賀常松

(中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司 河北唐山 063000)

1 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)家對(duì)交通運(yùn)輸方面也越來越重視。 我國(guó)在近年來提出了“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略，并大力推廣，旨在以交通運(yùn)輸為媒介加強(qiáng)與世界的聯(lián)系；之后又公布了“十三五現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃”，旨在建成高效、安全、便捷、綠色的現(xiàn)代化綜合性交通運(yùn)輸體系，基本實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化交通運(yùn)輸；在黨的中共十九大報(bào)告中提出“交通強(qiáng)國(guó)”的建設(shè)要求，以高速鐵路為重點(diǎn)發(fā)展方向[1]。 對(duì)于交通運(yùn)輸系統(tǒng)來講，橋梁是一個(gè)重要的控制點(diǎn)。 其安全、質(zhì)量、環(huán)保對(duì)整個(gè)交通運(yùn)輸體系的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。 而在我們所知的諸多橋梁型式中，鋼桁拱橋獨(dú)特的跨越能力大、承載力高、工廠化作業(yè)程度高、施工便捷、可裝配式施工等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到設(shè)計(jì)者的青睞。 在施工方法中，頂推施工成本低、設(shè)備輕便、不影響通航或通車等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為一種橋梁施工的重要方法。

目前國(guó)內(nèi)外的研究多是針對(duì)于混凝土橋的頂推施工技術(shù)，有關(guān)鋼拱橋頂推施工的相對(duì)較少，特別是對(duì)于利用拱上平臺(tái)作為拼裝場(chǎng)地進(jìn)行頂推施工的先例更是為數(shù)不多。 本文以大跨度上承式鋼桁架拱橋?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)基于拱上平臺(tái)的頂推施工法進(jìn)行鋼梁支反力變化趨勢(shì)進(jìn)行研究，得出鋼梁支反力變化趨勢(shì)[2]，這對(duì)同類型橋梁頂推施工具有一定指導(dǎo)作用和日后相關(guān)鋼拱橋頂推施工研究提供參考依據(jù)。

2 頂推施工方案探討

2.1 工程背景

本文以大瑞鐵路怒江特大橋?yàn)檠芯繉?duì)象。 大橋主橋?yàn)榭缍?90 m 上承式鋼桁架拱橋，為四線車站橋，線間距均5 m。 橋梁全長(zhǎng)為1 024.2 m，主橋梁部為(14×37.2)m 連續(xù)鋼箱梁；引橋?yàn)?7 ×41)m 和(5×41)m 連續(xù)鋼混結(jié)合梁，鋼梁材質(zhì)為Q345qD。 橋梁布置詳見圖1、圖2。

圖1 大橋總平面圖

圖2 大橋立面圖(單位:cm)

主橋鋼箱梁全長(zhǎng)520.8 m，鋼箱梁分兩幅設(shè)計(jì)，每幅橋面板寬12.45 m，全橋?qū)?4.9 m。 縱向分為14個(gè)節(jié)段，每個(gè)節(jié)段長(zhǎng)度37.2 m。 總重量7 265.6 t。 鋼箱梁斷面如圖3 所示。

圖3 主橋鋼箱梁橫向截面圖(單位:mm)

邊跨鋼混結(jié)合梁布設(shè)于拱上鋼箱梁兩側(cè)，瑞麗側(cè)鋼梁長(zhǎng)度205 m，大理側(cè)鋼梁長(zhǎng)度287 m。 鋼混結(jié)合梁橫向分為左右兩幅，兩幅總寬度23 m；縱向分為7 個(gè)節(jié)段(大理側(cè))和5 個(gè)節(jié)段(瑞麗側(cè))，每個(gè)節(jié)段長(zhǎng)度41 m。 總重4 922.9 t。 鋼混結(jié)合梁橫向截面圖如圖4 所示。

圖4 引橋鋼混結(jié)合梁橫向截面圖(單位:mm)

