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        基于頂推法的高架鋼箱梁橋施工技術(shù)*

        2022-02-02 13:47:46安海兵王煥平王麗梅周泰華張群生
        施工技術(shù)(中英文) 2022年23期
        關(guān)鍵詞:橋梁施工

        安海兵,王煥平,王麗梅,周泰華,張群生

        (中建六局土木工程有限公司,天津 300457)

        0 引言

        橋梁通常采用鋼箱梁結(jié)構(gòu),鋼箱梁也稱鋼板箱型梁,具備自重較小、強(qiáng)度較高等特點(diǎn),且跨越能力良好[1-3]。鋼箱梁可通過(guò)多種方法完成施工[4],如何在不影響橋下交通的同時(shí),以最少的施工成本完成鋼箱梁施工是重難點(diǎn)。頂推法施工過(guò)程中無(wú)須使用支架及大型機(jī)械設(shè)備,因此,可在施工場(chǎng)地較小的情況下完成鋼箱梁施工。程少東等[5-6]針對(duì)分別展開(kāi)相關(guān)研究,提出的拼裝和吊裝技術(shù)可較好完成鋼箱梁施工,但消耗較大物力。本文以最小物力消耗為前提,在占地最小的情況下施工鋼箱梁,研究基于頂推法的高架鋼箱梁橋施工技術(shù)。

        1 工程概況

        某高架鋼箱梁橋?yàn)榈雀哌B續(xù)鋼箱梁,長(zhǎng)170m,為單箱雙室閉合截面,橋梁頂板寬15m,底板寬9.5m,懸臂長(zhǎng)2m,橋梁中心線高出鋼箱梁外輪廓2.2m,鋼箱梁采用Q345,Q370鋼材質(zhì),工程平面結(jié)構(gòu)如圖1所示,施工現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

        圖1 高架鋼箱梁橋結(jié)構(gòu)平面(單位:m)

        圖2 工程施工現(xiàn)場(chǎng)

        2 基于頂推法的鋼箱梁施工技術(shù)

        步履式頂推施工技術(shù)由智能控制、基座、液壓油缸(頂升、側(cè)移、頂推)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等組成。智能控制通過(guò)計(jì)算機(jī)程序控制千斤頂移動(dòng),完成頂升、側(cè)移、頂推等操作。通過(guò)千斤頂縱向頂升鋼梁后,推動(dòng)鋼箱梁向前移動(dòng)[7],控制千斤頂回落,使鋼箱梁降落在墊塊位置上,控制水平千斤頂歸位。循環(huán)上述操作,將鋼箱梁推移至理想位置。頂推控制如圖3所示,共確定6組(對(duì)應(yīng)2個(gè)點(diǎn)為1組)頂推點(diǎn),各頂推點(diǎn)推力如表1所示。

        圖3 頂推控制施工示意

        2.1 有限元分析模型

        采用MIDAS Civil軟件構(gòu)建高架鋼箱梁橋有限元模型,如圖4所示。

        圖4 有限元模型

        鋼箱梁主梁模擬采用190個(gè)梁?jiǎn)卧?,鋼箱梁分?2個(gè)施工節(jié)段,依據(jù)鋼箱梁結(jié)構(gòu),修正模型容重[8]。頂推過(guò)程中,通過(guò)激活強(qiáng)制位移進(jìn)行模擬,由于混凝土橋面和鋼箱梁間存在共同耦合受力的情況,因此,該模擬采用剛性連接。成橋時(shí),墩頂和支座下節(jié)點(diǎn)間的自由度為全部約束,采用彈性連接完成支座模擬后,將剛度數(shù)值輸入其中。

        2.2 鋼箱梁抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算

        頂推法施工過(guò)程中,由于軸線偏移、支點(diǎn)縱橫向間距及風(fēng)荷載等因素均影響橋梁傾覆穩(wěn)定性[9],因此,需計(jì)算鋼箱梁在穩(wěn)定情況下的傾覆穩(wěn)定性。

