 m處截面下緣，頂推全過程結(jié)構(gòu)變形與應(yīng)力均在容許范圍內(nèi)。

(3)通過有針對性地進(jìn)行監(jiān)測和控制，對比分析了實(shí)測值與理論值，保證施工安全進(jìn)行。監(jiān)測結(jié)果與理論計算吻合度較高，且頂推施工全過程結(jié)構(gòu)均在安全范圍內(nèi)。

(4)針對施工中出現(xiàn)的問題，提出了頂推施工過程中滑道系統(tǒng)減摩、限位糾偏、梁體試頂與落梁的安全控制措施，為施工順利完成奠定基礎(chǔ)。