橋梁頂推施工過程受力分析及關(guān)鍵問題研究

汪飛

摘要 隨著我國(guó)橋梁建設(shè)工程的迅速發(fā)展，橋梁的施工質(zhì)量和安全性受到廣泛關(guān)注，尤其是進(jìn)行頂推施工時(shí)，橋梁的受力情況是影響其后續(xù)安全使用的主要因素。文章通過對(duì)橋梁頂推施工進(jìn)行探究，闡述了常用的頂推施工工藝種類和施工要點(diǎn)。以實(shí)際工程案例為研究對(duì)象，進(jìn)行模擬研究，分別對(duì)頂推施工過程中橋梁的變形情況、橋面板受力以及主梁、導(dǎo)梁受力進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)混凝土橋面板降低了橋體的變形量，需要在施工過程中采用高強(qiáng)度的混凝土材料才能夠滿足橋面板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求；鋼梁所受的拉應(yīng)力在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞 頂推施工；局部受力；鋼箱梁；導(dǎo)梁

中圖分類號(hào) U445.462文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）10-0081-03

0 引言

隨著交通網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速，交通覆蓋領(lǐng)域日益增大，橋梁作為交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，受到廣泛關(guān)注。橋梁建設(shè)和運(yùn)營(yíng)受建設(shè)區(qū)域的環(huán)境、地質(zhì)條件影響較大，日漸增加的交通量對(duì)橋梁的建設(shè)質(zhì)量要求越來越高，相應(yīng)的施工難度也在不斷提升。常用的橋梁施工法有懸臂施工、轉(zhuǎn)體施工、整孔吊裝以及頂推施工[1]。各類施工工藝有明顯的應(yīng)用特點(diǎn)，相較其他三種工藝而言，頂推施工具有施工速度快、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。但頂推施工方法也有明顯的局限性，通常應(yīng)用于中等跨度的橋梁建設(shè)，在應(yīng)用于大跨度橋梁建設(shè)時(shí)應(yīng)在跨度較大的位置設(shè)置臨時(shí)橋墩，這就要求使用頂推法進(jìn)行橋梁施工時(shí)應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確的受力分析，以保證橋梁的施工質(zhì)量。

1 頂推法施工技術(shù)

頂推施工橋梁的施工建造歷史可以追溯到20世紀(jì)60年代，該技術(shù)的應(yīng)用為橋梁施工的工程領(lǐng)域提供了新的施工方法，進(jìn)一步推動(dòng)了橋梁建設(shè)工程的創(chuàng)新和發(fā)展。此后，頂推施工技術(shù)逐漸得到推廣，在我國(guó)也得到了廣泛應(yīng)用，形成了豐富的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。

1.1 頂推施工技術(shù)分類

頂推法施工技術(shù)分類可以按照頂推力、支撐系統(tǒng)、拼裝工序以及頂推方向不同進(jìn)行劃分，在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程特點(diǎn)選擇適宜的施工技術(shù)，該文主要介紹按照頂推力的不同劃分的類別。按頂推力不同可將頂推施工分為多點(diǎn)頂推和單點(diǎn)頂推兩種類型，多點(diǎn)頂推是指在多個(gè)橋墩（或臨時(shí)橋墩）上均設(shè)置一個(gè)三向的千斤頂，利用多個(gè)頂推動(dòng)力推動(dòng)裝置，為橋梁構(gòu)件提供豎向抬升和水平推移力。若在頂推過程中橋梁構(gòu)件發(fā)生橫向位移，多點(diǎn)位的千斤頂可以提供橫向力進(jìn)行糾偏[2]。多點(diǎn)頂推的主要特點(diǎn)是將橋梁的壓力分布于多個(gè)頂推的支撐點(diǎn)以分散頂推設(shè)備的受力，因而多點(diǎn)頂推的施工工藝可承受的橋梁重量范圍較大，可適用于大跨度的橋梁和曲線橋梁建設(shè)。但由于頂推支點(diǎn)設(shè)置較多，需要保證多個(gè)頂推點(diǎn)位的千斤頂相互協(xié)同作用，因而對(duì)設(shè)備的控制要求較高。

