余 滿，吳大俊，唐益軍，李雪紅

(1. 江蘇寧滬高速公路股份有限公司，南京 210049； 2. 南京工業(yè)大學土木工程學院，南京 211816)

與傳統(tǒng)頂推法的拖拉方式不同，步履式頂推施工是通過一套液壓千斤頂設備來進行梁體的連續(xù)式頂推。其優(yōu)勢在于由液壓電器控制并集頂升、平移和橫向調整于一體，精度和同步性能得到較好控制；能夠控制墩頂所受水平力；豎向調整較方便；當箱梁局部應力超過限度時，可通過調整豎向千斤頂?shù)纳炜s量控制各個支點反力。橋梁步履式頂推施工工藝也因其高效可靠且對橋下設施影響較小等優(yōu)點在橋梁施工中逐步應用，但由于該工藝尚處于應用初期階段，在施工中的傾覆穩(wěn)定性研究尚不充分。對于曲線形鋼箱梁橋，由于其自重輕、曲率大等結構特點，在采用步履式頂推施工時，其傾覆穩(wěn)定性問題尤為突出，有必要開展工程分析及控制技術研究，避免相關事故發(fā)生。步履式頂推系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

(a) 頂升

黃志華[1]通過對某鋼箱梁頂推施工工藝的總結，得出步履式頂推法具有安全靈活、高效便捷并且控制要求高等特點。謝福君等[2]結合某鋼箱自錨式懸索橋，分析導梁各設計參數(shù)對頂推受力及變形的影響，結果表明導梁的長度及其平均線重度對頂推受力及變形的影響較大。李懷雷[3]以實際工程為基礎，分析影響彎橋頂推施工中梁體內外側位移不同以及梁中線偏移等問題的影響因素，并提出千斤頂糾偏的具體解決措施。已有研究主要著眼于頂推施工工藝分析，而對步履式頂推施工過程中傾覆穩(wěn)定性問題研究尚不充分。

針對曲線鋼箱梁橋的步履式頂推施工過程，研究結構主要參數(shù)及主要影響因素對傾覆穩(wěn)定性的影響規(guī)律，歸納相關控制方法，并提出量化控制標準用于指導工程的施工控制。

1 研究對象和內容

已有研究表明[4]，影響橋梁傾覆穩(wěn)定性的主要因素包含支點脫空、支點縱橫向間距以及軸線偏移等。曲線鋼箱梁橋布置示意如圖2所示，以4×40 m 跨徑曲線鋼箱梁橋為研究對象，該橋采用單箱雙室閉合截面，橋梁頂板寬為13 m，底板寬為9.2 m，懸臂長為1.9 m，曲率半徑為400 m。針對各影響因素進行系統(tǒng)分析，其中結合支點所在截面分別考慮1-1、2-2、3-3和4-4截面內外側支座分別脫空；支點橫向間距的確定與橋寬相關聯(lián)，主要考慮B/2、7B/12、2B/3、5B/6、B(B為橋寬)情況下的5種工況；支點縱向間距的選取與跨徑相結合，主要考慮L/6、L/3、L/2、2L/3(L為跨徑)情況下的4種工況；軸線偏移結合施工過程中的控制標準，主要考慮0 cm、5 cm和10 cm的3種偏移量。此外為使分析結果具有普適性，還應考慮不同橋梁設計參數(shù)，曲率半徑具體參考《公路工程技術標準》(JTG B01—2014)[5]，分別考慮100 m、150 m、200 m、400 m和600 m 的5種尺寸，頂推長度結合工程實際情況及施工設備，主要考慮40 m、80 m和120 m情況下的3種工況，橋寬主要考慮單車道、雙車道和三車道情況下的3種工況，即橋寬分別為8.4 m、13 m和17.6 m。

圖2 曲線鋼箱梁橋布置示意

2 穩(wěn)定性計算方法及有限元模型

2.1 傾覆穩(wěn)定性計算方法

橋梁傾覆過程復雜，一般認為支座失效或脫空是傾覆的開始。曲線梁橋在彎-扭耦合效應下，外側支座反力變大，內側反力變小甚至出現(xiàn)負反力。根據(jù)梁體在靜止情況下力和力矩的平衡狀態(tài)，荷載產生的作用力大小等于所有支座反力之和，荷載產生的扭矩在數(shù)值上等于支座反力產生的扭矩。因此荷載的作用力相對于偏離梁體中心線距離為e的位置產生一個大小為F的總荷載，截面示意如圖3所示，可得計算公式：

(1)

