簡(jiǎn)支鋼箱系桿拱橋整體頂推施工過(guò)程分析

收稿日期：2024-03-26

作者簡(jiǎn)介：趙哲（1991—），男，碩士研究生，工程師，研究方向：橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

摘要 江西省宜豐縣工業(yè)園至火車站公路跨武吉高速立交橋上跨武吉高速時(shí)，采用60 m簡(jiǎn)支橫向三拱肋下承式鋼箱系桿拱橋，結(jié)合地形條件及橋下高速保通需求，需采用頂推施工工藝，文章主要對(duì)簡(jiǎn)支鋼箱系桿拱橋整體頂推施工全過(guò)程進(jìn)行研究分析。研究結(jié)果表明，簡(jiǎn)支鋼箱系桿拱橋各構(gòu)件受力及變形均滿足相關(guān)規(guī)范要求。計(jì)算分析過(guò)程及結(jié)論，也可為施工單位提供吊桿張拉索力控制的方法，對(duì)實(shí)際施工控制能夠提供很好的技術(shù)指導(dǎo)，對(duì)類似工程的施工控制研究有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞 簡(jiǎn)支鋼箱系桿拱橋；跨高速；頂推施工；施工控制；吊桿索力

中圖分類號(hào) U442.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B文章編號(hào) 2096-8949（2024）11-0168-03

0 引言

簡(jiǎn)支鋼箱系桿拱橋具有較好的結(jié)構(gòu)剛度和承載能力，是大跨度橋梁主要采用的橋型之一，比較適用于橋下空間受限、需要降低梁高的合理結(jié)構(gòu)形式。簡(jiǎn)支鋼箱系桿拱橋比較常用的施工方法主要包括轉(zhuǎn)體施工法、索吊裝懸拼拼裝法、頂推施工法、分段支架安裝法等。對(duì)于涉河地區(qū)常采用“先梁后拱”的施工方法較多。對(duì)于橋下無(wú)法設(shè)置支架，有環(huán)保需求的涉河地區(qū)考慮采用先吊索懸拼拱肋、后安裝吊桿拼裝橋面系的施工方法，對(duì)于上跨有保通要求高的道路地區(qū)，可考慮采用先將梁、拱、吊桿拼裝完成整體后，頂推施工跨越橋下道路。

在鋼箱系桿拱橋整體頂推施工過(guò)程中，主縱梁底千斤頂位置的支撐情況相對(duì)于縱梁的位置不斷發(fā)生改變，全橋結(jié)構(gòu)受力情況也不斷改變，成橋階段結(jié)構(gòu)受力情況與施工階段有較大區(qū)別，吊桿索力控制也是頂推施工過(guò)程中較大難點(diǎn)，一旦吊桿索力控制不當(dāng)，容易造成成橋階段吊桿索力與設(shè)計(jì)索力偏差較大，成橋受力狀態(tài)會(huì)有偏差，因此，需對(duì)簡(jiǎn)支鋼箱系桿拱橋全橋頂推施工過(guò)程進(jìn)行受力計(jì)算分析。

該文以單跨60 m鋼箱系桿拱橋?yàn)槔?，?duì)簡(jiǎn)支鋼箱系桿拱橋整體頂推施工全過(guò)程進(jìn)行受力分析，主要分析了頂推施工過(guò)程中，主橋結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)與吊桿索力變化的特點(diǎn)，其分析結(jié)論為該簡(jiǎn)支鋼箱系桿拱橋的頂推施工控制提供理論依據(jù)，對(duì)類似工程的施工控制研究有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 項(xiàng)目概況

跨武吉高速立交橋上跨武吉高速，為橋下高速公路保通需求，采用60 m簡(jiǎn)支下承式鋼箱系桿拱橋，橋面寬29 m，橋面布置機(jī)動(dòng)車道雙向四車道，兩側(cè)無(wú)非機(jī)動(dòng)車道及人行道。該橋橫橋向布置三片鋼拱肋，拱肋采用全鋼箱型截面，縱橫梁均為鋼結(jié)構(gòu)，橋面板采用帶有鋼底板的鋼混組合橋面板，混凝土橋面板采用現(xiàn)澆形式，拱腳節(jié)點(diǎn)為全鋼結(jié)構(gòu)。該橋結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)潔，造型優(yōu)美，其橋型布置如圖1所示。

