何 巍

（中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司 天津 300300）

1 引言

針對橋梁結(jié)構(gòu)的施工方法，現(xiàn)代頂推施工思想來源于早期的拖拉施工法，并借助千斤頂和板式滑動(dòng)支座等裝置，從而大幅提升了施工精度和頂推能力，由此使得頂推施工得以科學(xué)有效地應(yīng)用于實(shí)際工程［1-2］。

為系統(tǒng)增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)在頂推施工過程中的穩(wěn)定性，多位學(xué)者基于實(shí)際工程開展了相關(guān)研究。李傳習(xí)等［3］以變曲率豎曲線鋼箱梁頂推施工為背景，采用有限元分析方法，對橋梁結(jié)構(gòu)的最不利節(jié)段進(jìn)行了施工過程中的誤差敏感性分析；韋有波［4］以一座上承式拱橋?yàn)槔?，分析了在頂推施工過程中拱上立柱頂部水平位移、底部應(yīng)力和拱圈豎向位移，以保證施工的安全穩(wěn)定；黃成國等［5］采用有限元分析方法，研究了可能影響曲線鋼箱梁橋抗傾覆穩(wěn)定性的主要因素；張立華［6］基于斜交異形鋼箱梁橋梁工程，提出了智能頂推施工方法的技術(shù)內(nèi)容、基礎(chǔ)理論、施工原則、操作流程及注意事項(xiàng)。

在對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行頂推施工全過程分析后，發(fā)現(xiàn)在落梁階段存在結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換問題，使得上部結(jié)構(gòu)與橋墩間的應(yīng)力分布較為復(fù)雜。繼而，唐楊［7］結(jié)合重慶市具體工程項(xiàng)目，基于有限元模型，分析了在混凝土橋墩上部填充混凝土對頂推施工落梁時(shí)結(jié)構(gòu)性能的影響；李雁鳴［8］針對施工中的高位落梁問題，對上部鋼箱梁和混凝土橋墩連接處進(jìn)行了系統(tǒng)的應(yīng)力分析；魏華等［9］確定了三種工況下落梁時(shí)的有限元模型，并結(jié)合具體施工監(jiān)測數(shù)據(jù)，確定了詳細(xì)的頂推落梁施工技術(shù)；蔣田勇等［10］通過實(shí)測與有限元結(jié)果，分析了在頂推施工落梁時(shí)不同節(jié)段鋼箱梁梁底高差對頂推力和連接處應(yīng)力分布的影響。

本文以下部龍大橋?yàn)橹饕芯繉ο?，該橋上部結(jié)構(gòu)采用連續(xù)鋼箱梁，并以頂推法進(jìn)行施工。為抵抗鋼箱梁在連續(xù)端支座處剪切力并增大鋼箱梁剛度，確定在結(jié)構(gòu)連續(xù)端中支點(diǎn)澆筑底板內(nèi)填充混凝土。但在連續(xù)端落梁過程中，鋼箱梁底板會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，影響橋梁結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。基于上述實(shí)際問題，本文將深入研究鋼箱梁底板內(nèi)填充混凝土引起的應(yīng)力分布情況，并分析其穩(wěn)定性能。

2 工程概況

下部龍大橋位于石林至瀘西高速公路昆明段，跨越下部龍煤礦采空區(qū)及山間溝谷。主橋分為左右兩幅，左幅橋采用2×55 m ＋（60＋70＋60）m ＋（60＋65＋60）m連續(xù)鋼箱組合梁，右幅橋采用（63＋70＋63）m＋（52＋65＋52）m連續(xù)鋼箱組合梁 ＋2×17 m現(xiàn)澆箱梁。具體橋跨布置如圖1所示。

圖1 橋跨布置（單位：m）

左幅1＃～7＃墩、右幅 1＃ ～4＃、6?！?＃墩采用雙柱式橋墩；右幅5＃采用變截面空心方形薄壁墩，下設(shè)承臺及群樁基礎(chǔ)，兩岸橋臺均采用重力式橋臺。

