周澤箭

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司， 廣東 廣州 510507)

0 前言

橋梁頂推施工最早來(lái)源于鋼橋結(jié)構(gòu)的縱向拖拉法，我國(guó)于1974年在狄家河鐵路橋首次將橋梁頂推法應(yīng)用于實(shí)際工程中[1]。橋梁頂推施工法對(duì)頂推過(guò)程中的導(dǎo)向及糾偏措施要求較高，準(zhǔn)確的導(dǎo)向及糾偏方案可以確保橋梁在頂推過(guò)程中始終處于支撐墩柱的中心線(xiàn)上，避免橋梁因較大的橫向偏移而發(fā)生梁體失穩(wěn)或局部破壞的現(xiàn)象。對(duì)此，專(zhuān)家學(xué)者展開(kāi)了一系列研究。陳立鋒等[2]采用旋轉(zhuǎn)法橫向頂推糾偏技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)橋梁的頂推糾偏，并保證了施工過(guò)程中的安全可靠性；田世清等[3]在研究已有頂推糾偏技術(shù)的基礎(chǔ)上采用多點(diǎn)數(shù)控同步頂推設(shè)備對(duì)橋梁進(jìn)行糾偏復(fù)位；徐飛等[4]結(jié)合工程實(shí)際驗(yàn)證了雙循環(huán)逐級(jí)加載頂推技術(shù)的效果；許冰等[5]針對(duì)連續(xù)曲線(xiàn)梁橋頂推中的實(shí)際問(wèn)題，基于仿真計(jì)算結(jié)果給出了糾偏方案，保證了橋梁頂推糾偏施工的可行性。

以上研究所涉及的橋梁多為對(duì)稱(chēng)規(guī)則箱梁截面，對(duì)不規(guī)則類(lèi)雙層PC箱梁頂推施工中的糾偏技術(shù)鮮有涉及，本文以雙幅類(lèi)雙層PC連續(xù)箱梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)此類(lèi)截面形式的新型頂推導(dǎo)向糾偏裝置，并通過(guò)理論和有限元計(jì)算分析了配重效應(yīng)對(duì)支撐墩柱上左右兩側(cè)滑道反力的影響，可為今后類(lèi)似工程提供借鑒。

1 類(lèi)雙層PC箱梁頂推糾偏原因分析

1.1 頂推施工控制點(diǎn)

PC箱梁頂推施工工藝較為成熟，主要施工步驟是在沿橋梁主梁軸線(xiàn)上設(shè)置鋼導(dǎo)梁、臨時(shí)墩滑道等限位裝置和千斤頂頂推施力裝置，分不同節(jié)段將已預(yù)制的PC箱梁用縱向預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行連接，采用分段頂推的方式將PC箱梁逐步頂推至預(yù)定位置，循環(huán)往復(fù)直至所有節(jié)段箱梁頂推完畢。PC箱梁頂推施工工藝并不復(fù)雜，但施工過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)控制十分重要,主要有：

1) 臨時(shí)墩設(shè)置。PC箱梁在頂推施工時(shí)存在“適用跨度”問(wèn)題，為保證頂推過(guò)程中的支點(diǎn)負(fù)彎矩滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，在梁截面尺寸和預(yù)應(yīng)力鋼束強(qiáng)度一定的情況下，需要增設(shè)臨時(shí)墩以確保鋼導(dǎo)梁和PC箱梁在頂推過(guò)程中的抗傾覆要求。

2) 鋼導(dǎo)梁安裝。鋼導(dǎo)梁的控制內(nèi)力需要根據(jù)導(dǎo)梁與箱梁連接的最大正負(fù)彎矩和下緣最大支反力確定，且剛度宜為主梁的1/5～1/9，合理的設(shè)置鋼導(dǎo)梁的內(nèi)力及剛度可以有效控制PC箱梁的最大懸臂負(fù)彎矩，使其與使用狀態(tài)負(fù)彎矩接近。