        設(shè)橋梁總荷載為F總,包含橋梁自重和施工荷載,穩(wěn)定狀態(tài)下,橋梁傾覆扭矩和穩(wěn)定扭矩相等,公式如下:

        F總e+F內(nèi)e內(nèi)=F外e外

        (1)

        式中:e表示偏心距,對(duì)應(yīng)總荷載;F內(nèi),F(xiàn)外分別表示內(nèi)側(cè)支座和外側(cè)支座的支反力;e內(nèi)表示內(nèi)側(cè)支座和梁體間距,e外表示外側(cè)支座和梁體間距。

        F總=F內(nèi)+F外

        (2)

        (3)

        如果橋梁橫向傾覆處于臨界點(diǎn),則F內(nèi)=0,且e=e外;如果梁體處于穩(wěn)定狀態(tài),則ee外,此時(shí),穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算如下:

        (4)

        式中:k>2.5時(shí),表示橋梁穩(wěn)定性滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

        2.3 橋梁風(fēng)險(xiǎn)概率和損失分析

        為分析采用頂推法的施工質(zhì)量,可通過(guò)模糊分析法定量分析施工后橋梁的風(fēng)險(xiǎn)概率[10]。

        設(shè)Ω表示風(fēng)險(xiǎn)空間,對(duì)應(yīng)鋼箱梁存在的任意風(fēng)險(xiǎn)事件A,Ω用B1,B2,...,Bn進(jìn)行劃分,鋼箱梁質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)全概率計(jì)算如下:

        (5)

        對(duì)于A(P(A)>0)來(lái)說(shuō),發(fā)生質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)的概率如下:

        (6)

        式中:Ai表示引發(fā)鋼箱梁質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)A的因素;Bi表示引發(fā)鋼箱梁質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)B的因素,對(duì)應(yīng)各種風(fēng)險(xiǎn)?;谪惾~斯理論即可完成鋼箱梁質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)源的先驗(yàn)、后驗(yàn)及似然3種概率,利用式(5)可獲取全部風(fēng)險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)概率,取值范圍為(0.001,1.0),將其劃分成3個(gè)階段,分別為(0.001,0.009),(0.01,0.09),(0.1,1.0),即沒(méi)有風(fēng)險(xiǎn)、可能存在風(fēng)險(xiǎn)、存在風(fēng)險(xiǎn)。

        計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)概率后,需判斷該風(fēng)險(xiǎn)造成的損失,基于模糊分析構(gòu)建模糊風(fēng)險(xiǎn)損失綜合評(píng)價(jià)模型,首先構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)因素集和風(fēng)險(xiǎn)損失責(zé)備集,分別用U={UCij}和V={v1,v2,v3,v4}表示,Ci,j表示風(fēng)險(xiǎn)因素,V中的4個(gè)因素分別表示風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí),即較低、一般、較大、嚴(yán)重,依次用等級(jí)1~4表示,依據(jù)隸屬函數(shù)得出如下模糊評(píng)價(jià)模型:

        Gi=Wij·Rij

        (7)

        式中:Gi,Wij,Rij分別表示判斷結(jié)果向量、權(quán)向量及判斷矩陣。以此確定基于頂推法完成鋼箱梁施工過(guò)程中,各風(fēng)險(xiǎn)源造成的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

        3 試驗(yàn)結(jié)果分析

        3.1 施工工藝分析

        通過(guò)MIDAS模型計(jì)算鋼箱梁承載力:

        q=1.45[(D2-d2)fc+d2fy]-26.1

        (8)

        式中:D表示鋼板開(kāi)孔直徑;d表示貫穿鋼筋直徑;fc表示抗壓強(qiáng)度;fy表示貫穿鋼筋屈服強(qiáng)度。

        將模型數(shù)據(jù)輸入MIDAS中模擬鋼箱梁頂推施工過(guò)程,關(guān)鍵工況如下:①工況1 完成45m長(zhǎng)鋼箱梁的拼裝,頂推至20m,使導(dǎo)梁位于2號(hào)墩;②工況2 完成40m長(zhǎng)鋼箱梁拼裝,頂推至25m,使導(dǎo)梁位于3號(hào)墩;③工況3 完成40m長(zhǎng)鋼箱梁拼裝,頂推至30m,使導(dǎo)梁位于4號(hào)墩;④工況4 完成45m鋼箱梁拼裝,頂推至35m,使導(dǎo)梁位于5號(hào)墩;⑤工況5 繼續(xù)頂推20m,將鋼箱梁推至目標(biāo)位置,拆除導(dǎo)梁。

