易翔，鄭輝，柏觀福

（1.湖南工業(yè)大學土木工程學院，湖南 株洲 412007；2. 湖南工業(yè)大學科技學院，湖南 株洲 412008）

頂推施工對橋下凈空無要求，且不影響橋下通車與通航，適用于跨線橋梁施工。在頂推過程中，主梁受力變化較大，若選用MIDAS/CIVIL進行施工模擬，可以更好地指導施工。孫國良等使用MIDAS/CIVIL模擬鋼箱梁應力變化，并結合監(jiān)測數據進行對比分析，認為兩者變化趨勢一致［1］。舒彬等使用MIDAS/CIVIL分析了黃河鐵路特大橋頂推過程的應力與撓度變化，同時分析了鋼梁頂推過程中可能出現(xiàn)的位移偏差，提出了糾偏方案［2］。戴杰采用MIDAS/CIVIL模擬分析鋼箱梁斜拉橋頂推施工的應力與撓度，通過分析實時監(jiān)測數據，發(fā)現(xiàn)理論分析結果與實測值吻合較好［3］。沈利棟采用MIDAS/CIVIL分析了九堡大橋頂推施工過程中各施工階段最不利工況的應力情況，為橋梁頂推施工提供了理論依據［4］。曲富強等采用MIDAS/CIVIL分析了漠陽江特大橋，與實際監(jiān)測結果對比，發(fā)現(xiàn)實測數據與理論數據基本吻合［5］。任亮等使用MIDAS/CIVIL分析波形鋼腹板PC組合箱梁在頂推施工過程中的應力變化，對頂推過程中導梁自重等變量進行了分析，發(fā)現(xiàn)導梁在滿足剛度的前提下應減輕自重［6］。曹樟海采用MIDAS/CIVIL分析了鋼箱梁頂推過程的應力與撓度，為施工過程提供了理論依據［7］。丁志全基于MIDAS/CIVIL進行頂推分析，采用倒退分析法，模擬計算曲線鋼箱梁的撓度及臨時墩反力［8］。張培炎采用MIDAS/CIVIL對主梁在頂推過程中的彎矩及撓度等進行了參數分析，發(fā)現(xiàn)支點剛度變化以及頂推設備同步頂升量對頂推施工有影響［9］。周慧等針對步履式橋梁頂推法施工工藝進行了介紹［10］。賈紅兵依托實際工程重點研究了鋼箱梁多點自平衡步履式頂推施工的若干技術，并對頂推過程中的監(jiān)控環(huán)節(jié)進行了研究和優(yōu)化，解決了多點自平衡步履式頂推法實際操作的幾大難題［11］。田亮等采用MIDAS/CIVIL分析了三門峽黃河公鐵兩用橋梁頂推過程，重點考慮了最大懸臂狀態(tài)下的鋼梁受力及變形［12］。鄺元輝采用MIDAS/CIVIL重點分析了頂推平臺的變形與受力情況，提出了頂推過程中頂推平臺變形的影響因素［13］。

由此可見，頂推法施工過程中梁體應力和變形復雜多變，施工前必須對頂推過程中梁體的受力與變形進行分析，以便后期對施工過程進行控制。

1 工程背景

1.1 工程概述

312國道蘇州東段改擴建工程昆山段KS2標段施工項目（K62+115.5-K64+600），東起古城路西側與KS1標相接處（起點樁號為K62+115.5），西至強勝路西側（終點樁號為K64+600），G312主線第二十七聯(lián)鋼箱梁為一聯(lián)三跨結構，橋梁跨徑布置為40m+70m+40m，如圖1所示。橋全長150m，單幅橋面寬度為16.3m，橋體為雙箱室結構，分為左右幅，邊墩和中墩處分別設置17.55m寬橫梁，橋體材質為Q345qD，全橋總工程量為3 062t。