3) 頂推導(dǎo)向及糾偏控制。頂推過(guò)程中的導(dǎo)向裝置和糾偏裝置是頂推成功的關(guān)鍵，糾偏裝置可以控制梁體在頂推過(guò)程中始終處于頂推中線(xiàn)的規(guī)定范圍內(nèi)，確保主梁不發(fā)生過(guò)大橫向偏移，保證頂推施工的安全。

1.2 糾偏原因分析

PC箱梁頂推過(guò)程中，橋墩的受力如圖1所示。主梁在頂推過(guò)程中分別承受自重G、啟動(dòng)力P、頂推牽引力T、橋墩支反力N和相對(duì)摩擦力f，根據(jù)對(duì)橋墩的受力分析，PC箱梁在頂推過(guò)程中會(huì)因如下3個(gè)因素造成偏移。

1) 當(dāng)主梁重心G未作用于橋墩幾何中心時(shí)，主梁對(duì)橋墩產(chǎn)生偏載，同一橋墩上支反力N1≠N2，此時(shí)摩擦力計(jì)算公式f=μN(yùn)，同一橋墩上的上下游摩擦力f1≠f2，主梁會(huì)發(fā)生橫向側(cè)移；

2) 當(dāng)頂推牽引力T未作用于主梁截面中心線(xiàn)上時(shí)，牽引力T會(huì)對(duì)主梁施加一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，造成主梁的橫向偏移；

3) 當(dāng)主梁重心G作用于橋墩幾何重心，且牽引力T作用于主梁截面中心線(xiàn)上，但同一橋墩上下游截面摩擦系數(shù)μ1≠μ2時(shí)，同樣會(huì)造成上下游摩擦力f1≠f2，導(dǎo)致主梁發(fā)生橫向偏移。

圖1 橋梁頂推受力示意

1.3 常用糾偏裝置缺陷

目前箱梁頂推施工中常用的導(dǎo)向糾偏裝置有導(dǎo)向輪和楔形導(dǎo)向滑板2種。

導(dǎo)向輪導(dǎo)向糾偏裝置由型鋼反力架和普通平滾組成，通過(guò)在主梁和平滾間布置或撤銷(xiāo)鋼板控制梁體的頂推方向，并達(dá)到糾偏效果，其優(yōu)點(diǎn)為單次糾偏幅度較大，無(wú)需對(duì)梁體進(jìn)行頻繁導(dǎo)向，缺點(diǎn)為導(dǎo)向輪糾偏裝置為被動(dòng)導(dǎo)向，糾偏過(guò)程中會(huì)增大頂推摩擦阻力，容易造成梁體的破壞。

楔形導(dǎo)向滑板糾偏裝置由型鋼反力架和雙側(cè)木楔組成，主梁頂推過(guò)程中連帶木楔向前滑移，梁體隨頂推過(guò)程按要求進(jìn)行橫向移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)導(dǎo)向的效果。其優(yōu)點(diǎn)為主動(dòng)導(dǎo)向，且易于實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)為導(dǎo)向過(guò)程需要時(shí)刻進(jìn)行，若梁體橫向偏移過(guò)大則會(huì)造成反力架與梁體間距減小，阻礙梁體移動(dòng)。

2 雙幅類(lèi)雙層PC箱梁新型頂推導(dǎo)向與糾偏裝置設(shè)計(jì)

以上糾偏裝置僅針對(duì)規(guī)則截面PC箱梁的直線(xiàn)段頂推施工，無(wú)法應(yīng)用于變截面甚至復(fù)雜截面的PC箱梁直線(xiàn)段或曲線(xiàn)段頂推過(guò)程，基于此，本文對(duì)某類(lèi)雙層雙幅PC箱梁頂推施工展開(kāi)研究，設(shè)計(jì)了一種適用于雙幅類(lèi)雙層PC箱梁頂推的導(dǎo)向及糾偏裝置。

