(中鐵十六局集團(tuán) 第二工程有限公司，天津 300162)

1 概述

在我國(guó)各種橋型中，由于橋梁的頂推技術(shù)具有成本核算經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、高效優(yōu)良和所占地面積較小等眾多優(yōu)勢(shì)，被廣泛的運(yùn)用在橋梁施工作業(yè)中[1]。而在國(guó)內(nèi)，對(duì)于這類橋梁的施工作業(yè)技術(shù)通常采用的是拖拉式多點(diǎn)連續(xù)頂推技術(shù)，其工藝成熟、設(shè)備簡(jiǎn)單、施工成本低，在該方法中橋梁箱梁中的位移等均是采用牽引的方式進(jìn)行作業(yè)，對(duì)橋梁自身的橋墩或者臨時(shí)墩的頂部均會(huì)產(chǎn)生較大的一個(gè)水平作用力，并且還會(huì)致使各個(gè)支撐點(diǎn)的受力不均勻，從而導(dǎo)致橋梁墩部產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。而拖拉法在橋梁進(jìn)行橫向限位裝置的設(shè)定的時(shí)候，難度比較大，這需要對(duì)箱梁的結(jié)構(gòu)具有較高要求，需局部加強(qiáng)對(duì)箱梁結(jié)構(gòu)的處理，使成本和施工工序問題得到增加[2-4]。步履式多點(diǎn)連續(xù)頂推技術(shù)屬于一項(xiàng)先進(jìn)的頂推技術(shù)，能克服拖拉法的缺點(diǎn)[6]。相比于跨支架懸吊臂進(jìn)行施工等施工作業(yè)方式而言，頂推施工作業(yè)對(duì)于橋梁的往來交通等影響較小，因而在高速公路等設(shè)施設(shè)備中被廣泛使用[7-9]。

相比于步履式頂推施工技術(shù)而言，使用工具千斤頂把整體橋梁主體進(jìn)行架構(gòu)，再進(jìn)行水平方向移動(dòng)，最后對(duì)橋梁主體撤除千斤頂裝置，完成移動(dòng)。橋梁頂推通過頂、推、降、縮步驟的循環(huán)完成。箱梁在進(jìn)行頂推過程中，會(huì)產(chǎn)生一定的位移誤差，誤差主要集中體現(xiàn)在理論的和實(shí)際的移動(dòng)中產(chǎn)生相應(yīng)的偏差。導(dǎo)致產(chǎn)生步履式頂推梁出現(xiàn)位移偏差的因素包括多點(diǎn)頂推水平千斤頂出力不同步、不均勻，橋梁中線和多點(diǎn)頂推合力作用線不完全重合等。頂推橫向偏位過大，會(huì)導(dǎo)致梁體失穩(wěn)、偏離頂推線路、滑移困難、受力不平衡從而導(dǎo)致局部受力過大等狀況[10]?；谝陨蠁栴}，本文以河北某高速公路橋梁工程為研究對(duì)象，對(duì)其砼箱梁步履式頂推過程受力進(jìn)行了研究，并對(duì)其橫向偏位進(jìn)行了測(cè)試。

2 工程概況

本工程為河北某高速公路橋梁工程，該橋A匝道連續(xù)梁小箱梁采用頂推施工。A匝道3號(hào)橋頂推施工過程，在其85.5 m處為頂推。梁截面采用腹板調(diào)整橫坡，屬于單箱雙室型式，箱梁梁高為2.12～2.25 m；底板寬為705 cm，厚為28.5 cm；頂板寬為1 045 cm，厚為28.5 cm；箱梁的腹板厚度為45.5 cm，主體梁體所使用的混凝土結(jié)構(gòu)材料為耐久性混凝土C50。在本文的研究項(xiàng)目中所選用的主橋梁為單箱雙室截面，在該梁底的下方安裝了相應(yīng)的千斤頂以作支撐，最大程度地保障了橋梁整體結(jié)構(gòu)受力均衡。圖1為頂推布置示意圖。

