康長(zhǎng)波，吳 超

(中國(guó)十九冶集團(tuán)有限公司湖北分公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

我國(guó)步履式頂推施工方法近幾年在國(guó)內(nèi)得以迅速發(fā)展，步履式頂推施工法具有占地小，不影響交通，便于跨越深谷、道路等障礙物的特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中可有效地防止“梁體爬行”現(xiàn)象發(fā)生。根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，在頂推施工中，鋼箱梁的軸向偏移在10 mm內(nèi)，如果控制效果不好，則會(huì)造成糾偏次數(shù)過(guò)多，從而增加工程工期和造價(jià)，因此分析連續(xù)鋼箱梁橋步履式頂推施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)行為具有重要意義。因此，本研究以灃東立交E匝道橋項(xiàng)目為背景，利用Midas/Civil建立了鋼箱梁的結(jié)構(gòu)模型，分析了頂推過(guò)程中的支反力的變化，以及對(duì)局部產(chǎn)生的影響，其結(jié)果可以為步履式頂推施工工程提供參考。

1 步履式頂推施工方法應(yīng)用現(xiàn)狀

從施工角度，頂推施工方式分為兩種，即步履式頂推和拖拉式頂推，前者率先應(yīng)用于我國(guó)杭州九堡大橋，后得到廣泛的推廣與發(fā)展。

1.1 步履式頂推施工方法應(yīng)用現(xiàn)狀

連續(xù)鋼箱梁頂推施工期間[1]，需要做好方案的選擇及設(shè)計(jì)，要預(yù)先做好對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況、頂推作業(yè)對(duì)象以及對(duì)象結(jié)構(gòu)類型等的實(shí)際調(diào)研，以此來(lái)掌握施工方案管控的重要參考信息。同時(shí)在施工方案的選擇中要充分考慮施工單位實(shí)際情況，其包括施工團(tuán)隊(duì)的人員配置、設(shè)備配置以及施工人員技術(shù)水平等，這樣才可以有效的做好施工流程推演。

步履式頂推千斤頂裝置自成一體，施工步驟為“頂、推”兩個(gè)步驟交替進(jìn)行，豎向千斤頂會(huì)在豎直方向頂起主梁，水平千斤頂則是頂推滑塊，滑塊會(huì)帶動(dòng)主梁向前移動(dòng)，豎向千斤頂在回落過(guò)程中會(huì)將主梁放置于墊梁上，滑塊將從箱梁梁底脫落，最終完成一個(gè)循環(huán)過(guò)程，如圖1所示。與其他頂推方式有所不同，步履式頂推可以適應(yīng)不同的橋型結(jié)構(gòu)和橋型曲線，整個(gè)施工過(guò)程中使用到全液壓系統(tǒng)，設(shè)備體型較小，頂推力比較強(qiáng)，容易控制，相應(yīng)的安全性也有所提升。

由于步履式頂推方式采用液壓電器控制，在同步性和精準(zhǔn)度方面更容易控制，同時(shí)也可以調(diào)整好墩頂所承受的水平方向的推力，豎直方向調(diào)節(jié)更加便捷，若是超過(guò)箱梁應(yīng)力，可以通過(guò)對(duì)豎向千斤頂伸縮量的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)控制好各個(gè)支點(diǎn)的反力，目前在我國(guó)九堡大橋、紹興濱海大橋都用到了步履式頂推方法。

1.2 頂推施工中存在技術(shù)問(wèn)題

雖然目前頂推施工技術(shù)逐漸成熟，也拓展了應(yīng)用領(lǐng)域，但是在頂推過(guò)程中對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)存在安全性問(wèn)題，主要表現(xiàn)在：

1)頂推施工預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁[2]逐漸演變后成為頂推施工鋼箱梁，在頂推過(guò)程中會(huì)因?yàn)楣r變化受力原因影響到結(jié)構(gòu)安全，為此需要強(qiáng)化對(duì)整體結(jié)構(gòu)受力問(wèn)題的分析，集中解決因局部力量較大影響到箱梁出現(xiàn)變形現(xiàn)象，但是目前在這方面的學(xué)術(shù)研究相對(duì)較少。

2)頂推施工期間往往更多的關(guān)注主梁結(jié)構(gòu)，反而對(duì)下部結(jié)構(gòu)中所使用的臨時(shí)墩或者是永久墩受力情況分析研究不足，頂推力較大的時(shí)候會(huì)使得支撐墩出現(xiàn)縱向位移，此時(shí)因?yàn)槎粘惺芎奢d較大，鋼結(jié)構(gòu)支墩有安全問(wèn)題存在，同時(shí)混凝土墩也有開裂的風(fēng)險(xiǎn)，這就需要在施工期間強(qiáng)化對(duì)下部結(jié)構(gòu)的受力分析。