單點(diǎn)頂推是指在某一橋墩設(shè)置頂推動(dòng)力裝置，利用水平和豎向千斤頂在縱向上為橋梁構(gòu)件提供推力，在其他橋墩（或臨時(shí)橋墩）上設(shè)置滑道為橋梁頂推過程中提供支撐力和滑動(dòng)力。單點(diǎn)頂推相比于多點(diǎn)頂推的施力位置比較集中，支點(diǎn)所在的橋墩會(huì)受到較大的支反力作用，其他支點(diǎn)位置將在梁體構(gòu)件滑移過程中和滑道產(chǎn)生較大的摩擦力，因而對(duì)橋墩的剛度以及頂推力要求較高，實(shí)際應(yīng)用時(shí)頂推梁體的重量不宜過大，不太適用于跨徑較大的橋梁。單點(diǎn)頂推施工常用于直線橋梁建設(shè)，由于其只有一個(gè)頂推點(diǎn)而對(duì)設(shè)備的控制相對(duì)簡(jiǎn)單，在施工中可以采取在梁體與滑道的接觸面上涂抹潤(rùn)滑劑等方式，降低梁體推動(dòng)過程中的摩擦力，從而降低橋梁構(gòu)件對(duì)下部支撐結(jié)構(gòu)的影響。

1.2 頂推施工工藝要點(diǎn)

該文以浙江省某橋梁作為研究對(duì)象，該橋梁為3跨的跨線橋梁，跨徑為45 m+54.5 m+45 m，梁體主要為鋼箱梁結(jié)構(gòu)。主橋上部采用全焊單箱三室截面鋼箱梁結(jié)構(gòu)，橋梁寬度為18 m，梁高為3 m，沿橋梁的中心線位置設(shè)置橫隔板及腹板豎向加勁肋。

頂推施工橋梁的重點(diǎn)在于頂推方案的設(shè)計(jì)。就該文研究的橋梁而言，總的頂推長(zhǎng)度為144.5 m，可采用分塊的方法對(duì)鋼梁進(jìn)行加工，使用錯(cuò)縫切割工藝將鋼梁劃分為橫向6個(gè)區(qū)塊和縱向12個(gè)獨(dú)立區(qū)塊，塊間的錯(cuò)縫間距為25 cm。鋼梁制作采取預(yù)制形式在工廠內(nèi)完成組裝，由于施工時(shí)第二跨的鋼梁長(zhǎng)度為44.5 m，因此需要設(shè)置臨時(shí)橋墩形成過渡，再利用步履式頂推法進(jìn)行施工。在頂推施工前應(yīng)進(jìn)行試頂推施工，測(cè)試距離設(shè)置為3 m。在試頂推施工時(shí)，先進(jìn)行手動(dòng)模式操作，檢查設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，確定無誤后再啟動(dòng)頂推裝置進(jìn)行自動(dòng)頂推施工。在自動(dòng)頂推過程中，應(yīng)注意記錄頂推油壓極值。為保證主梁?jiǎn)吸c(diǎn)受到的支反力在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)，應(yīng)對(duì)頂升支撐油缸的支反力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)讀取頂升支撐油缸的狀態(tài)數(shù)據(jù)并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，確保主梁受力平衡[3]。

為了保證主梁的橫向偏位在限制范圍內(nèi)，應(yīng)在控制系統(tǒng)重新設(shè)置中軸線監(jiān)控系統(tǒng)，并利用該監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主梁的中軸線偏移程度。若發(fā)現(xiàn)主梁發(fā)生明顯偏移，應(yīng)及時(shí)利用限位調(diào)整裝置進(jìn)行糾偏，保證主梁的偏移程度在合理范圍內(nèi)。

該項(xiàng)目采用多點(diǎn)頂推的施工工藝。在橋梁頂推時(shí)，在鋼梁的前端設(shè)置30 m長(zhǎng)的導(dǎo)梁，以保證頂推施工過程中鋼梁前端的懸臂負(fù)彎矩不至于過大。導(dǎo)梁主要利用工字鋼，通過焊接進(jìn)行連接，梁高設(shè)置為2.75 m，腹板為20 mm；頂板和底板的寬度一致，均設(shè)置為500 mm，厚度同樣為20 mm；橋梁設(shè)置勁板，分別在縱梁間隔1.5 m、距頂板375 mm和距底板1 274 mm處進(jìn)行設(shè)置，勁板厚度為12 mm。