圖1 橋梁立面（單位：cm）

鋼箱梁采用步履式多點連續(xù)頂推方式施工，臨時支撐位共11個，間距為（18+15+16+52+2×21+14+3×15）m，如圖2所示。在邊跨布置安裝頂推平臺，沿頂推路徑布置臨時墩，并在其上布置頂推設備。在平臺上逐段焊接，用多點多臺千斤頂同步作業(yè)，使鋼箱梁逐段向前頂推，并循環(huán)作業(yè)使鋼箱梁被安裝至設計位置。

圖2 臨時支撐布置（單位：cm）

1.2 工程重難點分析

（1）橋梁頂推時的豎向力及水平分力對橋墩的影響較大，且頂推設備組數較多，需要多點分散同步頂推施工。鋼箱梁段擬采用單向整體多點連續(xù)頂推法施工，整套設備為一個自平衡系統(tǒng)，對臨時墩產生較小的水平力，水平力一般在豎向力的3%以內，臨時墩校核時按照豎向力的5%控制。此方法相比傳統(tǒng)的拖拉式頂推，更加安全可靠，更加適應于臨時墩基礎施工難度大的項目。

（2）施工間歇靜止過程中，鋼箱梁結構長度長，易受溫度變化的影響，因熱脹冷縮而產生的伸縮量較大。整個箱梁落在臨時墊梁上會對臨時結構產生較大的水平推力。因此在長時間靜止時，除最前端點（保持線性穩(wěn)定）外，應使其他支點全部落在頂推設備上，利用步履式頂推設備的上下部滑移結構，消除溫度引起的水平荷載。

（3）步履式頂推設備集頂升、平推及橫向調整于一體，能夠進行橫橋向及豎橋向的調整。在頂推施工過程中，可通過調整順橋方向及橫橋方向的導向來調整油缸、頂升支撐油缸的行程，而計算機控制系統(tǒng)能夠自動糾偏，保證鋼箱梁中線在允許范圍之內。在拼裝及對位過程中，可以通過手動操作模式，進行各點的微調和精調，滿足拼裝精度要求。

（4）要嚴格控制橋體線形及施工質量。鋼結構安裝要同時開展的單項工程多，各工序和工藝在平面和立面上需要進行穿插施工?？衫肂IM技術，對鋼梁安裝過程進行模擬，從制作、運輸、安裝、涂裝各環(huán)節(jié)進行控制，嚴格按照設計要求及規(guī)范進行，加強施工過程質量的把控。嚴格按照規(guī)范和指導書操作，并設立質量檢查小組，加強施工過程中的數據檢驗。

2 頂推過程數值模擬

2.1 模擬概述

選用MIDAS/CIVIL 2019進行計算分析，按實際施工過程模擬頂推過程。模擬時，為了更符合實際情況，重點研究單次頂推距離為1m的模型，同時以單次頂推距離為2m、3m的模型進行對比，主要計算各模型頂推過程中位移、支座反力以及應力。頂推過程計算模型如圖3所示。

圖3 頂推過程計算模型

2.2 計算內容

根據施工方案，該橋節(jié)段安裝分4次完成，安裝長度分別為58m、15m、15m及29.3m；頂推共分5次完成，分別為15m、15m、30m、39m及12.3m。由于頂推過程中結構的受力特點是不斷變化的，為觀察頂推過程中的最不利應力、撓度等，主要分析如下工況：

（1）工況1：初始安裝狀態(tài)，安裝導梁35m及梁體58m ；

（2）工況2：結構后端最大懸臂狀態(tài)，懸臂長度15m，即初始狀態(tài)往前頂推一次；

（3）工況3：導梁最大懸臂狀態(tài)，懸臂長度35m；

（4）工況4：結構整體最大懸臂狀態(tài)，懸臂長度52m；

（5）工況5：鋼箱梁部分頂出52m；

（6）工況6：結構前端最大懸臂狀態(tài)，懸臂長度16m；

（7）工況7：頂推完成后狀態(tài)。

2.3 模擬過程及難點

2.3.1 建模過程

（1）主橋結構采用Q345qD，材料參數依據《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》（JTG D64-2015）取值。根據施工方案，主梁箱形截面的腹板在不同區(qū)段有些許區(qū)別。導梁采用工字鋼截面，截面高度以及截面有些許變化。在MIDAS/CIVIL頂推法模型建模助手中輸入主梁與導梁的材料與截面特性等，完成材料與截面定義。