單幅橋跨設(shè)置2根主梁，鋼梁橫截面為槽型斷面，采用Q345C鋼材。鋼梁底板及上翼緣板水平，兩側(cè)腹板外傾且不等高，腹板厚度14 mm并設(shè)置三道水平加勁肋，豎向設(shè)置間距為2.5 m的加勁肋并在兩端加密。為抵抗鋼箱梁在支墩位置處的剪切力作用，在鋼箱梁連續(xù)端中支點(diǎn)位置處兩側(cè)各5 m范圍內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)底板鋪設(shè)40 cm厚C50補(bǔ)償收縮混凝土。兩類典型鋼梁橫斷面如圖2所示。

圖2 典型鋼梁橫斷面圖（單位：mm）

3 頂推施工方案及鋼梁底板內(nèi)填充混凝土布置

3.1 頂推施工方案

橋梁上部鋼混組合梁從石林側(cè)向?yàn)o西側(cè)采用多點(diǎn)步履式同步連續(xù)頂推施工方案。

施工工序主要包括，在拼裝區(qū)內(nèi)拼裝鋼導(dǎo)梁，拼裝完成后頂推2～3個(gè)節(jié)間；鋼梁按每段10 m在工廠加工制作并在現(xiàn)場進(jìn)行拼裝，并由龍門吊或履帶吊提至拼裝區(qū)域，繼而與鋼導(dǎo)梁連接，然后進(jìn)行鋼梁頂推作業(yè)。頂推中，采用單向多點(diǎn)頂推計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來控制各點(diǎn)同步頂推。

在鋼梁前端設(shè)置導(dǎo)梁，導(dǎo)梁采用雙工字型形式中間加設(shè)橫聯(lián)，具體導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)如圖3所示。每個(gè)鋼槽梁對應(yīng)一個(gè)工字型截面，導(dǎo)梁長為35 m，與鋼梁接觸位置設(shè)有1 m鋼梁連接段，前端設(shè)置鼻梁，以輔助鋼梁上墩。

圖3 鋼導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)示意

在左幅1?！?＃，右幅1?！?＃墩頂設(shè)置步履式頂推設(shè)備及倒換滑塊。在左幅瀘西側(cè)橋臺前方填筑平臺，設(shè)置導(dǎo)梁接引和拆除操作平臺，利用履帶吊作為導(dǎo)梁的拆除設(shè)備。右幅橋?qū)Я喉斖浦?＃墩時(shí)，利用履帶吊懸臂拆除導(dǎo)梁。

鋼梁頂推到位后，分兩步進(jìn)行落梁工作：拆除頂推設(shè)備并在墩頂安裝正式支座及臨時(shí)支座，精確調(diào)整縱橫向位置，將鋼梁落至設(shè)計(jì)高程；解除各跨間臨時(shí)連接，按照設(shè)計(jì)順序分別澆筑連續(xù)墩墩頂處兩側(cè)5 m底板40 cm厚混凝土、跨中橋面板、墩頂兩側(cè)10 m橋面板混凝土，達(dá)到要求后落梁至設(shè)計(jì)位置。

3.2 鋼梁底板內(nèi)填充混凝土布置

為抵抗鋼箱梁在支墩位置處剪切力，在連續(xù)端中支點(diǎn)澆筑底板內(nèi)填充混凝土。但在連續(xù)端落至永久支座的二次落梁過程中，鋼箱梁底板內(nèi)填充混凝土?xí)a(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力［11-12］，為研究鋼箱梁底板內(nèi)填充混凝土在落梁過程中穩(wěn)定性受到的影響，對內(nèi)填充混凝土在落梁施工過程中的受力情況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析。

在鋼箱梁非連續(xù)端中支點(diǎn)兩側(cè)各5 m范圍內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)底板鋪設(shè)強(qiáng)度為C50、厚度為40 cm的補(bǔ)償收縮混凝土，并在鋼箱梁架設(shè)完成后橋面板施工前鋪設(shè)，同時(shí)按要求養(yǎng)護(hù)10 d，并在焊釘間隙處設(shè)置鋼筋。底板內(nèi)填充混凝土梁段的具體位置如圖1所示。