圖1 頂推布置示意圖Figure 1 Schematic diagram of pushing arrangement

3 頂推過程受力分析

橋梁的箱梁在進(jìn)行推頂時(shí)，整個(gè)受力分析比較困難，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。與鋼梁相比，抗拉強(qiáng)度低的混凝土結(jié)構(gòu)，其頂推過程需嚴(yán)格對(duì)拉壓應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行控制。本研究通過ANSYS軟件對(duì)箱梁節(jié)段受力進(jìn)行模擬，從而對(duì)梁體局部應(yīng)力分布情況進(jìn)行后續(xù)的研究分析，重點(diǎn)是以頂推過程中會(huì)受到最大反力墩進(jìn)行研究，從而對(duì)橫向支點(diǎn)的相對(duì)高度進(jìn)行調(diào)整，對(duì)于實(shí)際推頂過程中千斤頂升起時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力情況進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn)，最后得到在極限狀態(tài)之下的橫向支點(diǎn)等最大高度限值，從而對(duì)項(xiàng)目工程的實(shí)際施工作業(yè)進(jìn)行指導(dǎo)。在頂推施工全過程中，分析獲得各墩支反力變化情況。其中2號(hào)墩具有最大支反力，為8481.2 kN。所以，選用2號(hào)墩位的前后各8.5 m一共17.5 m長(zhǎng)度的橋梁作為模擬施工實(shí)驗(yàn)的對(duì)象，通過ANSYS進(jìn)行三維局部分析模擬。表1為梁體節(jié)段端部受力模型加載匯總表，圖2為頂推過程中各墩支反力變化示意圖，圖3為Midas/Civil模擬。

表1 梁體節(jié)段端部受力模型加載匯總Table 1 Loading model of end member of beam segment截面位置彎矩M/(kN·m)剪力Q/kN軸力FN/kN前(-9 m)-3 887.15-2 291.45-30 272.97后(-9 m)6 968.58-2 633.5130 272.97

圖2 頂推過程中各墩支反力變化示意圖Figure 2 Schematic diagram of reaction force of pier support during pushing process

圖3 Midas/Civil模擬Figure 3 Midas/civil simulation

4 局部分析

采用SOLID65單元對(duì)混凝土進(jìn)行模擬，并進(jìn)行局部受力情況的分析研究，使用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)，通過對(duì)橋梁混凝土材料進(jìn)行非線性分析，使用ANSYS軟件中的KINH多向隨動(dòng)對(duì)本構(gòu)建模型進(jìn)行相應(yīng)的強(qiáng)化工作，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土構(gòu)建的仿真模擬實(shí)驗(yàn)。在進(jìn)行實(shí)際頂推時(shí)，通過在千斤頂和梁底間使用橡膠墊塊，使橫向3個(gè)支撐點(diǎn)受力平均得到保證，這樣就可使梁底具有平衡均勻的接觸應(yīng)力。在ANSYS軟件中進(jìn)行的局部受力模型分析中，通過TARGE171和CONTA172單元的配合，分析兩者間的非線性接觸效應(yīng)。在進(jìn)行局部受力分析研究的時(shí)候，梁段兩端主要是從節(jié)點(diǎn)耦合進(jìn)行出發(fā)，通過施加力邊界條件，采用內(nèi)力計(jì)算來進(jìn)行整體分析。通過對(duì)橫向支撐的相對(duì)高差值進(jìn)行不斷調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)頂推過程中的千斤頂支點(diǎn)橫向不平整進(jìn)行模擬。在進(jìn)行各工況下梁體達(dá)到應(yīng)力極限狀態(tài)或某一支點(diǎn)脫空的分析時(shí)，可以允許最高差限值作為橫向支撐。通過改變單點(diǎn)高程的變量因素，從而達(dá)到對(duì)整個(gè)橋梁橫向支撐進(jìn)行模擬分析研究。在本文的研究中主要是通過對(duì)于該工況支座中的5種支撐不平衡狀態(tài)進(jìn)行研究，表2表現(xiàn)的是在這5種工況下的支撐點(diǎn)的高差閥值。