圖1 鋼系桿拱橋總體斷面圖（cm）

跨武吉高速立交橋主拱結(jié)構(gòu)為豎直式鋼箱拱，主拱矢跨比采用1/4.29，結(jié)合受力需要，最優(yōu)拱軸線采用二次拋物線?？紤]吊桿張拉空間及箱內(nèi)檢修需求，鋼拱肋截面尺寸采用高2.0 m×寬1.5 m。橫橋向設(shè)置三片拱肋，拱肋之間通過(guò)3道鋼箱橫撐連接，風(fēng)撐尺寸采用高1.22 m×寬1.6 m，鋼材均采用Q345qD。主梁由主縱梁、橫梁、次縱梁及橋面系組成。全橋在相應(yīng)拱肋處共設(shè)置三片箱形斷面主縱梁，中心間距13.75 m，邊主縱梁高1.6 m，中主縱梁高1.825 m。端橫梁采用箱形斷面，箱寬2.55 m，梁高1.6～1.825 m；中橫梁采用工字型斷面，順橋向間距3 m，梁寬0.4 m，梁高1.6～1.825 m。橫橋向每?jī)蓚€(gè)拱肋之間布置1道工字型次縱梁，梁高1.713 m，主要方便鋼混組合橋面板鋼地板搭接。橋面板采用鋼—混凝土組合橋面板，設(shè)置8 mm厚鋼底板；現(xiàn)澆混凝土橋面板厚20 cm，在與縱、橫梁連接處設(shè)置加厚梗腋，梗腋高度為10 cm。全橋共設(shè)置27對(duì)雙吊桿，單個(gè)吊桿采用縱橋向雙吊桿，雙吊桿縱橋向間距為0.5 m，吊桿類型采用鋼絞線整束擠壓型吊桿，吊桿縱橋向間距為6 m，橫橋向間距為2×13.75 m。邊拱肋處吊桿規(guī)格為15-6，中拱肋處吊桿規(guī)格為15-12。吊桿均采用鋼錨箱錨固于拱肋與主縱梁鋼箱內(nèi)。吊桿錨頭特別是短吊桿采用球形支座。整束擠壓型吊桿鋼絞線的抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa，吊桿防腐措施采用環(huán)氧涂層及內(nèi)外兩層HDPE雙護(hù)套，耐久性較好。

2 整體頂推施工過(guò)程

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件及武吉高速保通需求，該橋施工方案采用頂推法，拱肋、縱梁、橫梁先在小樁號(hào)側(cè)路基上進(jìn)行安裝完成，整體頂推過(guò)武吉高速。

2.1 頂推導(dǎo)梁方案

為能夠有效控制鋼拱肋、鋼主梁、吊桿等構(gòu)件在頂推過(guò)程中的受力及整體穩(wěn)定狀況，結(jié)合橋下高速寬度及支架布置情況，梁拱前端設(shè)置了30 m長(zhǎng)的頂推鋼導(dǎo)梁[1]。導(dǎo)梁與主縱梁在橫橋向?qū)?yīng)布置[2]，共設(shè)置三片，導(dǎo)梁之間設(shè)置控制導(dǎo)梁穩(wěn)定的橫向連接系統(tǒng)。

2.2 臨時(shí)撐桿設(shè)置方案

為減少頂推過(guò)程中的施工難度，使吊桿受力更為直接，并改善鋼拱肋、主縱梁等結(jié)構(gòu)的整體受力，拱肋與縱梁之間不設(shè)置臨時(shí)撐桿，方便施工，加快施工進(jìn)度，以減少對(duì)橋下高速公路的影響。

2.3 吊桿張拉控制

2.3.1 吊桿成橋索力求解

對(duì)于簡(jiǎn)支鋼箱系桿拱橋，對(duì)應(yīng)特定恒載分布模式的合理拱軸線，常用的合理拱軸線線型有懸鏈線、拋物線等。該橋的橋面系及拱肋結(jié)構(gòu)自重沿跨度方向大致相等，經(jīng)多方面計(jì)算分析，該橋簡(jiǎn)支鋼箱系桿拱橋合理拱軸線為二次拋物線。對(duì)于斜拉橋索力優(yōu)化的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了較多研究，可以總結(jié)為4種類型：①斜拉橋索力優(yōu)化的影響矩陣法。②剛性支撐連續(xù)梁法和零位移法，這種類型主要是指定受力或位移的索力優(yōu)化方式。③用索量最小法，這種類型主要是有約束的索力優(yōu)化方式。④彎矩平方和最小法和彎曲能量最小法，這種類型主要是無(wú)約束的索力優(yōu)化方式等。簡(jiǎn)支鋼箱系桿拱橋成橋索力求解可參考斜拉橋[3]。