3.3 鋼箱梁底板內(nèi)填充混凝土施工

落梁之前在非連續(xù)端安裝永久支座，連續(xù)端安裝永久支座及臨時(shí)支座。頂推就位后，鋼箱梁連續(xù)處鋼梁下落至臨時(shí)支座，非連續(xù)處鋼梁下落至永久支座，臨時(shí)支座較永久支座高出25 cm/30 cm；其后澆筑連續(xù)墩墩頂處兩側(cè)5 m底板40 cm厚補(bǔ)償收縮混凝土，并養(yǎng)護(hù)不少于10 d；在墩頂處底板混凝土與鋼梁結(jié)合后，澆筑跨中（墩頂兩側(cè)10 m外）橋面板；待墩頂橋面板混凝土達(dá)到強(qiáng)度后，連續(xù)處支點(diǎn)下降至設(shè)計(jì)位置。

4 落梁高度對鋼箱梁底板內(nèi)填充混凝土穩(wěn)定性能影響分析

在澆筑連續(xù)端兩側(cè)底板內(nèi)填充混凝土?xí)r，忽略橋梁設(shè)計(jì)坡度，連續(xù)端高程高于非連續(xù)端高程，這造成了此時(shí)鋼箱梁各個(gè)節(jié)段在連續(xù)端有一定的起拱。在完成中支點(diǎn)兩側(cè)混凝土的澆筑和養(yǎng)護(hù)工作后，連續(xù)端繼續(xù)落梁，使大橋鋼箱梁達(dá)到設(shè)計(jì)線形。落梁過程中，連續(xù)端曲率逐漸變小，使得在上一施工步驟中澆筑并與鋼箱梁固結(jié)的底板內(nèi)填充混凝土與鋼箱梁底板產(chǎn)生脫離的趨勢，導(dǎo)致混凝土底部產(chǎn)生拉應(yīng)力作用。這種拉應(yīng)力的大小與鋼箱梁落梁高度存在很強(qiáng)的相關(guān)性，在保證混凝土工作性能的前提下增加落梁高度能夠顯著提高施工效率。因此以落梁高度為參數(shù)對鋼箱梁底板內(nèi)填充混凝土穩(wěn)定性能進(jìn)行分析。

4.1 建立有限元模型

選取下部龍大橋左幅作為代表采用有限元計(jì)算分析軟件建立全橋模型，以落梁高度為控制參數(shù)，對連續(xù)端鋼箱梁與支座共節(jié)點(diǎn)位置處節(jié)點(diǎn)做提升高程處理，詳細(xì)模型如圖4所示。

圖4 下部龍大橋左幅全橋模型

采用實(shí)體單元模擬底板內(nèi)填充混凝土，在連續(xù)端建立相應(yīng)實(shí)體模型，設(shè)置材質(zhì)為C50，并根據(jù)大橋鋼箱梁橫隔板分格，分割混凝土實(shí)體單元，以更好地模擬相應(yīng)變形，同時(shí)通過剛性連接與大橋鋼箱梁連接以模擬實(shí)際工程中鋼箱梁焊接栓釘?shù)腻^固作用。

當(dāng)施工底板內(nèi)填充混凝土?xí)r，下部龍大橋鋼箱梁已經(jīng)完成頂推工作，并進(jìn)行了卸載和節(jié)段分割，故而在非連續(xù)端處通過放松梁端約束的方式模擬節(jié)段分割；采用強(qiáng)制位移荷載條件模擬第二次落梁完成后連續(xù)端和非連續(xù)端的高程差彌合的情況，大橋橋臺處采用固結(jié)邊界條件模擬，放松Y向轉(zhuǎn)動(dòng)約束。

4.2 落梁高度對內(nèi)填充混凝土穩(wěn)定性能分析

根據(jù)實(shí)際工程情況，未施加強(qiáng)制位移的工況混凝土在澆筑過程中所產(chǎn)生的內(nèi)力可以忽略不計(jì)，因此直接驗(yàn)算施加強(qiáng)制位移后混凝土應(yīng)力狀況。

