黃宗光， 羅 天

(1.南寧城市建設(shè)投資集團有限責(zé)任公司， 南寧 530033； 2.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司， 成都 610041)

20世紀70年代頂推施工方法在我國開始應(yīng)用，1977年建成的狄家河橋是我國首座應(yīng)用頂推法建成的橋梁，之后隨著我國橋梁的大量建設(shè)，頂推法施工技術(shù)快速發(fā)展。頂推法早期僅應(yīng)用于PC梁，但隨著橋梁建設(shè)設(shè)備和施工工藝的發(fā)展，頂推技術(shù)在大跨橋梁的建設(shè)中顯示了較大優(yōu)勢，已在橋梁建設(shè)中占據(jù)了極其重要的地位[1-4]，各種類型的橋梁中均有成功使用該施工方法的工程案例[5-6]。隨著建設(shè)設(shè)備的進步，頂推法施工技術(shù)在效率和精度上均有了質(zhì)的飛躍[7-9]，逐漸形成了拖拉式多點連續(xù)頂推、楔進式多點連續(xù)頂推、步履式多點連續(xù)頂推等方法。在頂推法施工過程中，結(jié)構(gòu)和部件局部受力反復(fù)變化，需確定最不利狀態(tài)是否滿足受力要求。為確保施工安全，許多學(xué)者進行了研究。姚志立等[10]針對不同高程滑道結(jié)構(gòu)受力的問題進行有限元模擬分析，發(fā)現(xiàn)高程對結(jié)果影響很大。衛(wèi)星等[11]通過有限元模型對W型槽梁在頂推施工中的時變剪力滯效應(yīng)進行深入分析，給出了最大剪力滯系數(shù)范圍和影響因素。董創(chuàng)文等[12]給出了連續(xù)梁頂推導(dǎo)梁關(guān)鍵系數(shù)的確定方法并進行了驗證。張華平等[13]針對斜度在頂推施工中對結(jié)構(gòu)受力的影響進行了研究，得出了應(yīng)力影響規(guī)律。夏學(xué)軍等[14]通過橋梁整體和構(gòu)件進行受力分析，給出了頂推施工過程中通過合理設(shè)置臨時墩等措施改善構(gòu)件受力的建議。

南寧英華大橋是首次利用頂推技術(shù)施工的大跨單索面懸索橋，本文通過有限元分析，針對單主纜懸索橋的頂推施工技術(shù)進行了詳細研究，模擬了頂推法施工的詳細施工過程和主梁局部受力特征，得到了不同施工技術(shù)參數(shù)對施工階段應(yīng)力的影響規(guī)律，并對最不利工況提出設(shè)計建議，成果供同類型橋梁頂推施工參考。

1 工程概況

英華大橋位于南寧市，承接起江南片區(qū)與瑯東區(qū)的聯(lián)通任務(wù)，為多個區(qū)域的經(jīng)濟、社會發(fā)展起到重要作用。英華大橋為雙塔單主纜鋼箱梁懸索橋，橋跨布置為351 m +390 m +209 m，橋塔為混合式橋塔，下塔柱為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，上塔柱為鋼結(jié)構(gòu)。橋梁矢跨比1/9，吊索間距10 m，如圖1所示。主梁為流線型鋼箱梁，梁寬37.7 m，高3.5 m，如圖2所示。

單位：cm

單位：mm

2 英華大橋頂推施工技術(shù)的原理和實施方法

2.1 頂推施工技術(shù)工法

頂推施工法是在沿橋縱軸方向的臺后設(shè)置預(yù)制場地，分節(jié)段或全部預(yù)制上部結(jié)構(gòu)，并將預(yù)制節(jié)段與施工完成的梁體聯(lián)成整體，然后通過水平千斤頂施加力將梁體向前頂推出預(yù)制場地，之后繼續(xù)在預(yù)制場進行下段梁的預(yù)制，循環(huán)操作直至施工完成。這種技術(shù)適用于橋梁跨越深谷、不可間斷交通運輸線、難以拆遷的建筑物以及對施工噪音有嚴格限制的地區(qū)。