式中，e為荷載的偏心距；F內、F外分別為內側和外側支座的支座反力；e內、e外分別為內側和外側支座與梁體中心線的距離。

橫向傾覆穩(wěn)定系數(shù)(以下簡稱穩(wěn)定系數(shù))可定義為[6]：k=e外/e，其中k的容許值取2.5[7]。當k=e外/e且k>2.5時，表明橫向傾覆穩(wěn)定性滿足要求。

圖3 截面示意

2.2 有限元模型

借助有限元分析軟件MIDAS Civil建立鋼箱梁模型，分析頂推過程中各階段鋼箱梁的支點受力狀態(tài)。其中鋼箱梁和導梁均用梁單元模擬，鋼箱梁與導梁之間采用剛性連接。模型邊界條件定義為：當鋼箱梁和導梁架在臨時墩上時，加豎向約束，臨時墩墩頂與梁之間采用彈性連接。有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元模型

3 主要設計參數(shù)對傾覆穩(wěn)定性的影響分析

參照傾覆穩(wěn)定性計算方法，結合MIDAS軟件計算所得的支座反力，可得到各工況下的傾覆穩(wěn)定系數(shù)k。根據(jù)穩(wěn)定系數(shù)相應變化情況，可分析不同設計參數(shù)對鋼箱梁橋在頂推施工過程中的穩(wěn)定性影響，具體分析如下。

3.1 曲率半徑對穩(wěn)定性的影響

為分析曲率半徑的影響，橋寬和頂推箱梁長度保持不變，分別為13 m和80 m。在不同支點脫空位置、支點間距和軸線偏移量情況下，不同曲率半徑對穩(wěn)定系數(shù)的影響變化曲線如圖5所示。穩(wěn)定系數(shù)隨曲率半徑的變化曲線表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，當曲率半徑<150 m時，穩(wěn)定系數(shù)隨曲率半徑的增大而減小，穩(wěn)定性逐漸降低；當曲率半徑>150 m后，穩(wěn)定系數(shù)隨著曲率半徑的增大而增大，穩(wěn)定性逐漸增強，在150 m左右時穩(wěn)定性相對較差。經分析這主要與傾覆軸線的變化有關，當曲率半徑<150 m時，傾覆軸線落在支座連線外，但其與加載車道圍成的面積變小，即上部結構產生傾覆的作用變小；當曲率半徑>200 m時，傾覆軸線落在支座連線內，傾覆力矩減小。因此設計時，在滿足工程線形要求的前提下，應盡量避免選用150 m左右的曲率半徑。

(a) 不同支點脫空位置

3.2 頂推跨徑對穩(wěn)定性的影響

為分析頂推跨徑的影響，橋寬和曲率半徑保持不變，分別為13 m和400 m。在不同支點脫空位置、不同支點間距和軸線偏移量情況下，不同頂推跨徑對穩(wěn)定系數(shù)的影響變化曲線如圖6所示。穩(wěn)定系數(shù)隨頂推跨徑的增大而減小，當頂推跨徑由40 m 增大到80 m時，穩(wěn)定系數(shù)明顯降低，降低幅度達40%～70%；由80 m增大到120 m時，穩(wěn)定系數(shù)的變化幅度有所降低，為5%～20%。因此在頂推過程中應盡量減小頂推跨徑，宜控制在60 m以內，以保障施工過程中的橫向穩(wěn)定性。

(a) 不同支點脫空位置

3.3 橋寬對穩(wěn)定性的影響

在分析橋寬變化的影響時，曲率半徑和頂推長度分別取400 m和80 m，對單車道、雙車道和三車道3種較常見的車道進行研究，對應的橋寬分別為8.4 m、13.0 m和17.6 m。在不同支點脫空位置、支點間距和軸線偏移量情況下，不同橋寬對穩(wěn)定系數(shù)的影響變化曲線如圖7所示。橋寬與穩(wěn)定系數(shù)之間的關系表現(xiàn)出一定的不確定性，當支點脫空位置和支點間距發(fā)生變化時，穩(wěn)定系數(shù)隨橋寬的增大呈現(xiàn)出增大趨勢，增大幅度有所不同，在5%～50%之間變化，橋寬較窄時穩(wěn)定性更為不利；而軸線偏移時，穩(wěn)定系數(shù)則隨著橋寬的增大而減小，對寬橋更為不利。因此對于窄橋，控制支點脫空和支點間距的影響更為重要；對于寬橋，更應關注對軸線偏移的控制。

