楊部廷

(中鐵十二局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司 山西太原 030024)

1 引言

隨著交通運(yùn)輸業(yè)的不斷發(fā)展，新建橋梁不可避免地跨越既有線(xiàn)路，對(duì)施工技術(shù)提出了新的要求，特別是對(duì)于跨運(yùn)營(yíng)鐵路的橋梁，其施工與控制難度更大[1-4]。鋼桁架天橋頂推是一種較優(yōu)的跨線(xiàn)施工方法，但在施工過(guò)程中常遇到施工空間狹小、頂推距離長(zhǎng)、頂推跨徑大、天窗時(shí)間短等問(wèn)題，對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了幾方面的研究:Fontan等[5]提出了一種導(dǎo)梁優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，通過(guò)與常規(guī)工藝比較，得出傳統(tǒng)的導(dǎo)梁設(shè)計(jì)方法沒(méi)有充分的理論基礎(chǔ)，事實(shí)證明應(yīng)用數(shù)值優(yōu)化可以改進(jìn)導(dǎo)梁設(shè)計(jì)；Jung等[6]以IIsum橋?yàn)楣こ瘫尘?，通過(guò)對(duì)高跨比、鋼導(dǎo)梁長(zhǎng)度的優(yōu)化、施工階段的詳細(xì)分析等，驗(yàn)證了頂推施工的安全性；Granata等[7]使用以“傳統(tǒng)矩陣法”為基礎(chǔ)的程序?qū)χ本€(xiàn)連續(xù)梁和曲線(xiàn)連續(xù)梁進(jìn)行分析，結(jié)果表明不論直橋還是彎橋，導(dǎo)梁長(zhǎng)度與最大頂推跨徑的比值為0.6時(shí)最合理，導(dǎo)梁重量的變化對(duì)頂推施工懸臂階段的彎矩和扭矩影響顯著；姚志立等[8]通過(guò)有限元分析探究了頂推過(guò)程中滑道高程差對(duì)主梁受力的影響，得出毫米級(jí)的滑道高差都將導(dǎo)致應(yīng)力劇烈變化；杜玉林等[9]研究了某跨密集鐵路的小半徑頂推鋼箱梁主要施工技術(shù)方案及關(guān)鍵施工設(shè)施，對(duì)頂推梁段劃分、線(xiàn)形控制等提出了相應(yīng)的控制措施；夏學(xué)軍[10]以桃花峪黃河大橋主橋頂推架設(shè)為案例，從改善臨時(shí)墩受力方面、增加臨時(shí)墩整體性、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離頂推控制要求等方面進(jìn)行了分析與研究；趙人達(dá)等[11]對(duì)梁體頂推施工過(guò)程的受力分析、局部受力分析及改善措施、頂推法施工控制等研究成果進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)；孟令強(qiáng)[12]采用數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合的方法，對(duì)多跨長(zhǎng)聯(lián)拱形鋼桁梁橋進(jìn)行頂推拖拉施工全過(guò)程監(jiān)控技術(shù)研究。

綜上所述，大多研究通過(guò)數(shù)值模擬為橋梁頂推施工提供理論依據(jù)，對(duì)指導(dǎo)施工有一定的價(jià)值。然而，由于空間變軸線(xiàn)桁架橋獨(dú)有的“彎扭耦合”效應(yīng)給頂推施工法帶來(lái)困擾，使頂推過(guò)程中主梁受力難以明確，尚未得到充分考慮，因此，本文結(jié)合莆田站頂推鋼桁梁天橋工程，基于有限元軟件對(duì)空間變軸線(xiàn)鋼桁梁橋頂推過(guò)程進(jìn)行受力分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，探究橋梁橫向偏位引起的斜度在頂推階段對(duì)主梁應(yīng)力的影響?？臻g變軸線(xiàn)鋼桁梁橋?qū)儆谝环N新型橋梁結(jié)構(gòu)形式，研究此類(lèi)型橋梁在頂推施工過(guò)程中的受力變化規(guī)律，對(duì)保證橋梁結(jié)構(gòu)施工安全及成橋后橋梁狀態(tài)具有重要作用。