英華大橋頂推系統(tǒng)采用集中控制系統(tǒng)，并依靠電液比例控制技術(shù)，有極高的施工精度?？紤]到英華大橋的通航需求、現(xiàn)場環(huán)境、經(jīng)濟效益等綜合條件，采用步履式頂推法進行施工。為了適應(yīng)英華大橋臨時墩高差的特殊性，確保頂推過程安全平穩(wěn)，共采用20套步履式頂推系統(tǒng)多點頂推，每2套對稱布置在箱梁底部，整個過程分為頂、推、降、縮4個工作階段，確保每個階段都能達到很高的精度，從而保障施工的質(zhì)量。

2.2 頂推法施工過程

由于現(xiàn)場條件受限，鋼箱梁在工廠加工后運輸至現(xiàn)場進行拼裝，過程如下：1) 在箱梁加工的同時在邊跨設(shè)置頂推平臺，在主跨之間搭建7個臨時墩，臨時墩跨距為30 m+40 m+5×60 m+40 m，如圖3所示；2) 臨時墩最大間距為60 m，為保證主梁能安全的進行頂推施工，避免過大的撓度，必須設(shè)置導(dǎo)梁。根據(jù)該橋結(jié)構(gòu)特征和周圍環(huán)境要求，導(dǎo)梁設(shè)計長度為40 m，分4個節(jié)段，總重約125 t；3) 臨時支墩上安裝3層分配梁，高度調(diào)整墊座、頂推裝置等； 4) 前期準(zhǔn)備工作完成后，按頂推施工步驟進行施工。

2.3 頂推施工步驟

英華大橋利用頂推施工技術(shù)，其頂推過程可分為4個步驟：1) 啟動各墩上的頂推設(shè)備；2) 頂升千斤頂通過控制系統(tǒng)伸缸到設(shè)定活塞行程，將整個頂推裝置和鋼箱梁頂起，離開墊梁一段距離；3) 通過控制系統(tǒng)同步控制頂推千斤頂伸缸，推動上滑塊帶動鋼箱梁向前移動至設(shè)定好的活塞行程位置，鋼箱梁前移，當(dāng)鋼箱梁移動到系統(tǒng)設(shè)定的位移量后(500 mm)，頂升千斤頂活塞縮缸回程，使鋼箱梁落在墊梁上進行力系轉(zhuǎn)換，水平千斤頂回行程到原始狀態(tài)，完成一個行程頂推,如此反復(fù)，直至完成整個主梁的架設(shè)；4) 進行全橋線性調(diào)整，保障橋梁線性達到設(shè)計要求。頂推設(shè)備及步驟如圖4所示。

(a) 立面

(b) 構(gòu)造

3 英華大橋頂推過程的有限元分析

在頂推施工過程中,隨著鋼箱梁頂推長度的增加，箱梁每個截面的內(nèi)力呈現(xiàn)出正、負彎矩的交替變化，需對整個頂推過程鋼箱梁的受力進行分析，確保結(jié)構(gòu)受力在容許范圍內(nèi)，保障施工安全。本文采用Ansys軟件對單主纜懸索橋主梁在頂推施工中的局部受力特征進行研究。

3.1 建模及參數(shù)選取

鋼箱梁局部實體模型采用板單元，實體部分為一個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段；其余位置(頂推支架、上方橫梁、分配梁等)采用梁單元建模。在實體模型底部有支撐的位置，用彈性支撐，模型中采用彈簧單元模擬，彈簧單元的剛度由橡膠墊的尺寸決定，尺寸為1 600 mm×900 mm×100 mm。鋼箱梁材料性能參數(shù)如表1所示，部分部件有限元模型如圖5所示。

3.2 邊界條件

邊界條件設(shè)置在滑塊支承點處，約束豎向位移。計算荷載包括自重+臨時施工荷載+風(fēng)荷載+步履機荷載。其中，自重荷載按照中桁重量取值，臨時施工荷載按2 kN/m均布荷載，施工階段風(fēng)荷載按8.85 kN/m計算，步履機荷載按步履機豎向限壓荷載的0.3倍考慮。

(a) 開啟頂升千斤頂，鋼梁脫離墊梁

(b) 開啟頂推千斤頂，鋼梁前移

(c) 到達指定位置，鋼梁下降

表1 鋼箱梁材料參數(shù)