(a) 不同支點脫空位置

4 頂推施工參數(shù)對傾覆穩(wěn)定性的影響及其控制

4.1 支座脫空的影響分析

內弧側支點脫空時穩(wěn)定系數(shù)的變化曲線如圖8所示，外弧側支點脫空時穩(wěn)定系數(shù)的變化曲線如圖9 所示。綜合橋梁參數(shù)和內外側支點脫空變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)：①結構的邊支點(1-1、4-4)脫空后的穩(wěn)定系數(shù)明顯小于中間支點脫空后的系數(shù)，并且會出現(xiàn)小于2.5的情況，有可能發(fā)生橫向傾覆失穩(wěn)，因此在施工中應注意避免邊支點脫空；②外弧側支點脫空時的穩(wěn)定系數(shù)總體小于內弧側支點脫空時的穩(wěn)定系數(shù)，比內弧側支點脫空更為不利，應重點關注?？傊诓铰氖巾斖七^程中，應嚴格控制各支點頂推力，使其均衡受力、共同作用，避免支點脫空，尤其要避免邊支點和外弧側支點的脫空。

(a) 不同曲率半徑

(a) 不同曲率半徑

4.2 支點間距的影響分析

穩(wěn)定系數(shù)隨支點橫向間距的變化曲線如圖10所示，穩(wěn)定系數(shù)隨支點縱向間距的變化曲線如圖11所示。分析可知：①不同的曲率半徑、頂推跨徑和橋寬，穩(wěn)定系數(shù)均表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律；②隨支點間距的增大，穩(wěn)定系數(shù)明顯增大，支點間距較小時可能發(fā)生傾覆失穩(wěn)，當橫向間距<7B/12(B為橋寬)或縱向間距

(a) 不同曲率半徑

4.3 軸線偏移的影響分析

穩(wěn)定系數(shù)隨軸線偏移量的變化曲線如圖12所示。分析可知：不同的曲率半徑、頂推跨徑和橋寬，穩(wěn)定系數(shù)隨軸線偏移量的變化規(guī)律相似，均隨軸線偏移量的增大而減小。當軸線偏移量<10 cm 時，穩(wěn)定系數(shù)基本>4，具有一定安全儲備。因此在施工過程中，應控制軸線偏移量不宜過大，建議不超過10 cm，并及時糾偏，以確保施工安全。

(a) 不同曲率半徑

5 施工過程穩(wěn)定性控制

針對曲線鋼箱梁橋的步履式頂推施工，除參考上述關鍵的設計和施工參數(shù)外，結合施工監(jiān)測技術，在施工過程中還應采取相應控制措施，以確保曲線鋼箱梁橋在頂推過程中能夠實現(xiàn)有效落梁。

(1) 考慮到頂推過程中支點受力不均勻的影響，在設計中應考慮增加臨時墩及梁體的安全儲備系數(shù)，同等條件下選擇曲率半徑較大的設計方案，可增大橋梁在施工中的抗傾覆穩(wěn)定性。

(2) 在施工過程中，支點脫空可能產生虛接觸，以滑塊是否滑動作為判斷依據(jù)，在梁體處于滑動、滑塊不動的情況下，表明已經脫空。

(3) 施工過程中應嚴格控制千斤頂?shù)霓D向，保證各個千斤頂?shù)耐叫浴?/p>

(4) 結構穩(wěn)定性受支點縱橫向間距的影響很大(尤其是結構的傾覆穩(wěn)定性)。通過研究，結合實際工程中的有效運用，可以得出施工中的支點橫向間距在7/12B～B時，能夠保證結構的傾覆穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。如果現(xiàn)場無法達到條件，可允許中支點橫向間距不在此范圍內，但邊支點的間距應盡量大；支點縱向間距在一定范圍內應保證其超過L/3。同時現(xiàn)場施工環(huán)境較惡劣時，應設置抗傾覆裝置，保證施工中結構的抗傾覆穩(wěn)定性。

6 結論

(1) 為有效保證步履式頂推過程中結構的傾覆穩(wěn)定性，對于曲線鋼箱梁橋，在滿足線形要求的前提下，應盡量避免選用150 m左右的曲率半徑。

(2) 在施工過程中，應控制頂推跨徑不超過60 m，且支點橫向與縱向間距分別大于7B/12和L/3，而軸線偏移量不宜超過10 cm，并及時糾偏。

(3) 邊支點脫空的危險性要遠大于中支點脫空，且外弧側支點脫空的危險性要大于內弧側支點脫空，因此在頂推施工過程中應嚴格控制各支點的頂推力，使各支點均衡受力。

(4) 應重點關注軸線偏移對較寬曲線梁橋及支點脫空對較窄匝道橋的橫向傾覆穩(wěn)定性影響。

(5) 曲線梁橋失穩(wěn)的關鍵是支點脫空和軸線偏位，增加步履式頂推系統(tǒng)的感知能力并增強其智能性，實現(xiàn)支點反力和軸線偏差的自動調整，能有效提升步履式頂推的穩(wěn)定性，這可作為后續(xù)研究的主要方向。