在頂推施工監(jiān)控過程中，除主要監(jiān)控的橋墩墩頂?shù)闹Х戳ν?，還應(yīng)監(jiān)控梁體的標(biāo)高。通過頂推過程中梁體豎向標(biāo)高以及橋墩墩頂?shù)闹Х戳χ担_定后續(xù)前進(jìn)過程中千斤頂豎向頂升的調(diào)整范圍，并將壓力的控制閾值設(shè)定在85%的調(diào)整范圍內(nèi)。

2 頂推施工橋梁受力分析

2.1 梁體位移分析

頂推施工中梁體的形變情況直接影響導(dǎo)梁能否順利上墩。該文利用有限元模擬的方式建立橋梁模型，對(duì)橋梁頂推施工過程進(jìn)行模擬，對(duì)前導(dǎo)梁和主梁體的位移值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到如圖1所示的結(jié)果。由圖1可以看出，主梁和導(dǎo)梁的上撓相對(duì)下?lián)献兓^小，其中主梁上撓最大值出現(xiàn)在頂推40 m位置，最大為2.41 m，其余大部分位置的上撓為0；主梁的下?lián)显?～13 m的范圍內(nèi)波動(dòng)，其中在50 m以及70～90 m的位置撓度最大，且撓度極值均出現(xiàn)在梁箱與導(dǎo)梁接觸的位置；就主梁整體而言，由于梁體主要為開口槽型鋼，自重相對(duì)較輕，主梁整體的剛度相對(duì)較好，僅在與導(dǎo)梁接觸的位置撓度較大，梁體的形變情況整體在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)；導(dǎo)梁的上撓相對(duì)主梁變化稍大，在頂推50 m的位置出現(xiàn)最大值，為15.34 m；下?lián)舷鄬?duì)變化最大，在頂推90 m時(shí)出現(xiàn)極值，最大為?70 m，這主要是因?yàn)樵诘诙缥恢玫膶?dǎo)梁前端處于懸臂狀態(tài)；橋梁的尾端相對(duì)撓度較小，這是因?yàn)樵谖捕虽佋O(shè)了混凝土橋面板，提升了結(jié)構(gòu)的整體剛度，雖然混凝土橋面板增加了自重，但是撓度相對(duì)降低[4]。

2.2 橋面板受力分析

由于在頂推施工過程中橋面板已經(jīng)進(jìn)行了混凝土澆筑，所以要對(duì)橋面板進(jìn)行受力分析。頂推45 m時(shí)橋面板的受力結(jié)果如圖2所示，可以看出最大負(fù)彎矩值出現(xiàn)在1 030 kN·m，這主要因?yàn)樵陧斖凭嚯x為0的位置，進(jìn)行了支架拆除工作；隨著頂推長(zhǎng)度的增加，最大負(fù)彎矩值開始逐漸減小，并進(jìn)行周期性波動(dòng)；在頂推100 m時(shí)最大彎矩值達(dá)到波動(dòng)范圍內(nèi)的峰值，為795 kN·m。在橋面板施工過程中，鋼梁和橋面板產(chǎn)生了相互作用的軸向力，在整個(gè)頂推過程中，橋面板受力較為均勻。

對(duì)45 m的頂推距離的橋面板受力進(jìn)行分析，得到橋面板所受的軸力值變化如圖3所示，可以看出，隨頂推距離的增加最大軸力先呈現(xiàn)增大趨勢(shì)并在23 m處軸力達(dá)到最大值，最大可達(dá)到13 904 m；頂推距離超過23 m后軸力值開始減小，并在35～45 m的位置軸力變化開始放緩。最小軸力在頂推距離在20 m之前逐漸降低，在20～30 m范圍值變化趨勢(shì)逐漸放緩，并在25 m時(shí)達(dá)到最小值?9 634 m，在30 m以后呈現(xiàn)逐漸變大趨勢(shì)。由于C50的混凝土抗拉強(qiáng)度為2.65 MPa，就本文而言，橋面的截面為0.3 m×16.5 m，橋面所受最大的應(yīng)力為2.81 MPa，明顯高于C50混凝土的抗拉強(qiáng)度，因此需要采用抗拉強(qiáng)度較高的建筑材料。高聚物纖維混凝土的拉彎強(qiáng)度較高，抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到2.83 MPa，可以滿足本文研究橋梁的設(shè)計(jì)需求。