2.3.2 吊桿索力控制方案

吊桿張拉控制依據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為提高吊桿索力控制精度及效率，該橋采用無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法進(jìn)行。另外，該簡(jiǎn)支系桿拱橋跨徑不大，梁拱組合體系的整體剛度較大，而且吊桿無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度在成橋狀態(tài)下為常量，和施工過(guò)程無(wú)關(guān)，在梁、拱、吊桿在支架上安裝后，整體頂推之前，對(duì)主梁采用二次拋物線進(jìn)行向上預(yù)拋，預(yù)拋值需要通過(guò)正裝迭代計(jì)算求得，最終頂推完成，拆除橋下支架，澆筑橋面現(xiàn)澆混凝土，安裝二期荷載后的成橋狀態(tài)正好為設(shè)計(jì)成橋狀態(tài)，整個(gè)吊桿張拉控制過(guò)程中，只需要對(duì)吊桿一次調(diào)整，控制極為方便[4]。

2.3.3 吊桿索力控制原理

成橋狀態(tài)與施工過(guò)程無(wú)關(guān)，僅需求出吊桿無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度。在簡(jiǎn)支鋼箱系桿拱橋中，通過(guò)張拉吊桿，可使主縱梁（系桿）和拱肋協(xié)調(diào)變形并協(xié)同工作，同時(shí)形成一個(gè)依靠拱、梁、吊桿組成具有整體剛度的梁拱組合體系以承擔(dān)恒載和活載，因此，吊桿的張拉可以理解成對(duì)簡(jiǎn)支鋼箱系桿拱橋施加內(nèi)部預(yù)應(yīng)力的形式。

根據(jù)以往研究成果，對(duì)張拉預(yù)應(yīng)力的理解方式一般是從“施加力”的角度來(lái)分析研究的，很明顯，吊桿的張拉通常理解為在吊桿兩端的錨固位置對(duì)簡(jiǎn)支鋼箱系桿拱橋施加一組相互作用外力的過(guò)程。所以目前常用的吊桿索力張拉控制的分析方法一般將吊桿的索力作為未知量，這類分析方法在工程應(yīng)用中受到一定的限制。

研究表明，吊桿張拉也可以從“變形”的方向進(jìn)行分析，吊桿張拉同時(shí)可以理解為將具有“比成橋階段吊桿長(zhǎng)度有所剪短”的吊索通過(guò)張拉千斤頂協(xié)同拱肋、系桿、吊桿變形就位的過(guò)程，所以吊桿張拉的另外一種表達(dá)方式是吊索的“初始缺陷長(zhǎng)度”，即求解吊桿的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度。具體表達(dá)如圖2所示。

圖2 初始缺陷長(zhǎng)度示意圖

2.3.4 吊桿無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度的求解過(guò)程

方法一：利用有限元軟件ANSYS建立全橋模型，采用降溫迭代法可得到最終的吊桿無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度。

方法二：在Midas Civil軟件分析過(guò)程中，可以采用吊桿縮短的方法模擬吊桿的張拉，吊桿縮短量T即為吊桿的初始缺陷長(zhǎng)度Dt，因此初始缺陷迭代法可在Midas Civil中實(shí)現(xiàn)。具體過(guò)程如下：

設(shè)Ft為吊桿索力設(shè)計(jì)值向量，T為吊桿縮短值向量。

（1）設(shè)i代表迭代進(jìn)行的循環(huán)次數(shù)，初始令i=1，令吊桿初始的縮短量Ti=0，將此縮短量賦給各吊桿，對(duì)結(jié)構(gòu)模型求解，在模型中提取吊桿索力F0t。

（2）如前所述，吊桿縮短使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，故得到的索力Fit達(dá)不到索力設(shè)計(jì)值Ft，此時(shí)需對(duì)Ti進(jìn)行修正，令：Ti+1=Ti+βΔT，ΔT=Ft?Fit，其中，β為加速系數(shù)，適當(dāng)?shù)倪x取β值，可以有效加速迭代過(guò)程。

（3）將吊桿縮短量賦予各吊桿，對(duì)結(jié)構(gòu)模型求解，在模型中提取吊桿索力，令：，若ε小于設(shè)定的容差[ε]，則迭代終止，即為所求吊桿縮短量；反之，令i=i+1，回到第（2）步，進(jìn)入下輪迭代直至收斂[5]。