2.1 裝置構(gòu)造

雙幅類(lèi)雙層連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁外側(cè)為人行道梁板，普通限位裝置無(wú)安裝空間，本文通過(guò)以下幾步重新設(shè)計(jì)雙幅類(lèi)雙層頂推導(dǎo)向及糾偏裝置：

1) 反力架與限位裝置設(shè)置。由于箱梁側(cè)向無(wú)反力架安裝位置，將反力架支撐于橋墩外側(cè)，采用將鋼板放置于人行道梁板外側(cè)的方式對(duì)PC箱梁進(jìn)行限位固定，雙幅梁內(nèi)腹板外側(cè)用型鋼連接，實(shí)現(xiàn)左右兩幅的橫向限位，與其他限位裝置不同，本文內(nèi)側(cè)腹板限位裝置為軸向受力構(gòu)件，避免了懸臂受彎構(gòu)件因橫向力過(guò)大產(chǎn)生的破壞。反力架設(shè)置如圖2所示，內(nèi)外側(cè)限位裝置如圖3所示。

圖2 反力架安裝示意

(a)內(nèi)側(cè)限位裝置

(b)外側(cè)限位裝置

2) 橫向糾偏力的提供。為避免以往頂推過(guò)程中出現(xiàn)的單點(diǎn)橫橋向力過(guò)大問(wèn)題，新型糾偏裝置采用多點(diǎn)糾偏的方式進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)“杠桿原理”確定糾偏力的施加位置，改善以往裝置糾偏時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，提高裝置糾偏效率。如圖4所示，糾偏控制力分別通過(guò)通風(fēng)口張拉鋼束、內(nèi)側(cè)翼緣千斤頂和底部拉錨器三者共同提供，根據(jù)實(shí)際情況合理布置糾偏力提供裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)箱梁頂推過(guò)程的精確糾偏。

圖4 橫向糾偏力示意

2.2 配重計(jì)算

以某大橋類(lèi)雙層PC箱梁左幅頂推工程為例，計(jì)算新型頂推裝置下需要的配重力大小。如圖5所示，箱梁高3.8 m，頂板懸臂板分別長(zhǎng)5.15、3.5 m，端部厚分別為0.3、0.4 m，底板懸臂板長(zhǎng)3.97 m，端部厚0.18 m，頂、底板均為0.3 m，腹板為0.85 m。

圖5 主梁截面尺寸(單位： cm)

為平衡因類(lèi)雙層PC箱梁非對(duì)稱(chēng)形成的重量，采用施加配重的方式確保頂推平衡，根據(jù)力及力矩平衡方程有：

(1)

式中：FL、FR分別為左側(cè)滑道、右側(cè)滑道的反力合；dL、dR分別為左、右滑道到質(zhì)心的垂直距離；G為PC箱梁與鋼導(dǎo)梁自重；

平衡箱梁左側(cè)重量，確定配重值，如式(2)所示。

{G1=GA-GB

G2=Gc

Gp=G1+G2

(2)

式中：GA、GB、GC分別為對(duì)應(yīng)部分懸臂板的重量；Gp表示配重重量。

配重后重新建立力及力矩平衡方程，可求得配重前后左右滑道的反力差，如式(3)所示：

(3)

3 配重效應(yīng)有限元仿真分析

采用Midas Civil軟件建立左幅鋼箱梁有限元模型，通過(guò)兩點(diǎn)受壓彈性支撐模擬左右滑道，配重以偏心均布荷載的方式施加在主梁上，偏心距為7.77 m，頂推模型如圖6所示，臨時(shí)墩柱布置如圖7所示。

圖6 有限元模型

圖7 臨時(shí)墩柱布置(單位： m )

