鋼箱拱橋步履式頂推施工力學行為分析

王國興

摘要：本文以某鋼箱拱橋跨越城市高速公路為工程背景，介紹了步履式頂推施工技術(shù)，建立了全橋結(jié)構(gòu)仿真模型，研究了拱肋和主縱梁的力學行為，揭示了應(yīng)力和撓度的變化規(guī)律;現(xiàn)場布置弦式應(yīng)變計對結(jié)構(gòu)應(yīng)力實時采集，布設(shè)沉降觀測標進行撓度監(jiān)控，并與計算值對比分析，確保施工順利進行，對類似工程具有一定的借鑒意義。

Abstract： Based on the engineering background of a steel box arch bridge crossing an urban expressway， this paper introduces the walking push construction technology， establishes a full bridge structure simulation model， studies the mechanical behavior of arch ribs and main longitudinal beams， and reveals the change law of stress and deflection; arranges the string strain gauges to collect structural stress in real time， lays out settlement observation standards for deflection monitoring， and compares and analyzes with calculated values to ensure that the construction proceeds smoothly and has certain reference significance for similar projects.

關(guān)鍵詞：步履式頂推;仿真分析;應(yīng)力實測;力學行為分析

Key words： walking push;simulation analysis;stress measurement;mechanical behavior analysis

中圖分類號：U445.462? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）10-0139-04

1? 概況

京雄城際鐵路黃固特大橋105#～106#墩以雙線鋼箱拱橋跨越京開高速、京開輔路。主橋為下承式簡支鋼箱拱橋，全長114.1m，計算跨徑112.5m。拱肋拱腳附近段落采用箱型不等高截面，左右設(shè)2片拱肋，矢高27m，矢跨比1/4.167，拱軸線線形為二次拋物線，拱肋各節(jié)段之間采用現(xiàn)場焊接連接。U型縱肋和板肋全聯(lián)連續(xù)，遇橫梁的腹板時開孔穿越。主橫梁、次橫梁均為倒T形截面，端橫梁為箱型截面。吊桿采用平行鋼絲柔性吊桿體系，主梁每側(cè)各設(shè)置11根吊桿。

2? 步履式頂推施工技術(shù)

2.1 頂推施工總體方案

112.5m雙線簡支鋼箱拱先在引橋處進行主縱梁及橋面系的拼裝，完成主縱梁和橋面系拼裝后，搭設(shè)拱肋拼裝支架進而拼裝鋼箱拱橋。為了改變橋梁在懸臂狀態(tài)下的受力，在橋梁大里程端部安裝28m導梁，利用頂推裝置進行多點連續(xù)頂推施工。頂推到位后，拆除臨時支撐，落梁后進行永久支座的安裝[1]。

全橋南北幅各布置7組頂推裝置，利用了主橋永久墩105#、106#墩，在其墩頂放置頂推裝置，頂推支架DT1、DT2、DT3、DT4、DT5頂端均布置頂推裝置。鋼箱拱橋頂推支架及裝置布置圖如圖1所示。

2.2 頂推施工具體步驟

按照如上所述的頂推施工總體方案，頂推施工的具體步驟如下所示：

①輔路擴寬完成后，按照要求現(xiàn)場施工臨時支架基礎(chǔ)及搭設(shè)防護棚架，利用160t汽車吊安裝臨時支架，在南北幅頂推支架DT1、DT2、DT3、DT4及105#墩頂端安裝步履式頂推裝置;

②在引橋處進行鋼箱拱橋拼裝。拼裝主梁、端橫梁、主橫梁、次橫梁、橋面板、鋼箱拱拼裝支架、K撐、一字橫撐以及28m導梁;

③利用步履式頂推裝置將鋼箱拱橋向前頂推22.1m。此時鋼箱拱越過頂推支架DT1，將頂推支架DT1上的步履式頂推裝置倒換到京開高速輔道頂推支架DT5上;

④利用步履式頂推裝置將鋼箱拱橋繼續(xù)向前頂推30 m。此時鋼箱拱橋越過頂推支架DT2，將頂推支架DT2上的步履式頂推裝置倒換到106#墩頂上，此時導梁到達頂推支架DT5上，此支架上的步履式頂推裝置開始發(fā)揮作用;

⑤利用步履式頂推裝置將鋼箱拱橋繼續(xù)向前頂推33.7m。此時鋼箱拱橋越過頂推支架DT3，此時導梁到達106#墩上，墩頂?shù)牟铰氖巾斖蒲b置開始發(fā)揮作用;

⑥利用步履式頂推裝置將鋼箱拱橋繼續(xù)向前頂推22.4m。此時鋼箱拱橋越過永久墩106#墩，鋼箱拱橋頂推至設(shè)計橋位后，利用160t汽車吊拆除拱肋拼裝支架和導梁，利用永久墩上的起落梁裝置頂起鋼箱拱橋，拆除滑道梁和臨時支架后，落梁并進行永久支座的安裝[4]。