表2 工況狀態(tài)表Table 2 Condition tablemm工況支座1支座1支座1工況支座1支座1支座1工況1000工況406.10工況25.900工況50-5.20工況3-10.200

4.1 工況1的梁體受力特性

在本文的研究中，將選用距離支撐中心線約3.05 m的橋梁橋段作為研究對(duì)象，工況1所展示的各項(xiàng)條件作為橫向支撐的最佳理想狀態(tài)，表3為工況1局部應(yīng)力計(jì)算分析結(jié)果表。

表3 局部應(yīng)力計(jì)算分析結(jié)果Table 3 Local stress calculation and analysis results局部應(yīng)力最大拉應(yīng)力/MPa最大壓應(yīng)力/MPa拉應(yīng)力出現(xiàn)位置縱向1.67811.746中間頂板上緣橫向2.0154.277左腹板下緣梗腋處

由表3知，對(duì)于混凝土C50梁段各應(yīng)力值，抗壓強(qiáng)度值控制在50 MPa范圍內(nèi)，軸向抗拉強(qiáng)度值控制在5 MPa，受力達(dá)到要求。左支撐支反力為2605.12 kN，中支撐支反力為3287.21 kN，右支撐支反力為2686.02 kN，中支撐反力反而比兩側(cè)的支撐反力要大得多，最主要的原因是該梁體的主體結(jié)構(gòu)中橫向存在著相應(yīng)的坡度，從而導(dǎo)致左右兩側(cè)的支反力具有一定的差異情況。因而梁體在理想頂推過程中為安全狀態(tài)。

4.2 工況2的梁體受力特性

工況2的條件具有的受力特性為左側(cè)支撐比其他的支撐要高出0～6.0 mm左右，在左側(cè)的支撐進(jìn)行頂升的時(shí)候，中支撐反力減小較快，左支撐和右支撐反力會(huì)逐步加大，一旦頂升高度達(dá)到6.0 mm的時(shí)候，就會(huì)由于中支撐不足從而導(dǎo)致脫空，出現(xiàn)脫空現(xiàn)象后的梁體主要是由左支撐和右支撐全部承擔(dān)，左右側(cè)支撐反力非常接近，右支撐最大接觸應(yīng)力增加到8.03 MPa，中支撐接觸應(yīng)力減小為0 MPa，左支撐最大接觸應(yīng)力增加到10.75 MPa，各支撐接觸應(yīng)力不均勻性較明顯。圖4為橫向支撐支反力和相對(duì)高差變化圖。

圖4 橫向支撐支反力和相對(duì)高差變化圖(工況2)Figure 4 Variation of lateral support reaction and relative height difference(uorking condition 2)

圖5為箱梁包絡(luò)應(yīng)力和相對(duì)高差變化圖，由圖5知，梁體節(jié)段最大拉應(yīng)力為6.05 MPa，最大壓應(yīng)力為16.02 MPa，這說明梁體受力不均衡從而導(dǎo)致出現(xiàn)裂縫，由于混凝土正不斷地產(chǎn)生裂縫，因而對(duì)于施工作業(yè)具有很大的影響，所以需要對(duì)受力分布情況進(jìn)行重新規(guī)劃，在頂升過程中，增加拉應(yīng)力可起到一定的控制作用，在工況2下，箱梁承載力并

圖5 箱梁包絡(luò)應(yīng)力和相對(duì)高差變化圖(工況2)Figure 5 Variation of envelope stress and relative height difference of box girders(uorking condition 2)

未喪失，因不斷擴(kuò)展的梁體局部開裂，同時(shí)又因中間支座出現(xiàn)脫空，因而造成梁體出現(xiàn)受力不合理，從而使支撐結(jié)構(gòu)受力不均勻，在工況2下要避免此頂推過程。