2 工程概況及重難點(diǎn)分析

2.1 工程概況

莆田站新建天橋位于新建站房候車(chē)廳和既有站房候車(chē)廳之間，便于兩座站房之間的旅客聯(lián)系和客運(yùn)組織。天橋采用鋼結(jié)構(gòu)形式，共劃分為4跨及部分懸挑結(jié)構(gòu)，如圖1所示，跨度分別為13.027 m＋34.39 m＋29.6 m＋31.753 m＋3.55 m，總長(zhǎng)度112.370 m。鋼柱采用P800×20的鋼管柱，柱頂最高安裝標(biāo)高為＋7.986 m，天橋自身由2榀平面桁架組成，間距6.9 m，自身高度3.81 m，通過(guò)滑動(dòng)支座支撐于鋼柱頂部，天橋桿件主要規(guī)格400 mm×400 mm×25 mm、620 mm×400 mm×25 mm以及400 mm×350 mm×20 mm的焊接箱形截面，材質(zhì)均為Q355B。

2.2 重難點(diǎn)分析

莆田站頂推天橋的重難點(diǎn)是跨越既有高鐵線(xiàn)路鋼桁架天橋的頂推施工。因?yàn)樘鞓蛟谄?、立面都存在彎折線(xiàn)形，頂推時(shí)會(huì)產(chǎn)生水平力及受力偏心，容易導(dǎo)致支墩失穩(wěn)；且鋼桁架梁頂推過(guò)程第一段懸臂端跨度長(zhǎng)，最長(zhǎng)跨度42 m，協(xié)同導(dǎo)梁段共計(jì)長(zhǎng)度57 m，為跨營(yíng)業(yè)線(xiàn)施工，頂推過(guò)程下部為接觸網(wǎng)，可控距離短；另外本工程天橋頂推為帶屋面頂推，屋面系統(tǒng)為金屬屋面系統(tǒng)，頂推過(guò)程中下?lián)仙疃葘?duì)屋面材料張拉有嚴(yán)苛的要求。

3 空間雙向折線(xiàn)鋼桁梁頂推受力分析

鋼桁架天橋?qū)儆跅U系結(jié)構(gòu)，其構(gòu)件主要是拉、壓桿件，受拉時(shí)可靠性高，受壓時(shí)可靠性低，極容易發(fā)生失穩(wěn)破壞，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)桁架破壞或坍塌。而在頂推施工中，各個(gè)桿件的受力狀態(tài)與工作階段的受力狀態(tài)大有不同，一些原本受拉的桿件變成受壓桿件，如桁架下弦桿等，在頂推施工過(guò)程中存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。特別是要跨越運(yùn)行營(yíng)業(yè)線(xiàn)進(jìn)行頂推施工，必須確保下方鐵路線(xiàn)的安全和正常運(yùn)行，其頂推施工安全將尤為重要。為此，必須進(jìn)行莆田站新建鋼桁架天橋頂推工程的受力分析和研究。

3.1 鋼桁梁頂推施工方案

根據(jù)天橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，新建天橋采用“廠(chǎng)內(nèi)分段制作＋現(xiàn)場(chǎng)分單元拼裝＋數(shù)控液壓同步頂推”的整體施工思路。根據(jù)構(gòu)件重量及運(yùn)輸能力合理劃分構(gòu)件分段，構(gòu)件制作完成后運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)。現(xiàn)場(chǎng)采用25 t汽車(chē)吊及50 t汽車(chē)吊進(jìn)行天橋桁架拼裝，在新建站房側(cè)設(shè)置組拼平臺(tái)和3條頂推軌道，三條軌道之間間距為6.1 m、2.1 m，拼裝側(cè)兩條頂推軌道的長(zhǎng)度為55.00 m，另一條軌道長(zhǎng)度37.00 m，每條頂推軌道上布置1組頂推點(diǎn)，每組頂推點(diǎn)配置1臺(tái)YS-DT-50型液壓頂推器，共計(jì)3臺(tái)。頂推軌道采用直線(xiàn)型，為保證天橋一直采用直線(xiàn)型頂推施工，利用型鋼構(gòu)造牛腿結(jié)構(gòu)適應(yīng)頂推標(biāo)高要求。主桁架拼裝成單元體后和導(dǎo)梁連接，然后利用“數(shù)控液壓同步頂推技術(shù)”、“整體累積頂推”的施工工藝將鋼桁架頂推與既有站房連接。頂推施工時(shí)，當(dāng)導(dǎo)梁頂推至臨時(shí)墩處臨時(shí)工裝時(shí)，利用導(dǎo)向裝置將其導(dǎo)入該處的頂推工裝上，使其繼續(xù)頂推，直至整個(gè)天橋到設(shè)計(jì)安裝位置。