2.2 頂推方案探討

常見的頂推施工通常是沿橋縱軸方向借助于鋼導(dǎo)梁向前頂推。 對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁，通常需在橋臺(tái)后方路基段設(shè)置橋梁預(yù)制場(chǎng)，待混凝土梁體達(dá)到設(shè)計(jì)允許強(qiáng)度并完成預(yù)應(yīng)力張拉后再進(jìn)行頂推作業(yè)。 本階段梁體頂推完畢后預(yù)留出底座空間繼續(xù)下一個(gè)梁段的施工，后續(xù)施加預(yù)應(yīng)力與前次梁段聯(lián)結(jié)，循環(huán)此工序直至將全部梁段澆筑頂推完成。 最后進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換，接著進(jìn)行主橋連續(xù)鋼梁的施工。 對(duì)于鋼梁，在橋臺(tái)后側(cè)設(shè)置拼接平臺(tái)，頂推一節(jié)段完畢后，在拼接平臺(tái)預(yù)留出后續(xù)接長(zhǎng)空間，拼接(栓接或焊接)后續(xù)節(jié)段，直至完成整座橋梁梁段。

本工程采用纜索吊裝先實(shí)現(xiàn)拱橋主橋的安裝架設(shè)，然后作為探討的方案之一利用拱上鋼箱梁橋面作為長(zhǎng)平臺(tái)進(jìn)行頂推施工[3]。 引橋部分組合梁鋼梁分兩幅，以大理岸側(cè)為例，在虛擬的橋面長(zhǎng)平臺(tái)上對(duì)邊跨主梁進(jìn)行頂推，且每次只頂推單幅，頂推完成后，再頂推另一幅。 施工過程中先在主梁橋面架設(shè)好滾軸支座，把大理一側(cè)邊跨主梁吊裝到鋼箱梁橋面上并與滾軸支座連接，然后施加縱向水平推力，從大理側(cè)7＃交界混凝土墩一直頂推到0＃臺(tái)頂，多點(diǎn)步履式頂推裝置依據(jù)平移千斤頂行程每次同步步進(jìn)約0.45 m，一次頂推的控制階段長(zhǎng)度為10.25 m，隨著施工進(jìn)程，不斷重復(fù)頂推長(zhǎng)度10.25 m，直到一次完成既定的工程量。 累計(jì)39 個(gè)施工階段可完成全部進(jìn)度，直至將整個(gè)引橋鋼梁頂推至設(shè)計(jì)位置，頂推步驟如圖5 所示，步驟中沒有示出導(dǎo)梁的安裝和拆除。

圖5 頂推施工步驟圖(僅以大理岸半拱跨結(jié)構(gòu)示意)

2.3 擬采用頂推系統(tǒng)

鑒于怒江特大橋拱上立柱較柔，立柱頂部空間有限，采用多點(diǎn)頂升步履式頂推全套施工設(shè)備，便于及時(shí)對(duì)施工過程中梁體線形進(jìn)行糾偏和控制。頂推設(shè)備運(yùn)行系統(tǒng)由頂推機(jī)械升降前進(jìn)系統(tǒng)、頂推液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和頂推數(shù)控系統(tǒng)三大部分組成[4]。其中頂推機(jī)械升降前進(jìn)系統(tǒng)是直接作用于梁體實(shí)現(xiàn)頂推過程的裝置；頂推液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是為頂推機(jī)械升降前進(jìn)系統(tǒng)提供動(dòng)力的裝置；頂推數(shù)控系統(tǒng)是頂推進(jìn)行數(shù)字化集中控制，保證頂推施工同步性，并采集施工信息。 步履式頂推施工時(shí)以頂升、前進(jìn)、降落、回縮四步組成一個(gè)循環(huán)工作，以此為一個(gè)工作節(jié)點(diǎn)不斷循環(huán)，實(shí)現(xiàn)鋼梁體的頂推平移前進(jìn)，工作流程如圖6 所示。 另外，為保證鋼梁頂推過程中各頂推設(shè)備的同步性，減少鋼梁軸線位移偏差滿足連續(xù)梁整體線性控制，采用頂推數(shù)控系統(tǒng)中位移傳感器、壓力傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X終端實(shí)時(shí)對(duì)頂推設(shè)備油缸、支撐頂升油缸、橫向調(diào)整油缸的受力和行走狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整油缸壓力，確保各支墩頂推設(shè)備的支反力最大可能達(dá)到均衡狀態(tài)，便于將頂推過程中梁體的軸線偏差控制在施工設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，保證鋼梁平穩(wěn)推進(jìn)至設(shè)計(jì)位置。

圖6 步履式頂推設(shè)備施工流程

3 頂推施工建模計(jì)算及分析

3.1 有限元模型建立

選梁格法模擬鋼主梁，采用專業(yè)橋梁計(jì)算軟件建立引橋的頂推施工模型[5]，頂推施工計(jì)算的施工階段擬分為39 個(gè)步驟，共計(jì)37 178 個(gè)單元，頂推施工階段擬定見表1。