4.3 工況3的梁體受力特性

工況3的條件為左支撐要比其它支撐低0～10 mm，在左支撐降低時(shí)，中支撐反力增加迅速，左支撐和右支撐支反力逐漸減小。當(dāng)左支撐降低到10 mm時(shí)，左支撐出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，中支撐反力為8100.21 kN，右支撐反力為500.12 kN。中支撐在此過程中的最大接觸應(yīng)力增至8.87 MPa，左支撐接觸應(yīng)力減小為0 MPa，右支撐最大接觸應(yīng)力增大到1.46 MPa，各支撐接觸應(yīng)力不均勻性較明顯。圖6為橫向支撐支反力和相對(duì)高差變化圖。

圖6 橫向支撐支反力和相對(duì)高差變化圖(工況3)Figure 6 Variation of lateral support reaction and relative height difference(uorking condition 3)

圖7為箱梁包絡(luò)應(yīng)力和相對(duì)高差變化圖，由圖7知，在左支撐較低4 mm時(shí)，梁段局部最大壓應(yīng)力為13.84 MPa，最大拉應(yīng)力為5.63 MPa，梁體局部此時(shí)有裂縫出現(xiàn)，裂縫隨著左邊支撐下降到10 mm時(shí)，有混凝土單元由于受力不均勻從而導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)，不得不停止施工工作，梁體和中支撐之間所受到的應(yīng)力分布情況應(yīng)當(dāng)隨著施工進(jìn)程中受力的變化而進(jìn)行重新劃分，當(dāng)梁體的局部應(yīng)力分布情況趨向于穩(wěn)定的時(shí)候，混凝土最大的壓應(yīng)力為19.32 MPa，最大拉應(yīng)力為5.11 MPa，這說明梁體此時(shí)使用性能受到的影響比較嚴(yán)重。因而，工況3要避免此頂推過程，邊支撐相對(duì)高差盡量保證在-6～6 mm范圍內(nèi)，這樣各支撐均參與受力，從而使過大拉應(yīng)力造成的梁體開裂得到控制。

圖7 箱梁包絡(luò)應(yīng)力和相對(duì)高差變化圖(工況3)Figure 7 Variation of envelope stress and relative height difference of box girders(uorking condition 3)

4.4 工況4梁體受力特性

工況4的條件為中支撐比兩邊支撐高出0～6 mm，在中支撐頂升時(shí)，左支撐和右支撐反力會(huì)出現(xiàn)下降趨勢(shì)，從而極易導(dǎo)致中支撐反力明顯增加，當(dāng)頂推上升到6 mm的時(shí)候，梁體的兩側(cè)支撐都會(huì)出現(xiàn)脫空，中支撐承擔(dān)梁體全部的豎向荷載，反力此時(shí)為8600.57 kN。兩邊支撐接觸應(yīng)力在此過程中減小到0 MPa，中支撐最大接觸應(yīng)力增大到7.51 MPa。當(dāng)梁體的中支撐高差限制為2 mm的時(shí)候，梁體局部所收到的最大拉應(yīng)力為5.13 MPa，微小裂縫可能在梁體局部已出現(xiàn)，但梁體承載能力受其影響不大；在中間支撐頂升為6 mm時(shí)，梁體主體所受到的應(yīng)力將會(huì)集中地體現(xiàn)在混凝土出現(xiàn)裂縫的區(qū)域中，對(duì)此整個(gè)梁體的受力情況需要重新進(jìn)行劃分，直到梁體兩側(cè)均出現(xiàn)脫空現(xiàn)象時(shí)才結(jié)束，梁體最大拉應(yīng)力為4.13 MPa，最大壓應(yīng)力為18.40 MPa，梁體此時(shí)多處發(fā)生開裂，嚴(yán)重影響受力性能，頂推過程存在施工風(fēng)險(xiǎn)。