新建天橋頂推施工流程如圖2所示。

圖2 頂推流程

工序一:新建天橋?qū)Я?長(zhǎng)15.5 m)及第1次頂推單元(包含導(dǎo)梁和第一次拼裝段)在組拼胎架上分段組拼完成、驗(yàn)收，第1次頂推單元主結(jié)構(gòu)拼裝長(zhǎng)度42 m，并進(jìn)行試頂推2 m，頂推重量170 t。

工序二:第1次頂推完成后新建天橋第2次頂推單元(包含導(dǎo)梁、第一次拼裝段和第二次拼裝段)在組拼胎架上進(jìn)行組拼，拼裝長(zhǎng)度25.54 m，總拼裝長(zhǎng)度67.54 m，組拼后頂推總重量267 t。

工序三:第2次頂推后新建天橋第3次頂推單元(包含導(dǎo)梁、第一次拼裝段、第二次拼裝段和第三次拼裝段)在組拼胎架上進(jìn)行組拼，拼裝長(zhǎng)度24.6 m，總拼裝長(zhǎng)度92.14 m，組拼后頂推總重量359 t。

工序四:第3次頂推后新建天橋第4次頂推單元(包含導(dǎo)梁、第一次拼裝段、第二次拼裝段、第三次拼裝段和第四次拼裝段)在組拼胎架上進(jìn)行組拼，拼裝長(zhǎng)度10.8 m，總拼裝長(zhǎng)度102.94 m，組拼后頂推總重量407 t。

工序五:新建天橋第4次頂推單元頂推到位后拆除局部導(dǎo)梁。

工序六:新建天橋第5個(gè)天窗點(diǎn)頂推到位后拆除剩余導(dǎo)梁。

工序七:新建天橋第6個(gè)天窗點(diǎn)頂推施工，并進(jìn)行天橋姿態(tài)調(diào)整，頂推至圖2g中位置。

工序八:天窗點(diǎn)拆除頂推施工滑靴，安裝新建天橋固定支座并進(jìn)行天橋卸載施工。

3.2 有限元數(shù)值模擬

采用墩動(dòng)梁不動(dòng)的思路建立鋼桁梁有限元模型，導(dǎo)梁和鋼桁梁均采用梁?jiǎn)卧M，全橋共劃分節(jié)點(diǎn)572個(gè)，單元965個(gè)，主要計(jì)算模型見(jiàn)圖3。

圖3 有限元模型示意

考慮到橋梁結(jié)構(gòu)的受力情況變化，將鋼桁梁橋的頂推施工劃分為5個(gè)施工階段，每個(gè)施工階段按照1 m一個(gè)工況進(jìn)行模擬。

(1)第一施工階段鋼桁梁橋第一次頂推單元頂推27.5 m，鋼桁梁橋的前導(dǎo)梁前端落位B臨時(shí)墩，第一個(gè)頂推天窗點(diǎn)總用時(shí)4 h；

(2)第二施工階段鋼桁梁橋第二次頂推單元頂推29.5 m，導(dǎo)梁前端落位C臨時(shí)墩，第二個(gè)頂推天窗點(diǎn)總用時(shí)4 h，累積頂推57 m；

(3)第三施工階段鋼桁梁橋第三次頂推單元頂推26 m，鋼桁梁橋的導(dǎo)梁前端頂推至基本站臺(tái)上的臨時(shí)墩，第三個(gè)頂推天窗點(diǎn)總用時(shí)4 h，累積頂推83 m；