以前述有限元模型為基礎(chǔ)，調(diào)整強(qiáng)制位移初始數(shù)值，得到不同落梁高度情況下鋼箱梁底板內(nèi)填充混凝土拉應(yīng)力值（見表1）。由表1可知，隨著落梁高度的增加各橋墩對應(yīng)的鋼箱梁底板內(nèi)填充混凝土拉應(yīng)力值逐漸增大，當(dāng)落梁高度超過400 mm時(shí)，部分橋墩的底板內(nèi)填充混凝土拉應(yīng)力值超過C50混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，已不符合規(guī)范要求。當(dāng)落梁高度為300 mm時(shí)，內(nèi)填充混凝土最大拉應(yīng)力相較于C50混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值有9.2%的強(qiáng)度冗余，具有一定的安全儲(chǔ)備，且相較于落梁高度為200 mm情況，最大拉應(yīng)力僅增大1.8%，落梁高度增加50%，可見設(shè)計(jì)落梁高度為300 mm時(shí)最為經(jīng)濟(jì)合理。大橋左幅連續(xù)段最長為190 m，可見在鋼箱梁頂推施工選取落梁高度時(shí)，可以取鋼箱梁連續(xù)段最大長度的0.16%作為參考。

表1 不同落梁高度下鋼箱梁底板內(nèi)填充混凝土拉應(yīng)力值

在落梁高度為300 mm情況下，左幅各連續(xù)端兩側(cè)底板內(nèi)填充補(bǔ)償收縮混凝土在連續(xù)端落梁至永久支座后的應(yīng)力、應(yīng)變情況如圖5所示，左幅鋼箱梁在澆筑混凝土后應(yīng)力如圖6所示。

圖5 左幅各連續(xù)墩底板內(nèi)填充混凝土應(yīng)力和位移

圖6 左幅鋪裝混凝土橋面板后鋼箱梁應(yīng)力

根據(jù)以上有限元計(jì)算結(jié)果可知，落梁高度為300 mm時(shí)，在連續(xù)端落梁至永久支座后，連續(xù)端兩側(cè)底板內(nèi)填充混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力，應(yīng)力最大值為1.73 MPa，發(fā)生在左幅3＃支墩位置對應(yīng)混凝土板底面處，鋼箱梁最大應(yīng)力為185 MPa，小于鋼材屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（235 MPa）。由施工現(xiàn)場C50混凝土材性報(bào)告可知，C50混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.89 MPa，故而底板內(nèi)填充混凝土應(yīng)力值符合規(guī)范要求。

經(jīng)過比較可知，在下部龍大橋頂推落梁施工過程中，落梁高度為300 mm時(shí)能夠滿足橋梁整體強(qiáng)度要求和混凝土抗拉強(qiáng)度要求，且施工效率最高。

5 結(jié)論

本文基于下部龍大橋的鋼梁頂推施工過程，研究了內(nèi)填充混凝土的鋼箱梁在落梁時(shí)，由于落梁步驟不同步而引起的內(nèi)部混凝土應(yīng)力分布變化，并分析了不同落梁高度對內(nèi)部混凝土應(yīng)力的影響。主要結(jié)論如下：

（1）在頂推施工過程中，為抵抗連續(xù)端支墩剪力作用并防止鋼箱梁扭轉(zhuǎn)，須在連續(xù)端中支點(diǎn)澆筑底板內(nèi)填充混凝土。

（2）在連續(xù)端落至永久支座的二次落梁過程中，使得在上一施工步驟中澆筑并與鋼箱梁固結(jié)的底板內(nèi)填充混凝土與底板接觸位置產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力和形變，進(jìn)而對結(jié)構(gòu)整體受力性能產(chǎn)生一定影響。

（3）基于有限元模擬計(jì)算分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)底板內(nèi)填充混凝土拉應(yīng)力隨落梁高度的增加而增加，當(dāng)落梁高度為300 mm時(shí)連續(xù)端兩側(cè)底板內(nèi)填充混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力為1.73 MPa，小于混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。將落梁高度設(shè)為鋼箱梁連續(xù)段最大長度的0.16%時(shí)最為經(jīng)濟(jì)合理。