4.5 工況5梁體受力特性

工況5的條件為中支撐比兩邊支撐低0～6 mm，在中間支撐下降時(shí)，中支撐反力減小迅速，左支撐和右支撐反力增加平緩，當(dāng)下降到4 mm時(shí)，中支撐有脫空現(xiàn)象發(fā)生，兩邊支撐全部承擔(dān)梁體豎向荷載，兩者支撐反力比較接近。中支撐接觸應(yīng)力在此過程中減小為0 MPa，左支撐和右支撐最大接觸應(yīng)力增大到3.76 MPa，各支撐接觸應(yīng)力不均勻性比較明顯。梁段最大拉應(yīng)力隨中支撐降低，其值約為5.01 MPa，這說明有混凝土開裂不斷退出受力，梁體受到的最大拉應(yīng)力是在中支撐出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，逐漸上升到14.65 MPa ，混凝土抗壓強(qiáng)度值比較小，在這個(gè)時(shí)候而所受到的最大拉應(yīng)力為5.17 MPa，不利于部分單元受力，因而梁體應(yīng)力集中現(xiàn)象要避免。

5 箱梁步履式頂推橫向偏位測(cè)試

5.1 橫向偏位實(shí)測(cè)方法

橫向偏位監(jiān)測(cè)點(diǎn)不能僅僅只是從梁體前后端進(jìn)行檢測(cè)觀察，對(duì)于每個(gè)千斤頂所在位置橫向均要監(jiān)測(cè)。本研究對(duì)橫向偏位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，這樣對(duì)每個(gè)臨時(shí)墩位置的橫向偏位監(jiān)測(cè)比較方便，圖8為橫向偏位測(cè)試體系示意圖。在臨時(shí)墩上進(jìn)行基準(zhǔn)線A的設(shè)置，開始頂推前在基準(zhǔn)線A所在位置進(jìn)行箱梁腹板邊緣的放置。通過百分表和鋼弦進(jìn)行測(cè)量，表達(dá)式見式(1)。

d2=Δ/cosα

(1)

式中:鋼弦與水平面的夾角用α表示；百分表讀數(shù)用Δ表示；通過式(2)計(jì)算箱梁橫向總偏移量d。

d=d1+d2

(2)

圖8 橫向偏位測(cè)試體系示意圖Figure 8 Schematic diagram of lateral deviation test system

5.2 橫向偏位統(tǒng)計(jì)結(jié)果

本工程橋梁分為左幅和右幅，全部要進(jìn)行步履式頂推施工作業(yè)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，在進(jìn)行頂推的時(shí)候，箱梁橫向偏移量比較接近。圖9為每次頂推循環(huán)箱梁橫向偏移量的概率密度函數(shù)圖像。圖9顯示的是，在單次循環(huán)過程中，箱梁發(fā)生橫向偏移量呈現(xiàn)正態(tài)分布情況。

圖9 單次頂推循環(huán)橫向偏移量概率密度函數(shù)Figure 9 Probability density function of lateral offset for single push cycle

6 結(jié)論

以河北某高速公路橋梁工程為研究對(duì)象，對(duì)其砼箱梁步履式頂推過程受力進(jìn)行了研究，并對(duì)其橫向偏位進(jìn)行了測(cè)試，得出如下結(jié)論。

a.該混凝土箱梁可以間接的看作是一個(gè)連續(xù)的梁體系，當(dāng)其在頂推過程中所受到的力不一致的時(shí)候，就會(huì)導(dǎo)致支撐高程不平衡、各個(gè)支撐反力存在著相應(yīng)的差異情況、橋梁主體產(chǎn)生橫向的扭轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致頂推出現(xiàn)不同步，嚴(yán)重的影響了項(xiàng)目工程施工過程中的安全。橫向支撐不平衡會(huì)嚴(yán)重的導(dǎo)致作用在箱梁局部的應(yīng)力過于集中，從而產(chǎn)生極大的拉應(yīng)力，致使箱梁出現(xiàn)裂痕。

b.在進(jìn)行混凝土箱梁橫向多點(diǎn)頂推時(shí)，應(yīng)局部分析產(chǎn)生的橫向支撐，確定橫向不平容許范圍，保證結(jié)構(gòu)安全可靠。

c.在每次頂推循環(huán)時(shí)，箱梁橫向偏移量比較接近；在單次循環(huán)中，箱梁橫向偏移量基本為正態(tài)分布特征。