(4)第四施工階段鋼桁梁橋第四次頂推單元首先頂推6.5 m，頂推到位后拆除局部導(dǎo)梁，接著頂推8.60 m，頂推到位后拆除剩余部分導(dǎo)梁，最后頂推9 m，鋼桁梁橋前端頂推至設(shè)計(jì)橋位，總共頂推24.1 m，第四階段總用時(shí)9 h，累積頂推107.1 m；

(5)第五施工階段頂推設(shè)備拆除、落梁施工及落梁設(shè)備拆除。

3.3 模擬計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)比分析

鋼桁梁在設(shè)計(jì)時(shí)使用了多種假設(shè)和參量，而實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)施工狀況復(fù)雜多變，兩者之間存在誤差，計(jì)算出來(lái)的結(jié)果和實(shí)際施工達(dá)到的受力狀態(tài)并不完全相符，因此有必要實(shí)時(shí)對(duì)鋼桁梁的控制截面進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)，從而為施工提供指導(dǎo)。本文通過(guò)頂推仿真分析模擬計(jì)算，在最不利工況下擬選取4個(gè)應(yīng)力測(cè)試截面，如圖4所示，每個(gè)斷面對(duì)稱(chēng)布置4個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，上弦桿2個(gè)，下弦桿2個(gè)，全橋共計(jì)16個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖4 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位置示意

梁頂推施工時(shí)，主梁在自重、施工荷載、溫度等作用下，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，隨著頂推距離變化，應(yīng)力大小和屬性(拉、壓)也會(huì)發(fā)生改變。實(shí)際施工時(shí)全橋各構(gòu)件均進(jìn)行監(jiān)控分析，由于每個(gè)測(cè)試截面測(cè)點(diǎn)對(duì)稱(chēng)布置，故本文選取 1、4、5、8、9、12、13、16 號(hào)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)值與理論值進(jìn)行對(duì)比分析，其中壓應(yīng)力為負(fù)，拉應(yīng)力為正，如圖5所示。

圖5 應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖5c表明累積頂推第57～80 m時(shí)，9號(hào)和12號(hào)測(cè)點(diǎn)所在的測(cè)試截面由于一直在拼裝胎架上，故應(yīng)力變化很??；累積頂推第81 m為第三跨最大懸臂時(shí)，該測(cè)試截面離開(kāi)拼裝胎架，因此9號(hào)和12號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力發(fā)生突變；累積頂推第81～101.1 m時(shí)，該測(cè)試截面仍處于第一跨，故下弦桿為拉應(yīng)力，上弦桿為壓應(yīng)力；累積頂推第102.1～107.1 m時(shí)，該截面逐漸靠近B臨時(shí)墩，下弦桿為壓應(yīng)力，上弦桿為拉應(yīng)力，同時(shí)上弦桿拉應(yīng)力逐漸增大，在累積頂推第105.1 m，下弦桿應(yīng)力突然減小到-5.75 MPa，這是因?yàn)锽臨時(shí)墩靠近折線(xiàn)處，而測(cè)試截面距折線(xiàn)處有1 m，由于折線(xiàn)的作用，下弦桿壓應(yīng)力突然減小，累積頂推第106.1～107.1 m，B臨時(shí)墩已過(guò)折線(xiàn)處，逐漸靠近測(cè)試截面，故下弦桿壓應(yīng)力逐漸增大。