2.3 鋼梁受力分析

分別對(duì)頂推施工過程中的主梁和導(dǎo)梁進(jìn)行應(yīng)力分析，得到如圖4所示的結(jié)果。由圖4可以看出，主梁最大應(yīng)力在50 m、60 m和90 m時(shí)出現(xiàn)極值，且極值分別為40.84 MPa、70.58 MPa和72.35 MPa；隨著頂推距離的增加，最大拉應(yīng)力極值逐漸變大；最小拉應(yīng)力在30 m、

50 m、70 m和90 m時(shí)出現(xiàn)極值，分別為79.75 MPa、77.57 MPa、51.74 MPa和69.11 MPa，主梁最大拉應(yīng)力和最小拉應(yīng)力極值位置基本出現(xiàn)在主梁與導(dǎo)梁銜接的位置附近。就導(dǎo)梁而言，最大拉應(yīng)力和最小拉應(yīng)力的變化范圍大于主梁；最大拉應(yīng)力在42 m、59 m、69 m和108 m處出現(xiàn)極值，極值分別為76.62 MPa、115 MPa、104.6 MPa和72.05 MPa，最大拉應(yīng)力極值出現(xiàn)的位置與主梁類似，這主要受頂推過程中主梁和導(dǎo)梁之間的銜接結(jié)構(gòu)有關(guān)；最小拉應(yīng)力極值在6 m、39 m、61 m、73 m和108 m位置處出現(xiàn)，且其最小值為?109.61 MPa；相較最大拉應(yīng)力極值出現(xiàn)的位置，最小拉應(yīng)力的極值距離頂推稍近，這說明在頂推過程中鋼梁各個(gè)截面受到的拉應(yīng)力不同，各個(gè)截面的受力分布具有復(fù)雜性。總體而言，該文研究鋼梁的拉應(yīng)力在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)波動(dòng)，相對(duì)主梁與導(dǎo)梁銜接的位置拉應(yīng)力變化較大，可以采用鋼混組合的形式利用混凝土橋面板分擔(dān)一部分鋼梁受力[5]。

3 結(jié)語

該文通過對(duì)浙江省某頂推施工橋梁進(jìn)行分析研究，得出以下結(jié)論：

（1）主梁和導(dǎo)梁的上撓相對(duì)下?lián)献兓^小，整體在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。橋梁的尾端相對(duì)撓度較小，說明鋪設(shè)混凝土橋面板，可以提高橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度，降低橋梁變形量。

（2）在橋面板施工過程中，鋼梁和橋面板產(chǎn)生了相互作用的軸向力，在整個(gè)頂推過程中，橋面板受力較為均勻。就該文而言，橋面所受最大的應(yīng)力為2.81 MPa，明顯高于C50混凝土的抗拉強(qiáng)度。因此，可以采用高聚物纖維混凝土，其抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到2.83 MPa，可以滿足該文研究橋梁的設(shè)計(jì)需求。

（3）主梁最大應(yīng)力極值為72.35 MPa，最小應(yīng)力極值為79.75 MPa；就導(dǎo)梁而言，最大拉應(yīng)力和最小拉應(yīng)力的變化范圍大于主梁；最大拉應(yīng)力和最小拉應(yīng)力極值分別為115 MPa和72.05 MPa，這主要受頂推過程中主梁和導(dǎo)梁之間的銜接結(jié)構(gòu)有關(guān)；頂推過程中鋼梁各個(gè)截面受到的拉應(yīng)力不同，但整體在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)波動(dòng)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉愛林， 沈大才. 馬鞍山長(zhǎng)江公鐵大橋主航道橋施工方案[J]. 橋梁建設(shè)， 2023（6）： 10-17.

[2]王曉磊， 劉暢， 張鵬， 等. 復(fù)雜曲線鋼槽梁跨線頂推施工關(guān)鍵技術(shù)： 以響堂鋪2號(hào)大橋?yàn)槔齕J]. 科學(xué)技術(shù)與工程， 2023（32）： 14004-14013.

[3]汪躍軍. 鐵路多跨連續(xù)道岔鋼箱梁橫移頂推分析與同步控制研究[D]. 重慶：重慶交通大學(xué)， 2023.

[4]郝笛笛， 繆長(zhǎng)青， 方詩圣. 連續(xù)鋼箱梁橋頂推施工主梁線形修正方法研究[J]. 西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2023（4）： 712-721.

[5]張丁丁. 曲線鋼箱梁橋頂推施工結(jié)構(gòu)計(jì)算與安全控制研究[D]. 昆明：昆明理工大學(xué)， 2023.