3? 結(jié)構(gòu)仿真分析

3.1 仿真分析模型

利用Midas Civil建立有限元仿真模型，主縱梁、橫梁、導梁、拱肋支架等頂推結(jié)構(gòu)采用梁單元模擬，橋面板采用板單元模擬，全橋共有12 620個節(jié)點，22 588個單元。頂推階段的施工模擬采用梁不動，支承體系隨頂推行程而改變的方法，仿真模型施工階段與頂推施工一致。橋梁有限元仿真模型如圖2所示。

3.2 工況分析說明

鋼箱拱橋從北京側(cè)頂推至雄安側(cè)，在有限元模型中每頂推4m設(shè)置一個工況。另在橋梁恰好通過頂推支架DT1、DT2、DT3時，即頂推行程分別為22.1m、52.1m、85.8m設(shè)置三個工況，全橋共設(shè)置31個施工工況。分析工況劃分一覽表如表1所示。

3.3 拱肋應(yīng)力計算結(jié)果

在頂推過程中，結(jié)構(gòu)的體系不斷發(fā)生轉(zhuǎn)換，正負彎矩交替出現(xiàn)，每個截面內(nèi)力不斷變化，梁體受力復雜。由于橋梁結(jié)構(gòu)對稱，左右側(cè)拱肋受力情況基本一致，故選取一側(cè)關(guān)鍵截面分析。此處，選取鋼箱拱橋南半幅拱頂截面進行分析。拱肋頂板最大應(yīng)力變化時程圖如圖3（a）所示;拱肋底板最大應(yīng)力變化時程圖如圖3（b）所示;拱肋北側(cè)腹板最大應(yīng)力變化時程圖如圖3（c）所示;拱肋南側(cè)腹板最大應(yīng)力變化時程圖如圖3（d）所示。

從圖3計算結(jié)果可以看出：

①在拱頂截面中，從鋼箱拱橋開始頂推至頂推支架DT1時，此過程上頂板受壓應(yīng)力、下底板受拉應(yīng)力，在頂推至22.1m后，橋梁恰好離開頂推支架DT1，此時拱腳底板應(yīng)力出現(xiàn)突變，因為剛剛脫離支架，橋梁脫空，底板側(cè)拉應(yīng)力變小;

②頂推恰好行至頂推支架DT2后，即頂推52.1m，全橋左懸臂33.7m，此過程上頂板和下底板應(yīng)力交替變化，在頂推52.1m時，上頂板位置應(yīng)力計算值為6.02MPa，下底板位置應(yīng)力計算值為6.75MPa;頂推至剛好離開頂推支架DT3時，即頂推85.8m，全橋左懸臂22.4m，上頂板和下底板位置均出現(xiàn)峰值，此時上頂板受拉應(yīng)力，下底板受壓應(yīng)力;

③北側(cè)腹板和南側(cè)腹板位置應(yīng)力變化趨勢基本一致，整個頂推過程腹板截面應(yīng)力經(jīng)歷三個明顯峰值，即三次恰好離開頂推支架時出現(xiàn)。南北側(cè)腹板受力不均勻主要由梁底千斤頂頂力不均勻造成，同步頂升過程中很難準確控制位移，橋梁剛度大，不均勻位移會產(chǎn)生較大的內(nèi)力，另一方面由于頂推時間跨度長、溫度變化顯著，溫度補償并不能完全消除溫度變化引起的應(yīng)力變化[5]。

3.4 縱梁應(yīng)力計算結(jié)果

主縱梁采用箱型等高截面，內(nèi)高3m，內(nèi)寬1.6m。此處，選取結(jié)構(gòu)南半幅主縱梁跨中截面和邊端截面進行分析，繪制頂推時程曲線。主縱梁頂板最大應(yīng)力變化時程圖如圖4（a）所示，主縱梁底板最大應(yīng)力變化時程圖如圖4（b）所示。

從圖4計算結(jié)果可以看出：

①在小里程主縱梁跨中截面，上頂板和下底板應(yīng)力隨行程變化趨勢大體相反，上頂板應(yīng)力隨行程受拉時，下底板應(yīng)力受壓。頂推行至22.1m時，上下頂板受力相等，此前跨中頂板受壓底板受拉且數(shù)值均先變大后變小;

②在頂推行至22.1m、52.1m、85.8m，即鋼箱拱橋小里程邊端到達DT1、DT2、DT3頂推支架后，出現(xiàn)應(yīng)力峰值，且峰值在三個位置不斷變大，這是因為頂推支架為不等距布置，在頂推行程為85.8m時，橋梁位于105#墩與106#墩上方，墩位間距大，主縱梁跨中位置應(yīng)力最大。