（2）使用頂推法模型建模助手輔助建模，根據主橋長度、導梁長度以及頂推長度，首先每間隔1m布置一個節(jié)點，并建立單元，對已建好的截面根據實際情況賦予單元；其次設置成橋狀態(tài)、臨時支撐的邊界條件，完成初步建模；最后通過頂推法橋梁施工階段建模助手定義施工階段中各梁體以及邊界激活和鈍化處理，定義頂推前進的方向，初步完成頂推模擬。

（3）定義靜力荷載工況，根據橋梁的受力情況進行荷載分組，同時觀察梁體前進時邊界條件是否符合現(xiàn)實情況，對梁體的邊界條件進行必要的修改和補充，為后面的工作做好準備。

（4）為導梁與主梁添加荷載。根據荷載的不同分為自重荷載、導梁荷載、橫隔板荷載、車道荷載、護欄荷載以及風荷載等荷載組，并按照實際情況為導梁與主梁添加荷載。

（5）按照施工方案分為六個主要施工階段，每個主要施工階段分為若干個小階段，每個小階段向前頂推1m，采用邊界向后移動來模擬頂推向前移動的過程。最后一個階段落橋，完成頂推工序；去掉臨時墩，修改邊界條件，完成邊界條件定義。

2.3.2 建模過程難點

（1）邊界條件：頂推建模助手中邊界條件分為成橋階段與臨時支撐，成橋階段按照頂推最后位置的實際情況去設置邊界約束；臨時支撐以各支撐實際間距布置，以初始位置為起點，在支架與梁體之間添加彈性連接（僅受壓）。

（2）施工階段定義：在頂推法建模助手施工階段的定義中，首先需要確定參考節(jié)點、開始節(jié)點以及結束節(jié)點。參考節(jié)點為導梁前進方向的首個節(jié)點；開始節(jié)點為導梁在頂推初始階段時所處的節(jié)點；結束節(jié)點為最后停止的節(jié)點，位于開始節(jié)點的左側。

（3）梁體及荷載的激活與鈍化：由于梁體分多次安裝，在施工階段中將分多次激活，梁體上的荷載也將分多次激活；同時，部分邊界條件、導梁以及荷載也將鈍化。

3 主要結果

3.1 理論位移結果與實測位移結果對比

鋼箱梁的位移是頂推過程控制的重要參數，在單次頂推長度為1m、2m、3m模擬中，各工況理論位移與實測位移對比如表1所示，其中鋼箱梁最大理論撓度發(fā)生在工況5，撓度值為22.60mm，而鋼箱梁最大實測撓度為20.34mm。導梁最大豎向撓度發(fā)生在工況6，撓度值為120.90mm，方向往下，而現(xiàn)場頂推過程中的最大撓度為110.00mm，與頂推模擬結果基本吻合。

表1 不同頂推長度下鋼箱梁各工況理論位移與實測位移對比

由于單次頂推長度為1m的模擬中，模擬結果與實測結果較為接近，因此考慮以單次頂推長度為變量進行模擬，對比單次頂推長度為1m、2m、3m的結果，發(fā)現(xiàn)隨著單次頂推長度的增加，各工況位移量也有所增加，如圖4所示。