3.3 模擬工況

根據(jù)施工流程和最不利條件選擇4種工況：1) 工況1：頂推最大懸臂35 m，導(dǎo)梁25 m，此時導(dǎo)梁前進處無支撐；2) 工況2：頂推最大懸臂35 m，導(dǎo)梁25 m，此時導(dǎo)梁前進處有支撐；3) 工況3：1跨完成時，導(dǎo)梁懸臂25 m；4) 工況4：2跨完成時，導(dǎo)梁懸臂25 m。

(a) 箱梁實體模型

(b) 箱梁底板模型

4 計算結(jié)果及分析

4.1 主梁局部部件受力對比分析

根據(jù)劃分的典型模擬工況，利用Ansys對不同工況下箱梁的局部受力情況進行計算，并提取各工況下箱梁局部受力最大值，其結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，在各工況下，各部件Mises應(yīng)力極值和剪應(yīng)力都在材料強度允許范圍內(nèi)。一般橫隔板的Mises應(yīng)力極值在工況1最大，工況3最小。其余各部件的Mises應(yīng)力極值在工況2下最大，在工況3最小。同時，一般橫隔板Mises應(yīng)力極值高于其他部件(工況2除外)，而縱隔板Mises應(yīng)力極值低于其他部件(工況3除外)。

吊點橫隔板、一般橫隔板和縱隔板的剪應(yīng)力變化趨勢大體一致。一般橫隔板和縱隔板的剪應(yīng)力均是在工況2最大，工況3最??；吊點橫隔板剪應(yīng)力在工況2最大，工況4最小，如圖6所示。由圖6可見，與其他部件相比，吊點橫隔板在各工況下剪應(yīng)力最小?？v隔板較其他部件，剪應(yīng)力最大(除工況4)。

4.2 主梁最不利工況分析

從表2可以看出，在4種工況中，工況2(即頂推最大懸臂35 m，導(dǎo)梁25 m，此時導(dǎo)梁前進處有支撐)時各部件所受應(yīng)力最大，是最不利工況。在這種工況下，最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在縱隔板橫向加勁肋與底板橫向加勁肋相交處，如圖7所示。在這種情況下，盡管應(yīng)力值在規(guī)定限值內(nèi)，但設(shè)計和施工時也應(yīng)充分重視，對受力較大的構(gòu)件和部位在設(shè)計階段應(yīng)進行適當(dāng)加強。

表2 各工況下的計算結(jié)果 MPa

(a) 局部部件 Mises應(yīng)力極值

(b) 局部部件剪應(yīng)力

單位：MPa

同時，在頂推過程中，步履機支點的反力也是控制節(jié)點之一，可作為最不利工況選取的參照。支點反力可按下式計算：

式中:F為支點反力；N為豎向限壓值；f1為步履機與箱梁間的摩擦系數(shù)；f2為滑道與滑塊間的摩擦系數(shù)。當(dāng)豎向限壓值N確定時，f1/f2越大，支點的反力F越大，可實現(xiàn)更大的頂推重量，頂推能力越強。在實際工程多利用墊橡膠和增加潤滑劑等方法調(diào)整摩擦系數(shù)，以實現(xiàn)更大的推力，不同工況下的支點反力如表3所示。從表3可知，支點反力在工況2時最大，但遠小于設(shè)計容許值。這說明頂推跨度布置合理，頂推過程中各結(jié)構(gòu)及設(shè)備均安全可控。

表3 各工況下的支點反力 kN

5 結(jié)束語

本文對英華大橋的頂推施工技術(shù)和施工過程中結(jié)構(gòu)的受力分析進行了研究，得出如下結(jié)論：

1) 設(shè)置臨時支墩進行頂推，施工過程中鋼箱梁梁體受力滿足要求。

2) 最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在縱隔板橫向加勁肋與底板橫向加勁肋相交的角點位置，在進行設(shè)計時應(yīng)進行加強處理，以免應(yīng)力集中。

3) 橫向?qū)Ρ?種工況，工況2時各部件所受應(yīng)力最大，同時頂推水平力所需最大。

4) 利用頂推法進行單主纜懸索橋施工是可行的，但在施工過程中需考慮各結(jié)構(gòu)部件的受力情況，對應(yīng)力較大處須在設(shè)計時進行處理。