        根據(jù)關(guān)鍵工況施工詳情,在這5種工況下,臨時(shí)墩的臨時(shí)最大支反力、鋼箱梁最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力、導(dǎo)梁最大撓度結(jié)果,如表2所示。

        表2 施工技術(shù)分析結(jié)果

        表2中,采用頂推法施工鋼箱梁過(guò)程中,工況3中的鋼箱梁累計(jì)頂推高度為75m,臨時(shí)墩的最大支反力、鋼箱梁最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力、導(dǎo)梁最大撓度分別達(dá)1 797kN,89.51MPa,-19.7MPa,397.1mm,此時(shí),導(dǎo)梁已達(dá)最大懸臂狀態(tài),導(dǎo)致鋼箱梁產(chǎn)生不均勻應(yīng)力,影響穩(wěn)定性,為保證鋼箱梁安裝穩(wěn)定性,應(yīng)采用臨時(shí)支撐等方式輔助鋼箱梁施工。

        3.2 鋼箱梁強(qiáng)度分析

        采用頂推法施工鋼箱梁后,可通過(guò)鋼箱梁承載力判斷施工技術(shù)的優(yōu)劣,結(jié)合鋼箱梁荷載,計(jì)算鋼箱梁極限承載力。該測(cè)試中,結(jié)合橋梁自重荷載、車(chē)輛行駛荷載、支座沉降荷載、梯度溫度變化荷載,獲取鋼箱梁結(jié)構(gòu)在綜合荷載下的應(yīng)力分布,如圖5所示。

        圖5 鋼箱梁在綜合荷載下的應(yīng)力分布

        依據(jù)圖5可知,在多種組合荷載下,鋼箱梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布不均勻,應(yīng)力方向趨于集中,且集中應(yīng)力過(guò)大,使鋼箱梁不穩(wěn)定。因此,施工過(guò)程中,應(yīng)實(shí)時(shí)關(guān)注每個(gè)工況的穩(wěn)定性,及時(shí)調(diào)整施工工況方案,保證施工后橋梁的穩(wěn)定性,避免集中應(yīng)力過(guò)大。

        3.3 穩(wěn)定性分析

        頂推法施工過(guò)程受多種因素影響和干擾,施工時(shí)易出現(xiàn)支點(diǎn)脫空、軸線偏移等問(wèn)題,且受風(fēng)荷載影響,故從以上3個(gè)方向分析頂推法施工的優(yōu)劣。

        3.3.1支點(diǎn)脫空對(duì)鋼箱梁穩(wěn)定性的影響

        選取鋼箱梁內(nèi)、外側(cè)各4組對(duì)應(yīng)支點(diǎn),研究分別脫空后的穩(wěn)定系數(shù)變化情況,如圖6所示。

        圖6 支點(diǎn)脫空后穩(wěn)定系數(shù)變化結(jié)果

        由圖6可知,內(nèi)、外兩側(cè)第1組支點(diǎn)發(fā)生脫空后,內(nèi)側(cè)k<2.5,外側(cè)略高于2.5,表明第1組支點(diǎn)脫空后,對(duì)鋼箱梁穩(wěn)定性影響較大,其抗傾覆穩(wěn)定性不滿足標(biāo)準(zhǔn)需求;其他支點(diǎn)脫空后,k均較大程度高于2.5的標(biāo)準(zhǔn)需求。表明采用頂推法施工鋼箱梁過(guò)程中,對(duì)端部支點(diǎn)的頂推尤為重要,需保證該位置支點(diǎn)不發(fā)生脫空,以保證鋼箱梁的抗傾覆穩(wěn)定性。