3)對(duì)主梁施加的水平推力在分配時(shí)會(huì)受到豎向支反力和橋墩剛度以及支撐摩擦阻力影響，但是目前的學(xué)術(shù)研究中往往只看到了橋墩剛度與橋墩間的正向關(guān)系，但是未能充分結(jié)合理論來(lái)計(jì)算出數(shù)值范圍。

2 工程背景

本研究主要是以陜西省西咸新區(qū)灃東新城灃東立交橋工程為研究對(duì)象，灃東立交橋工程共有5條匝道橋，其中E匝道橋第三聯(lián)采用54 m+65 m+58 m+52 m連續(xù)鋼箱梁，第1跨和第4跨跨越城市道路，第2跨跨越新西寶高速公路和新建C匝道橋。鋼梁位于平曲線與豎曲線雙曲線上。梁高采用2.2 m～2.6 m變高設(shè)計(jì)，橋面寬度為19.5 m，第2跨擬采用步履式頂推法施工。頂推段總質(zhì)量達(dá)到了1 200 t，縱坡為1.8%和-3.47%。E匝道平面圖和立體圖如圖2所示。分別在9號(hào)墩、10號(hào)墩、11號(hào)墩間安裝支架，并分別放置了8組步履式頂推裝置，墩頂處安裝滑道，滑道結(jié)構(gòu)與步履裝置結(jié)構(gòu)相同。在鋼箱梁的前段安裝導(dǎo)梁，導(dǎo)梁使用兩根變高H型鋼，間距在8.4 m，導(dǎo)梁端部焊接在鋼箱梁鋼板上，其焊接板的厚度為26 mm。H型變高鋼導(dǎo)梁示意圖如圖3所示。

3 頂推施工關(guān)鍵技術(shù)分析

在連續(xù)鋼梁頂推施工過(guò)程中需要結(jié)合工程項(xiàng)目選擇合適的施工技術(shù)以及做好各個(gè)環(huán)節(jié)的把控，確保最終施工安全性和可靠性。頂推法施工核心在于使用千斤頂工具對(duì)梁體實(shí)施水平方向的推動(dòng)力，在推力和預(yù)先設(shè)計(jì)好的臨時(shí)滑道實(shí)現(xiàn)最終的推滑，其原理在于梁體以分段或者是全段的方式向前頂推，有效的克服了因特定環(huán)境制約施工問(wèn)題。同時(shí)頂推施工期間，需要及時(shí)對(duì)梁體進(jìn)行橫向糾偏，避免出現(xiàn)較大差距的橫向偏移，否則會(huì)偏離橋梁中軸線，造成橋梁支點(diǎn)和橋墩受力不均，導(dǎo)致箱梁底部的應(yīng)力較大，最終出現(xiàn)頂推困難的現(xiàn)象，嚴(yán)重還會(huì)出現(xiàn)梁體傾覆，增加施工難度和危險(xiǎn)性。

3.1 頂推施工方法優(yōu)點(diǎn)分析

目前，因?yàn)轫斖剖┕さ姆椒ǚN類較多，優(yōu)勢(shì)較為明顯，因而被廣泛推廣，其具體的優(yōu)勢(shì)在于頂推除了工作平臺(tái)不需要再進(jìn)行其他臨時(shí)支架的搭設(shè)[3-5]，這樣不會(huì)影響到橋下正常的交通秩序，因而非常適合于需要橫跨深谷或者是已有路線以及其他障礙物(高壓線路)的橋梁施工中使用；頂推所需要使用到的梁體構(gòu)件都可在工廠進(jìn)行預(yù)制，所耗費(fèi)的時(shí)間周期比較短，質(zhì)量也相對(duì)容易控制，施工現(xiàn)場(chǎng)只需要在工作臺(tái)上對(duì)其進(jìn)行拼裝即可，整體來(lái)看可以有效的降低施工成本。頂推施工橋梁中單跨頂推力可以達(dá)到梁體總質(zhì)量的6%～15%，具體數(shù)值情況要參考摩擦系數(shù)，同時(shí)頂推施工期間所使用到的設(shè)備相對(duì)小巧、輕便，不需要?jiǎng)佑幂^大的吊裝運(yùn)輸，更符合需要跨越公路、河流等特殊場(chǎng)景使用。