圖4 理論位移與實測位移對比

在MIDAS/CIVIL頂推建模助手中，臨時墩的間距必須是單次頂推長度的整數倍，在單次頂推為2m與3m的模型中，對臨時墩間距與附加荷載在單次頂推為1m的模型基礎上，進行細微調整，以更加符合實際情況，因此在2m與3m的模型中，部分工況位移與應力呈現(xiàn)出遞增的趨勢。

3.2 頂推過程中理論應力與實測應力對比

文章根據頂推過程的應力變化，現(xiàn)場對各部件進行了應力測試，并與單次頂推長度為1m、2m、3m的模型的計算結果進行比較，結果如表2所示。

表2 不同頂推長度下各工況理論應力與實測應力對比

Control and Numerical Simulation of Steel Box Girder Bridge Incremental Launching Construction

YI Xiang1，ZHENG Hui1，BAI Guanfu2
（1. School of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China；2. College of Science and Technology ，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412008，China）

Abstract：A bridge on National Highway 312 adopts the walking-type incremental launching construction. MIDAS/CIVIL is selected to simulate the steel box girder incremental launching construction，focusing on the analysis of a steel box girder with a single incremental launching length of one meter.In the simulation of the displacement，stress and counter-force，this paper compares and analyzes the monitoring results and the theoretical results of a long-span steel box girder with walking-type incremental launching construction，it is found that the theoretical results are in good agreement with the measured results；in addition，the length of a single incremental launching is used as a variable，the simulation analysis of the model with a single incremental launching length of two meters and three meters，the simulation results show that the maximum displacement and stress increase with the continuous increase of the incremental launching length；at the same time，the process and difficulties of the numerical simulation of the incremental launching bridge are described，and to provide references for other scholars when modeling the incremental launching method.

Key Words：highway bridge；construction control；numerical simulation；displacement monitoring；steel box girder；incremental launching construction

（責任編輯：柯悅瑩）

對比單次頂推長度為1m、2m、3m的結果，發(fā)現(xiàn)隨著單次頂推長度的增加，各工況應力也有所增加，如圖5所示。各工況最大應力均小于限值，因此在實際工程中可嘗試增加頂推長度。

圖5 理論應力與實測應力對比

3.3 頂推過程中反力計算結果

根據頂推支架的結構，計算整理了各臨時墩在施工過程中的最大反力結果，如圖6所示。

圖6 各臨時墩反力結果

結果顯示，作用在單個頂推臨時墩上的最大反力為3 250.1kN，最不利臨時墩為4號臨時墩。另外，分析發(fā)現(xiàn)，考慮風荷載的不利影響后，5號臨時墩道路中心線側支架的支座可能在頂推過程中出現(xiàn)拉力，并脫空，但拉力數值很小，最大拉力僅56.1kN。因此，實際頂推過程中在5號臨時墩附近可適當堆載10~20t，防止出現(xiàn)脫空。

4 結論

文章以312國道某跨線橋梁為背景，借助MIDAS軟件對鋼箱梁頂推過程進行模擬，計算鋼箱梁在頂推過程中的位移、應力及支座反力；同時該橋施工完畢后，將現(xiàn)場測試的實際數據與頂推模擬中的理論數據進行對比，得到以下結論。

（1）在單次頂推長度為1m的有限元分析中，文章計算了鋼箱梁在頂推過程中各懸臂狀態(tài)下的最大撓度值與最大應力，分析了頂推過程中各臨時支撐的最大支座反力，其中理論值與實測值比較接近，證明該模型計算可靠程度較高，可以有效指導施工，并為今后類似橋型提供參考。

（2）對比單次頂推長度為1m、2m、3m模型的計算結果可知，隨著頂推長度的增加，各工況的最大位移與最大應力也有所增大，但結果均小于限值，因此在實際工程中可嘗試增加頂推速度。

（3）文章陳述了在MIDAS軟件中頂推法施工的建模方案，同時講解了頂推法建模的過程及重點和難點。研究顯示，該模型計算結果與實際測試結果較為吻合，可為其他學者在模擬頂推法建模時提供參考。