2.4 頂推施工過(guò)程

全橋整體施工工序如下所示。

步驟一：拱肋、縱梁、橫梁等鋼構(gòu)件可在工廠分節(jié)段加工制作，在現(xiàn)場(chǎng)小樁號(hào)側(cè)路基上搭支架拼裝成整體，考慮吊桿無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度，將主縱梁向上預(yù)拋，安裝吊桿，使吊桿處于無(wú)應(yīng)力狀態(tài)，安裝頂推導(dǎo)梁。

步驟二：在正式頂推前，進(jìn)行頂推設(shè)備向前試頂推五個(gè)行程左右（距離約5 m），頂推后檢查頂推設(shè)備有無(wú)故障、鋼梁有無(wú)變形等工作，沒(méi)有問(wèn)題后正式頂推。

步驟三：對(duì)主橋進(jìn)行持續(xù)頂推，頂推過(guò)程中根據(jù)監(jiān)控指令監(jiān)測(cè)拱肋、縱梁部門應(yīng)力應(yīng)變情況，并持續(xù)頂推至設(shè)計(jì)橋位，拆除橋下頂推支架和梁拱前端導(dǎo)梁，此時(shí)觀測(cè)拱肋、吊桿、縱梁是否協(xié)同變形到設(shè)計(jì)要求，保證達(dá)到設(shè)計(jì)狀態(tài)，再進(jìn)行下一步驟工作。

步驟四：現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土橋面板，檢測(cè)并調(diào)整吊桿的張拉力到理論值，調(diào)整橋面線形，安裝橋面鋪裝、防撞欄桿等附屬結(jié)構(gòu)，進(jìn)行荷載試驗(yàn)，全橋竣工。

3 整體頂推施工計(jì)算

3.1 計(jì)算模型

計(jì)算采用Midas Civil 2022有限元程序來(lái)建立空間有限元模型。主梁、主拱、風(fēng)撐、導(dǎo)梁及臨時(shí)撐桿均采用梁?jiǎn)卧M，橋面板采用板單元模擬。計(jì)算所采用的有限元模型如圖3所示。

3.2 邊界條件

任意頂推階段計(jì)算模型的邊界條件根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際情況進(jìn)行模擬，同時(shí)，模擬路側(cè)頂推平臺(tái)支架的支撐剛度，以保證吊桿受力的準(zhǔn)確性。

3.3 計(jì)算荷載

計(jì)算荷載包括結(jié)構(gòu)恒載和風(fēng)荷載。恒荷載包括拱肋、主梁鋼結(jié)構(gòu)、導(dǎo)梁、拱梁間臨時(shí)撐桿等重量，按照實(shí)際分布施加于模型。風(fēng)荷載按20年重現(xiàn)期風(fēng)速計(jì)算。

3.4 施工過(guò)程

頂推計(jì)算基本步長(zhǎng)取為2 m，整個(gè)頂推過(guò)程共分為40個(gè)施工階段?？紤]了拱、梁組合結(jié)構(gòu)從開始頂推到頂推到位的全部過(guò)程。

3.5 頂推計(jì)算結(jié)果

由上述計(jì)算結(jié)果可知，整個(gè)頂推過(guò)程中全橋拱肋、主梁、橫梁、導(dǎo)梁及臨時(shí)撐桿應(yīng)力值的最大應(yīng)力值為69.2 MPa，具體結(jié)果如圖 4 所示，均小于規(guī)范要求，最大豎向位移為 84 mm，且頂推過(guò)程中，支撐均沒(méi)有出現(xiàn)負(fù)反力，吊桿力均在安全系數(shù)以內(nèi)，故此頂推方案是可行的。

圖3 頂推計(jì)算有限元模型

4 結(jié)語(yǔ)

該文以60 m簡(jiǎn)支鋼箱下承式鋼箱系桿拱橋?yàn)槔?，利用商業(yè)有限元分析軟件Midas Civil建立全過(guò)程頂推施工的全橋有限元模型，并對(duì)頂推全過(guò)程中的全橋各主要構(gòu)件進(jìn)行了受力計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果表明，主橋各構(gòu)件受力均滿足規(guī)范要求，結(jié)合該簡(jiǎn)支鋼箱系桿拱橋的受力特點(diǎn)，提出了吊桿張拉控制指導(dǎo)意見(jiàn)，為施工單位提供了施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)控制的設(shè)計(jì)依據(jù)。計(jì)算結(jié)果對(duì)簡(jiǎn)支鋼箱系桿拱橋的施工控制能夠起到很好的指導(dǎo)作用，特別是對(duì)跨高速公路橋的頂推施工工藝，有一定的推廣價(jià)值。

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