3.2 頂推施工方法缺點(diǎn)分析

在眾多優(yōu)勢(shì)當(dāng)中頂推施工方法對(duì)于精準(zhǔn)度和施工技術(shù)提出了較高的要求，采用頂推方式進(jìn)行橋梁建設(shè)，需要考慮到橋體結(jié)構(gòu)受力，這是因?yàn)槭┕るA段與運(yùn)營(yíng)階段有著非常明顯的差距，為此需要在施工中把握好頂推力、摩擦系數(shù)等，這些都呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，會(huì)影響到臨時(shí)墩位發(fā)生偏移，甚至改變梁體應(yīng)力與內(nèi)力參數(shù)，這些不確定性的存在會(huì)導(dǎo)致頂推施工更為煩瑣，不安全因素加劇。

4 頂推施工中鋼箱橋梁受力分析

由于頂推施工的方式是一種動(dòng)態(tài)性，與它相關(guān)的邊界條件和負(fù)載情況都會(huì)不停地發(fā)生改變，不同階段下頂推部位受力狀態(tài)存在明顯的差異，為此需要對(duì)橋梁頂推全過(guò)程展開受力分析，避免在施工期間因支座脫落、頂推不同步以及滑塊填塞厚度不精準(zhǔn)等問(wèn)題影響到局部受力突出。在關(guān)于鋼箱梁受力分析中使用Midas/Civil，以此來(lái)探究隨著頂推工序的進(jìn)行，梁體前段豎直方向位移情況、橋墩支反力變化規(guī)律，分析不同落梁方案對(duì)于支反力的影響，確保最終頂推施工的安全性。

4.1 Midas仿真模型搭建

對(duì)鋼箱梁頂推全過(guò)程下受力分析，需要先建立梁體模型，并非常細(xì)致的劃分出施工階段，保證實(shí)體單元計(jì)算數(shù)值精準(zhǔn)度，若是按照這樣的過(guò)程進(jìn)行，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，不易修改，一般項(xiàng)目分析中不會(huì)采用這樣的形式。為此，利用空間梁?jiǎn)卧獦?gòu)建鋼箱梁模型，其核心在于用Midas/SPC模擬截面形狀，搭建梁?jiǎn)卧Ｐ?，以及其?duì)應(yīng)截面，分析每道工序，提取最終計(jì)算結(jié)果。

頂推施工中常用的兩種模擬形式即“墩動(dòng)梁不動(dòng)”和“梁動(dòng)墩不動(dòng)”，結(jié)合項(xiàng)目具體情況，考慮本項(xiàng)目中所使用的梁?jiǎn)卧^多，若是采用對(duì)固定單元節(jié)進(jìn)行編號(hào)的方式更容易進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，鋼箱梁與支撐體系采用分開建模的方式，對(duì)鋼箱梁模型分析時(shí)可以引入約束模擬支撐體系。綜上，最終選擇使用“墩動(dòng)梁不動(dòng)”的模擬計(jì)算方式。

該過(guò)程需要假定梁體位置不改變，每次進(jìn)行頂推，就需要變換一次邊界條件和支座信息，在梁體與墩頂空隙處使用彈性鏈接，這樣當(dāng)支座表現(xiàn)出拉力時(shí)，需要解除該工況狀態(tài)下支座連接后，再重新迭代計(jì)算，以此模擬脫空現(xiàn)象，具體模擬過(guò)程如圖4所示。

4.2 鋼箱梁施工階段劃分

在本次鋼箱梁施工深化設(shè)計(jì)中使用工廠預(yù)制的方式，直接將成型的鋼箱梁運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)吊裝設(shè)備將其吊到頂推平臺(tái)上，完成線性拼裝、焊接以及焊縫檢測(cè)等多重工序，待焊縫檢測(cè)合格后方可將梁體頂推出工作臺(tái)，本項(xiàng)目中具體的頂推流程為：

1)頂升豎向千斤頂，使鋼箱梁豎向上升并脫離支座平臺(tái)。

2)調(diào)整豎向千斤頂方位高程，使梁體縱向保持水平。

3)移動(dòng)縱向千斤頂，使梁體進(jìn)行縱向前移。

4)調(diào)整橫向千斤頂，使梁體達(dá)到預(yù)定平面位置。

5)下降豎向千斤頂，使得鋼箱梁落在預(yù)定墊塊上方。

按照上述流程執(zhí)行，完成一個(gè)頂推環(huán)節(jié)。在完成頂推循環(huán)，梁體會(huì)在水平方向前進(jìn)0.5 m，由于一次頂推距離相對(duì)較小，整個(gè)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)差異并不是很大，為此本文按照每頂推1 m進(jìn)行施工階段的劃分。

4.3 鋼箱梁豎向位移情況

考慮整個(gè)裝置的自重，懸臂一端會(huì)在豎直方向產(chǎn)生向下的位移，若是擺動(dòng)幅度過(guò)大，將會(huì)影響到導(dǎo)梁上墩，進(jìn)而影響到整個(gè)項(xiàng)目的施工進(jìn)程，為此需要先對(duì)頂推過(guò)程中的箱梁結(jié)構(gòu)位移情況展開分析，隨著頂推進(jìn)行，梁體前段的豎向位移變化如圖5所示。