分析結(jié)果表明:各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值變化的趨勢(shì)相同，從而驗(yàn)證了頂推過(guò)程中鋼桁梁采用數(shù)值分析方法進(jìn)行計(jì)算的合理性，同時(shí)保證了莆田站新建天橋完成了頂推施工。個(gè)別工況出現(xiàn)理論值與實(shí)測(cè)值偏差較大:1號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力在累積頂推第53.656 m為第二跨最大懸臂時(shí)，理論值21 MPa，實(shí)測(cè)值15.418 MPa，誤差率為36%；在累積頂推第68 m時(shí)，5號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力理論值11.8 MPa，實(shí)測(cè)值18.168 MPa，誤差率為35%，8號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力理論值-64.6 MPa，實(shí)測(cè)值-48.069 MPa，誤差率為34%，這是由于在第68 m時(shí)，該測(cè)試截面落在B臨時(shí)墩上，而導(dǎo)梁根部處于C臨時(shí)墩上，在第三跨懸挑出了11 m，第一跨和第二跨之間只有B臨時(shí)墩支撐天橋；累積頂推第73 m時(shí)，12號(hào)測(cè)點(diǎn)截面在拼裝胎架上，應(yīng)力理論值-2.31 MPa，實(shí)測(cè)值 -5.19 MPa，誤差率為55%。由圖中可以看出，個(gè)別工況誤差較大，但是測(cè)點(diǎn)應(yīng)力最大值均未達(dá)到其容許應(yīng)力的80%，頂推施工過(guò)程中鋼桁梁是安全的。

理論值與實(shí)測(cè)值相差較大的原因有施工過(guò)程中傳感器位置變動(dòng)以及頂推施工過(guò)程中主梁可能出現(xiàn)偏位等，鑒于該橋是空間雙折線(xiàn)鋼桁梁，在頂推過(guò)程中主梁偏位對(duì)內(nèi)力的影響目前研究較少，接下來(lái)主要探討頂推施工過(guò)程中偏位引起的斜度對(duì)主梁應(yīng)力的影響。

3.4 空間雙折線(xiàn)鋼桁梁非對(duì)稱(chēng)頂推影響分析

為分析非對(duì)稱(chēng)頂推過(guò)程中對(duì)主梁應(yīng)力的影響，假定橋梁頂推施工時(shí)有一定的偏位，以0°應(yīng)力為基準(zhǔn)，考慮不同斜度(1°～10°)自重作用下頂推過(guò)程的應(yīng)力變化情況。由于天橋在平、立面都存在彎折線(xiàn)形，故本文選取折線(xiàn)段下弦桿的16號(hào)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，如圖6所示。

圖6 16號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化

由圖6可以看出:16號(hào)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力基本上隨著斜度的增大而增大。根據(jù)圖6可以擬合觀測(cè)應(yīng)力與斜度關(guān)系的表達(dá)式:

根據(jù)公式可以總結(jié)出頂推過(guò)程中橋梁發(fā)生橫向偏位對(duì)主梁內(nèi)力影響的規(guī)律:與0°時(shí)的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力相比，橋梁偏位斜度為10°時(shí)，應(yīng)力增加為110%；當(dāng)斜度為20°時(shí)，應(yīng)力增加為147%；當(dāng)斜度為30°時(shí)，應(yīng)力增加為209%；當(dāng)斜度為40°時(shí)，應(yīng)力增加為298%。分析表明:隨著斜度的增加即天橋發(fā)生偏位，結(jié)構(gòu)受力是非常不利的，因此需要采取措施防止天橋發(fā)生偏位，而根據(jù)應(yīng)力比結(jié)果也可以推測(cè)頂推前進(jìn)方向，從而達(dá)到控制施工風(fēng)險(xiǎn)的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以莆田站新建天橋?yàn)楣こ瘫尘?，采用?shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法進(jìn)行對(duì)比，研究了空間雙向折線(xiàn)鋼桁梁橋頂推施工的受力過(guò)程，得到以下結(jié)論:

(1)通過(guò)對(duì)比，顯示理論值與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)較為一致，且鋼桁梁的最大應(yīng)力皆在允許應(yīng)力范圍之內(nèi)，強(qiáng)度滿(mǎn)足要求，表明空間雙折線(xiàn)鋼桁架橋梁頂推施工方案是可行的，可為同類(lèi)工程施工提供參照。

(2)通過(guò)探究非對(duì)稱(chēng)頂推過(guò)程中偏位對(duì)鋼桁梁橋頂推的受力影響，總結(jié)出不同的傾角在頂推階段對(duì)主梁應(yīng)力的影響規(guī)律，結(jié)合施工監(jiān)控，可控制非對(duì)稱(chēng)頂推施工過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)。