某公路跨江鋼箱梁橋塔架輔助懸拼施工過程分析

周宏庚

(中鐵四局集團(tuán)鋼結(jié)構(gòu)建筑有限公司，安徽 合肥 230031)

0 引言

目前，鋼箱梁常用的架設(shè)施工方式有頂推施工、吊裝施工和懸臂拼裝施工等[1-2]，但施工架設(shè)過程中頂推施工和吊裝施工會不可避免地搭設(shè)臨時支架工程，當(dāng)遇到臨時支架工程搭設(shè)受限時，懸臂拼裝施工的方法就成為首選。橋梁施工過程中的安全以及成橋后的線形、受力狀態(tài)是否符合設(shè)計要求，是衡量一座橋梁的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[2-3]。

以某新建公路鋼箱梁橋跨江的一聯(lián)為分析對象，跨江段采用懸臂拼裝方法施工，但懸臂拼裝成橋線形與施工預(yù)拱度密切相關(guān)，要通過制作廠施加制作預(yù)拱度[4]進(jìn)行控制，給鋼箱梁制造提出較高要求，且拼裝過程要嚴(yán)格按照施工預(yù)拱度進(jìn)行標(biāo)高控制。文章采用在支座處架設(shè)臨時塔架用拉索對成橋線形進(jìn)行控制，以此為背景，采用Midas Civil[5]有限元軟件對施工過程進(jìn)行施工階段[6]模擬，對施工過程中橋梁支座反力、變形及應(yīng)力分布和合龍可行性等進(jìn)行分析，并與一次成橋在鋼箱梁自重作用下的結(jié)果進(jìn)行比較分析。

1 工程概況

該直線橋段跨徑為40 m+70 m+40 m+40 m，其中70 m跨為跨江段；采用單箱四室結(jié)構(gòu)，橋面寬度16.5 m，截面高度由3.5 m漸變至2 m，中支點高3.5 m，端支點及跨中高2 m，橋梁斷面見圖1(單位：mm)。

圖1 橋梁斷面圖

對橋梁40 m跨部分采用在地面搭設(shè)臨時支架，汽車吊站立在地面由兩端同步進(jìn)行施工安裝；而70 m跨由于跨江江域為當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)水源，嚴(yán)禁搭設(shè)臨時支架等工程，采用汽車吊站立在橋面進(jìn)行懸臂拼裝的方法，并輔以臨時塔架拉索對其合龍施工及成橋線形等進(jìn)行控制，跨江段主要架設(shè)過程見圖2-圖 4(單位：cm)。

圖2 懸臂拼裝L1和L2梁段

圖3 架設(shè)塔架及拉索后懸拼L3梁段

圖4 架設(shè)第二對拉索后合龍L4梁段

2 施工階段模型建立

根據(jù)該橋梁施工過程中的結(jié)構(gòu)受力特征、計算內(nèi)容及精度等要求，鋼箱梁主體及塔架采用線性梁單元進(jìn)行模擬，拉索采用只受拉單元模擬，橋梁支座處采用鉸接處理，塔架與鋼箱梁剛接，荷載考慮鋼箱梁等構(gòu)件自身自重荷載、橋面汽車吊及吊裝橋段的荷載和拉索的初拉力荷載，因工期較短，未對溫度作用進(jìn)行考慮。

運用Midas Civil采用一次性建模法[7]建立結(jié)構(gòu)的整體模型，包含相應(yīng)的邊界及荷載，再依據(jù)實際的施工步驟將單元、邊界、荷載劃分到不同的結(jié)構(gòu)組、邊界組和荷載組中，通過對結(jié)構(gòu)組、邊界組和荷載組的激活與鈍化處理來模擬施工階段。共分8個施工階段，分別為：40m跨架設(shè)完成→懸拼L1梁段→懸拼L2梁段→施加第一道拉索→懸拼L3梁段→施加第二道拉索→合龍L4梁段→撤除塔架拉索及汽車吊荷載，施工階段整體模型見圖5。