        3.3.2軸線偏移對(duì)鋼箱梁穩(wěn)定性的影響

        頂推法施工過(guò)程中,均設(shè)定中軸線,但實(shí)際操作時(shí),中軸線與設(shè)定中軸線會(huì)產(chǎn)生間距,即軸線偏移。軸線偏移后穩(wěn)定系數(shù)變化如圖7所示。

        圖7 軸線偏移后穩(wěn)定系數(shù)的變化結(jié)果

        由圖7可知,軸線偏移距離越大,k值越低,當(dāng)偏移距離>30cm后,k值臨近最低標(biāo)準(zhǔn)甚至低于標(biāo)準(zhǔn)值,因此,施工過(guò)程中,需控制軸線偏移距離≤30cm。

        3.3.3風(fēng)荷載對(duì)鋼箱梁穩(wěn)定性的影響

        鋼箱梁施工過(guò)程中,風(fēng)荷載影響鋼箱梁的穩(wěn)定性,因此,將風(fēng)荷載數(shù)據(jù)輸入MIDAS計(jì)算模型中,通過(guò)調(diào)節(jié)不同風(fēng)力等級(jí),模擬風(fēng)荷載對(duì)鋼箱梁穩(wěn)定性的影響,獲取不同風(fēng)力等級(jí)下k值的變化,如圖8所示。

        圖8 風(fēng)荷載變化下穩(wěn)定系數(shù)的變化結(jié)果

        由圖8可知,隨著風(fēng)力等級(jí)逐漸增加,k值逐漸下降,但仍顯著高于標(biāo)準(zhǔn)值。當(dāng)風(fēng)力等級(jí)達(dá)到6級(jí)后,k值為4左右,明顯高于標(biāo)準(zhǔn)值,結(jié)合各橋梁施工規(guī)范制度,當(dāng)風(fēng)力等級(jí)>6級(jí)后,應(yīng)停止施工,因此,風(fēng)荷載對(duì)鋼箱梁施工影響較小,對(duì)鋼箱梁抗傾覆穩(wěn)定性能的影響可忽略不計(jì)。

        3.4 風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)判斷

        通過(guò)橋梁風(fēng)險(xiǎn)概率和損失分析,模擬施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)判斷測(cè)試。結(jié)合橋梁自重荷載、車(chē)輛行駛荷載、支座沉降荷載、梯度溫度變化荷載等荷載組合,獲取頂推施工技術(shù)在5種施工工況下,每個(gè)工況的風(fēng)險(xiǎn)概率和風(fēng)險(xiǎn)損失結(jié)果,以分析頂推施工技術(shù)的施工質(zhì)量,結(jié)果如圖9所示。

        圖9 風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)判斷結(jié)果

        由圖9可知,5種工況中,每個(gè)工況的風(fēng)險(xiǎn)概率和風(fēng)險(xiǎn)損失結(jié)果均存在一定差異,其中工況3的風(fēng)險(xiǎn)概率約為0.02,存在較低的風(fēng)險(xiǎn)損失,其余工況的風(fēng)險(xiǎn)概率均低于0.009,表明不會(huì)造成風(fēng)險(xiǎn)損失。因此,采用頂推法施工鋼箱梁時(shí),及時(shí)調(diào)整施工工藝,即能夠保證良好的施工質(zhì)量。

        4 結(jié)語(yǔ)

        頂推法是跨度較大橋梁的主要施工技術(shù)[11-16],本文對(duì)高架鋼箱梁橋施工中的應(yīng)用展開(kāi)研究,結(jié)合有限模型及穩(wěn)定性計(jì)算和風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算,獲取該技術(shù)的施工效果和工程質(zhì)量。結(jié)果顯示,采用該技術(shù)施工鋼箱梁過(guò)程中,應(yīng)控制脫空支點(diǎn)和軸線偏移距離,以保證良好的施工效果和橋梁質(zhì)量。

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