表1 計(jì)算模型中對(duì)施工階段的劃分

續(xù)表1

3.2 頂推鋼梁支反力變化趨勢(shì)分析

相較于在橋臺(tái)后設(shè)置預(yù)制場(chǎng)澆筑梁段，利用拱上鋼箱梁作為頂推平臺(tái)，除了考慮頂推時(shí)各墩頂?shù)闹Х戳Γ€要注意頂推鋼梁對(duì)拱圈的支反力影響。 因此，需從各墩頂和拱圈桁桿所承受的內(nèi)力兩方面來探究頂推鋼梁支反力變化的趨勢(shì)[6-7]。 在頂推過程中，由于邊跨主梁不斷移動(dòng)到邊跨，拱圈主梁上的滾軸支座逐漸減少，定義拱圈主梁上滾軸支座編號(hào)從大理至瑞麗方向依次定義為支座F1 ～支座F16。 對(duì)于一幅箱梁而言，每排滾軸支座橫向分布4 個(gè)，以頂推前進(jìn)方向?yàn)檎较?，各支座從右往左分別編號(hào)為1 號(hào)支座(H1)、2 號(hào)支座(H2)、3 號(hào)支座(H3)、4 號(hào)支座(H4)。 由于每幅箱梁左右對(duì)稱，故僅研究每排滾軸的1 號(hào)支座和2 號(hào)支座的支反力即可[8]。

在實(shí)際頂推施工過程中，第一排支座處承受較大的支反力，也是最容易出現(xiàn)問題的地方[9]。 為此我們以第一排支座F1 和第九排支座F9 為研究對(duì)象就支反力變化趨勢(shì)進(jìn)行探究[10]。

從圖7 可知：在CS06 階段，即頂推41 m，頂推鋼梁第一次達(dá)到最大懸臂狀態(tài)時(shí)，支座F1 支反力達(dá)到峰值1 398 kN。 在整個(gè)頂推過程中，支座反力呈現(xiàn)明顯的周期性變化，這與每一跨頂推過程都是周期性重復(fù)的情況相符合[11]。

圖7 支座F1 支反力變化

根據(jù)圖8 可知：支座F9 支反力變化呈現(xiàn)于支座F1 類似的周期性變化，這說明確實(shí)是由于頂推過程周期性重復(fù)，導(dǎo)致支座反力變化呈現(xiàn)周期性的特性[12]。 從H1 支座來看，支反力變化幅度在200 kN以內(nèi)，在第一跨頂推過程中，支反力達(dá)到峰值時(shí)處于CS05 階段，即最大懸臂階段CS06 的前一個(gè)階段，在鋼梁頂推至跨度中間位置處，支座反力達(dá)到最小。 之后頂推過程中，支反力變化與第一跨情形類似。

圖8 支座F9 支反力變化

對(duì)于墩頂支反力變化趨勢(shì)研究，怒江特大橋中7＃墩高度最高，其穩(wěn)定性及受力特性問題最為關(guān)鍵，因此選取7＃墩為研究對(duì)象。

從圖9 中可知：墩頂支座H1 和H2 的支反力呈現(xiàn)同步變化，支反力變化呈現(xiàn)周期性的特點(diǎn)[13]。 在CS06 階段，即頂推41 m，頂推鋼梁第一次達(dá)到最大懸臂狀態(tài)時(shí)，墩頂支座反力達(dá)到峰值1 082 kN。 在CS03～CS08 階段，可以看出支座反力變化幅度較大，這說明當(dāng)導(dǎo)梁距離該主墩較近時(shí)，該主墩頂支座反力隨施工過程變化較大；當(dāng)導(dǎo)梁距離某一主墩較遠(yuǎn)時(shí)，該主墩的支座反力隨施工過程變化較小[14]。

圖9 7＃墩頂支座反力變化

4 結(jié)論

(1)由于頂推過程的重復(fù)性，可以明顯發(fā)現(xiàn)頂推鋼梁的支反力變化趨勢(shì)呈現(xiàn)周期性的特點(diǎn)。

(2)對(duì)于墩頂支座反力來說，當(dāng)導(dǎo)梁距離該主墩較近時(shí)，該主墩頂支座反力隨施工過程變化較大；當(dāng)導(dǎo)梁距離某一主墩較遠(yuǎn)時(shí)，該主墩的支座反力隨施工過程變化較小。