圖5 施工階段整體模型

3 計算結(jié)果分析與比較

3.1 橋梁支座反力分析比較

各施工階段支座反力統(tǒng)計見表1，其中一次成橋階段僅考慮鋼箱梁本身的自重荷載，與CS8施工階段的荷載一致。

由表1可以看出，在施工階段CS5進(jìn)行時，左側(cè)邊支座(0#墩)出現(xiàn)Z向的拉力，應(yīng)結(jié)合懸拼過程以1#墩為支點對其進(jìn)行縱橋向抗傾覆設(shè)計。按架設(shè)過程中抗傾覆系數(shù)不小于1.3考慮，經(jīng)計算，需在0#墩處施加錨固力1156 KN可滿足抗傾覆要求，通過在支墩錨固拉索并與鋼箱梁焊接耳板進(jìn)行錨固連接。

表1 各支座反力統(tǒng)計表 (單位：KN)

鋼箱梁合龍成形后在鋼梁自重作用下的支反力與一次成橋模型在鋼梁自重作用下的支反力基本一致，最大相差86.4 KN，相差2%，出現(xiàn)在3#墩支座處，說明采用塔架輔助鋼箱梁懸拼施工方法效果較好。

3.2 橋梁位移變形分析比較

典型施工階段變形及一次成橋狀態(tài)下變形見圖 6-圖 8。

圖6 施工階段CS6(合龍前)變形圖

圖7 施工階段CS8(撤除吊車及拉索后)變形圖

圖8 一次成橋狀態(tài)變形圖

由圖6-圖8可以看出，在第6施工階段結(jié)束時，合攏段兩側(cè)懸臂鋼梁段的節(jié)點分別上挑3.7 mm和2.9 mm，能滿足合龍所需的要求，合龍可順利進(jìn)行。鋼箱梁合龍成形后在鋼梁自重作用下的變形與一次成橋模型在鋼梁自重作用下的變形基本一致，最大豎向位移相差10.9 mm，線形基本一致。

合理控制拉索初拉力值可以對鋼梁合龍前懸臂端的位移進(jìn)行控制，可達(dá)到較理想的合龍效果；由于本次模型在合龍前發(fā)生上翹，導(dǎo)致最終合龍后下?lián)陷^一次成橋模型偏小。

3.3 橋梁應(yīng)力分析比較

最終施工階段應(yīng)力及一次成橋狀態(tài)下應(yīng)力見圖9-圖10，懸拼跨最大應(yīng)力統(tǒng)計見表2。

圖9 施工階段CS8(撤除吊車及拉索后)應(yīng)力圖

圖10 一次成橋狀態(tài)應(yīng)力圖

表2 懸拼跨最大應(yīng)力統(tǒng)計 單位：MPa

由表2可以看出，鋼箱梁合龍成形后在鋼梁自重作用下的應(yīng)力分布及大小與一次成橋模型在鋼梁自重作用下的應(yīng)力分布及大小基本一致，施工階段過程中鋼梁應(yīng)力亦不超限，采用塔架輔助鋼箱梁懸拼施工方法可以較好地控制施工過程中鋼箱梁應(yīng)力，最終成橋狀態(tài)與一次成橋吻合較好。

4 結(jié)語

通過對鋼箱梁塔架輔助懸拼進(jìn)行的施工階段模擬分析并與一次成橋模型計算結(jié)果的對比，可以得出以下結(jié)論：

(1)鋼箱梁塔架輔助懸拼施工方法最終成橋時支座反力、位移變形及應(yīng)力等與一次成橋模型基本一致，成橋后線形和受力狀態(tài)與一次成橋吻合較好；需要注意施工過程中支座反力為拉力的反常情況，考慮順橋向的抗傾覆驗算。

(2)鋼箱梁塔架輔助懸拼施工過程中合理控制拉索初拉力值，可以達(dá)到較理想的合龍效果。

(3)對類似無法搭設(shè)臨時支架施工的鋼箱梁橋施工安裝有一定的借鑒參考價值。