3.5 撓度計算結(jié)果

對南北側(cè)第六根吊桿對應(yīng)拱肋頂板撓度以及主縱梁跨中撓度進行分析，南北側(cè)第六根吊桿對應(yīng)拱肋頂板撓度變化時程圖如圖5（a）所示;南北側(cè)主縱梁跨中撓度變化時程圖如圖5（b）所示。其中上撓為正，下?lián)蠟樨摗?/p>

從圖5計算結(jié)果可以看出：

①鋼箱拱橋恰好通過頂推支架DT1、DT2、DT3后，拱肋拱頂和主縱梁跨中頂板出現(xiàn)向下位移，且頂推行程為96m時，出現(xiàn)向下?lián)隙茸畲笾担袄吖绊斪畲髶隙葹?3.1mm，主縱梁跨中頂板最大撓度為14.47mm;

②在頂推施工的各個工況下，鋼箱拱橋處于不停糾偏狀態(tài)，拱肋撓度都在安全范圍之內(nèi)。

4? 應(yīng)力及撓度實測分析

4.1 應(yīng)力實測分析

對鋼箱拱橋南半幅拱頂和主縱梁跨中截面應(yīng)力實測分析，在頂推時程圖中分析實測值與計算值的擬合情況。拱頂截面頂?shù)装逦恢梅抡嬗嬎阒蹬c實測應(yīng)力值對比圖如圖6（a）所示;主縱梁跨中頂?shù)装逦恢梅抡嬗嬎阒蹬c實測應(yīng)力值對比圖如圖6（b）所示。

從圖6計算結(jié)果可以看出：

①實測值基本略小于計算值，部分點出現(xiàn)突變和實測偏大的情況，可能由于實際工程中的彈性模量或溫度變化等參數(shù)與計算取值略有偏差，應(yīng)力監(jiān)測埋設(shè)元件受其他因素的影響等原因;

②橋梁頂推通過DT1、DT2、DT3頂推支架后，均出現(xiàn)應(yīng)力峰值。通過DT3頂推支架后，主縱梁跨中截面頂板受最大拉應(yīng)力，計算值為28.55MPa，實測值為24.13MPa;主縱梁跨中截面底板受最大壓應(yīng)力，計算值為30.47MPa，實測值為25.29MPa;

③整個頂推過程，實測值與計算值的趨勢擬合基本一致，數(shù)值相對接近，各實測應(yīng)力均在安全范圍之內(nèi)，可正確指導施工。

4.2 撓度實測分析

將全站儀架設(shè)在橋梁大里程端橫梁橋面中心位置進行撓度測量，每頂推5m對結(jié)構(gòu)進行一次撓度監(jiān)測。雙幅拱肋在頂推過程中變形監(jiān)測斷面有6個。此處，對鋼箱拱橋南北半幅拱頂撓度實測分析，并與理論值比對。拱頂截面頂板撓度計算值與南北側(cè)實測撓度值比對表如表2所示。其中上撓為正，下?lián)蠟樨摗?/p>

從表2結(jié)果可以看出：

①南北兩側(cè)拱肋關(guān)鍵截面撓度變化實測值與計算值變化趨勢基本一致，偏差在合理范圍之內(nèi);②受監(jiān)測設(shè)備精度、現(xiàn)場條件等因素的影響，計算值與實測值有一定偏差。當撓度計算值較大時，撓度變化實測值和計算值吻合度更高;③南北幅拱肋撓度實測變化不一致且存在偏差，是由于步履式頂推過程中，左右受力不均勻產(chǎn)生橫向偏位，頂推過程中重型機械在橋上施工使得梁體左右受力變化產(chǎn)生偏差。

5? 結(jié)語

本文結(jié)合某鋼箱拱橋跨越城市繁忙道路工程實例，敘述了步履式頂推施工總體方案，介紹了頂推施工具體步驟;基于Midas Civil有限元軟件對橋梁結(jié)構(gòu)進行力學行為分析，現(xiàn)場布設(shè)傳感器對結(jié)構(gòu)應(yīng)力實時采集，繪制頂推時程曲線，研究拱肋、主縱梁應(yīng)力及撓度變化規(guī)律，保證頂推施工安全到位，對其他同類項目提供借鑒意義。

參考文獻：

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[4]賈衛(wèi)中，李響，朱能杰.三塔重載鐵路斜拉橋箱桁組合梁施工關(guān)鍵技術(shù)[J].鋼結(jié)構(gòu)，2019，34（01）：94-97.

[5]張智勇.蒙華鐵路洞庭湖大橋邊跨鋼梁頂推施工技術(shù)[J]. 國防交通工程與技術(shù)，2019，17（01）：31-35.