圖8給出了配重前后兩側(cè)滑道的反力及反力合有限元計(jì)算結(jié)果，配重前有限元計(jì)算反力差為7035.5 kN，理論反力差為7 390 kN，相對(duì)偏差5.3%；配重后有限元計(jì)算反力差為350.8 kN，理論反力差為369.02 kN，相對(duì)偏差5.2%；配重前后的左右滑道反力合均與理論值計(jì)算相同，綜上可知，有限元計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果處于合理計(jì)算偏差以?xún)?nèi)，均為有效值。

圖8 配重前后兩側(cè)滑道反力

為確定各臨時(shí)支撐所提供的反力對(duì)配重的敏感程度，選取6#、8#臨時(shí)墩和E4橋墩為研究對(duì)象，圖9分別給出了各臨時(shí)墩在頂推過(guò)程中的滑道反力差，數(shù)值為零時(shí)表示主梁與滑道之間無(wú)相互作用力。由圖9可知，配重對(duì)不同臨時(shí)支撐墩柱的作用效應(yīng)均存在一定差別，分析原因?yàn)椋孩?由于計(jì)算方式不同，理論與有限元計(jì)算對(duì)結(jié)構(gòu)重心的位置計(jì)算存在偏差；② 理論計(jì)算時(shí)考慮全梁段的配重荷載，而有限元計(jì)算僅考慮主梁段的配重荷載。

(a) 6#臨時(shí)墩反力

(b) 8#臨時(shí)墩反力

(c) E4墩反力

臨時(shí)墩6在配重前后反力差平均降幅達(dá)到75.7%，當(dāng)主梁頂推至50 m時(shí)反力差降幅達(dá)到最大，約為3 175.1 kN；8#臨時(shí)墩配重前后反力差變化最小，且當(dāng)主梁達(dá)部分頂推距離時(shí)，出現(xiàn)配重后滑道反力差大于配重前的情況，分析原因可能是8#臨時(shí)墩與E4橋墩相鄰，E4橋墩的存在改變了8#臨時(shí)墩的受力機(jī)理；E4墩對(duì)配重效應(yīng)最為敏感，當(dāng)主梁頂推至48 m位置時(shí)，E4墩左右兩側(cè)滑道反力差從配重前的4 025.6 kN降低至45.6 kN，最大降幅為98.9%，且配重后E4墩在整個(gè)頂推過(guò)程中的反力差都維持在較小水平，配重效應(yīng)明顯。

4 結(jié)論

以某雙幅類(lèi)雙層PC箱梁頂推施工為工程背景，首先通過(guò)分析頂推施工過(guò)程中的問(wèn)題確定糾偏的關(guān)鍵控制點(diǎn)，其次根據(jù)梁截面實(shí)際情況設(shè)計(jì)了新型導(dǎo)向與糾偏裝置，并分析了配重對(duì)頂推過(guò)程中兩側(cè)滑道反力差的影響，得到如下結(jié)論。

1) 對(duì)于類(lèi)雙層PC箱梁，傳統(tǒng)的頂推導(dǎo)向及糾偏裝置很難適應(yīng)施工需求，新設(shè)計(jì)的導(dǎo)向及糾偏裝置擺脫了傳統(tǒng)限位裝置懸臂受力的特點(diǎn)，具有更強(qiáng)的可靠性，且橫向糾偏裝置可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理布置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)箱梁頂推過(guò)程的精確糾偏。

2) 配重前后理論值與有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果存在約5%左右的相對(duì)偏差，配重效應(yīng)整體吻合，計(jì)算結(jié)果表明通過(guò)配重方式可以解決非對(duì)稱(chēng)箱梁截面因支反力不等而引起的橋梁橫向偏位問(wèn)題。

3) 由于超靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分配現(xiàn)象的存在，不同支撐墩柱對(duì)配重的敏感程度各不相同，大部分支撐墩柱反力差均有大幅度下降，但個(gè)別支撐墩在部分頂推階段出現(xiàn)了配重后反力差大于配重前的情況，需在工程中引起重視。