本項(xiàng)目施工采用先拼接再頂推再拼接的方式，因此頂推平臺(tái)上方梁體長(zhǎng)度相對(duì)較大，從而整體結(jié)構(gòu)的自重比較大，需要保證與支座良好的接觸。隨著頂推距離的加深，梁體的移動(dòng)使得更多的自重荷載移向前端，隨著前端懸臂段長(zhǎng)度增加的同時(shí)，下?lián)弦矔?huì)因此增大，這使得整個(gè)梁體的后方出現(xiàn)了上翹問(wèn)題。遵循導(dǎo)梁前端下?lián)衔灰埔?guī)律變化，在n墩到n+1墩的過(guò)程中，下?lián)衔灰埔矎?開始增大，當(dāng)導(dǎo)梁到n+1墩的時(shí)候，豎直方向的位移又恢復(fù)到最初的0，當(dāng)工況從導(dǎo)梁前端到10號(hào)墩，豎向位移數(shù)值在1.3 mm，因?yàn)榭缰邢聯(lián)显?，?dǎo)梁前段有上翹的趨勢(shì)，持續(xù)的頂推，當(dāng)整個(gè)過(guò)程達(dá)到最大懸臂狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)梁前端豎向位移在-6.6 mm，向前再推1 m，此時(shí)的前端位移又恢復(fù)到了4.6 mm。按照上述過(guò)程，頂推的最大豎向位移可以達(dá)到11.4 mm，此時(shí)的形變也達(dá)到了最大，若是持續(xù)這樣會(huì)影響到整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力與梁體上墩，為此需要不斷地對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，確保裝置結(jié)構(gòu)受力在安全范圍內(nèi)。

在頂推施工至45 m～49 m的時(shí)候，在導(dǎo)梁的前端下?lián)献畲罂梢赃_(dá)到49.4 mm，在模型中可以發(fā)現(xiàn)處于該工況狀態(tài)下導(dǎo)梁根部與鋼箱梁連接處正處于10號(hào)墩上方，觀察模型，導(dǎo)梁和鋼箱梁的鏈接采用了剛性連接法，導(dǎo)致此刻的剛性達(dá)到了無(wú)限大。導(dǎo)梁越逼近9號(hào)墩時(shí)，在自重的作用下下?lián)线_(dá)到了最大，導(dǎo)梁的根部正處于9號(hào)墩正上方，在連接處出現(xiàn)了轉(zhuǎn)角現(xiàn)象，導(dǎo)梁自重與剛度數(shù)值相對(duì)較小，因而會(huì)出現(xiàn)上翹的現(xiàn)象。

但當(dāng)梁體被推出平臺(tái)后，由于中心發(fā)生了改變，梁體尾部開始出現(xiàn)了上翹的趨勢(shì)，上翹現(xiàn)象越明顯，相應(yīng)的拼裝難度會(huì)增大，甚至存在拼裝錯(cuò)誤的問(wèn)題，同時(shí)頂推平臺(tái)無(wú)法提供足夠大的摩擦力，很可能出現(xiàn)無(wú)法推動(dòng)的現(xiàn)象，或者是滑塊出現(xiàn)打滑等，這需要在施工過(guò)程中加以注意。需要強(qiáng)調(diào)的是當(dāng)完成下一階段梁體吊裝后再進(jìn)行拼接，最終梁體尾部恢復(fù)到原有的狀態(tài)，然后再進(jìn)行新的循環(huán)。

5 結(jié)語(yǔ)

利用Midas/Civil“梁?jiǎn)卧痹斫⒘艘粋€(gè)完整的箱梁模型，該模型能夠模擬整個(gè)頂推施工的全過(guò)程，結(jié)果表明，施工過(guò)程中的梁體前端下?lián)虾臀捕松下N，隨著頂推前移，導(dǎo)梁前端下?lián)铣室?guī)律性變化即在n+1～n之間，下?lián)衔灰平^對(duì)數(shù)值在逐漸增大。

對(duì)成橋和施工階段的鋼箱梁進(jìn)行應(yīng)力比較，分析發(fā)現(xiàn)在施工階段，頂板和底板的最大應(yīng)力集中在同一種情況下，而最大應(yīng)力截面部位均處于橋墩頂部。通過(guò)對(duì)局部鋼箱梁應(yīng)力分析，處于正常 支座位置，受力狀態(tài)會(huì)以設(shè)計(jì)中軸線對(duì)稱，最大的應(yīng)力集中在兩個(gè)支架和基板的接觸部位，其數(shù)值在195 MPa。