王曉磊,劉暢,張鵬,劉煥舉

(1.河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院,邯鄲 056107; 2.中國(guó)華冶科工集團(tuán)有限公司,北京 100176)

當(dāng)前橋梁的頂推施工中,往往通過(guò)鋼導(dǎo)梁和臨時(shí)支架等輔助性結(jié)構(gòu)改善主梁在頂推過(guò)程中的受力情況[1-2],而導(dǎo)梁落梁是頂推施工的一個(gè)重要環(huán)節(jié),將直接影響到工程的施工安全與施工進(jìn)度。導(dǎo)梁落梁方案的科學(xué)設(shè)計(jì)可有效降低主梁結(jié)構(gòu)的最大彎矩值,減輕頂推施工對(duì)鋼橋主體結(jié)構(gòu)的不利影響,減少工程事故的發(fā)生。因此對(duì)步履式頂推施工中導(dǎo)梁落梁方面的研究十分必要。

長(zhǎng)期以來(lái)橋梁頂推技術(shù)的研究備受關(guān)注,前人為此做了大量的相關(guān)研究。張漣英等[3]考慮了導(dǎo)梁的截面形狀及連接方式,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)梁變截面點(diǎn)與頂板束錨固點(diǎn)的位置對(duì)主梁最大負(fù)彎矩峰值影響較小,導(dǎo)-主梁連接束大小對(duì)峰值影響較大。張亞麗等[4]針對(duì)鋼拱橋頂推復(fù)雜的施工環(huán)境,提出了一系列步履式頂推的保障措施,有效解決了大懸臂頂推受力復(fù)雜、變形大等問(wèn)題。靳銳勇[5]采用了長(zhǎng)導(dǎo)梁法高位頂推技術(shù),并通過(guò)工程施工驗(yàn)證了頂推過(guò)程中導(dǎo)梁落梁各階段的施工步驟與技術(shù)要求,可為今后工程提供借鑒。高波[6]以某跨線工程為例,通過(guò)對(duì)比施工方案的科學(xué)性,選擇最優(yōu)方案,從而使得橋梁施工的安全隱患大大降低。時(shí)曉曄等[7]通過(guò)有限元軟件對(duì)導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)建立多個(gè)模型,對(duì)比分析后得出了最優(yōu)的導(dǎo)梁加固方案,為今后導(dǎo)梁局部的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。姜早龍等[8]為了保障大橋的安全施工,利用有限元軟件和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等多種手段驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性,同時(shí)表明在結(jié)構(gòu)計(jì)算值未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時(shí),可通過(guò)對(duì)構(gòu)件的優(yōu)化,來(lái)達(dá)到規(guī)范的相關(guān)要求。

然而,現(xiàn)階段的鋼橋頂推施工中,在非對(duì)稱式布置的支架上進(jìn)行導(dǎo)梁落梁時(shí),仍具有很大的風(fēng)險(xiǎn),并且相關(guān)研究多為空白[9-15],因此對(duì)這方面的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。現(xiàn)采用MIDAS/Civil有限元軟件對(duì)響堂鋪大橋步履式頂推施工建立有限元模型,通過(guò)對(duì)導(dǎo)梁在非對(duì)稱式支架上落梁的兩種施工方案進(jìn)行分析計(jì)算,確定最優(yōu)的導(dǎo)梁落梁方案。

1 工程概況

響堂鋪2號(hào)大橋?yàn)榍嗵m高速公路40+62+40 m鋼-混組合箱梁橋,主梁截面鋼槽梁底寬為3.5 m,橫斷面為單箱單室,懸臂長(zhǎng)度1 m,橋面板寬16.5 m。鋼槽梁跨越青蘭高速公路。橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年,設(shè)計(jì)安全級(jí)等級(jí)為一級(jí),適用環(huán)境類別為Ⅱ類,全橋采用整聯(lián)步履式頂推施工法,施工立面布置如圖1所示。

圖1 頂推立面布置圖

頂推導(dǎo)梁縱向長(zhǎng)35 m,由2片等高度工字形實(shí)腹板鋼板主梁組成,兩片主梁之間由鋼管組成的橫向聯(lián)系和上、下平面聯(lián)系,導(dǎo)梁與鋼槽梁通過(guò)焊接方式連接。鋼槽梁和導(dǎo)梁均為Q345鋼材,鋼梁頂推到位后,采用整體落梁的施工方案,頂推施工中臨時(shí)支架布置情況見圖2。

圖2 臨時(shí)支架平面布置圖

當(dāng)導(dǎo)梁從臨時(shí)支架一頂推到臨時(shí)支架四與五時(shí),即導(dǎo)梁頂推至40～94 m并落梁的階段,此時(shí)由于臨時(shí)支架分布不均勻且頂推距離不斷增加,若繼續(xù)頂推,則會(huì)使導(dǎo)梁桁架破壞的風(fēng)險(xiǎn)增大,整體頂推系統(tǒng)可能會(huì)突發(fā)傾覆出現(xiàn)工程事故,阻斷下方高速通行,給車輛和人員帶來(lái)安全隱患,故此頂推階段較為危險(xiǎn),選擇出科學(xué)合理的落梁方案極有必要。在以往的頂推施工方案中,主梁往往采用一次性頂推到位,并整體落梁的方式,而在大跨度頂推施工中,則采用延長(zhǎng)臨時(shí)支架的縱向長(zhǎng)度,減少導(dǎo)梁懸臂距離的方式[11]。針對(duì)響堂鋪2號(hào)大橋的特殊情況,故依據(jù)經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況,設(shè)計(jì)出的方案一與方案二。方案一為頂推時(shí)導(dǎo)梁于40、45、49、86、90、94 m處每前進(jìn)一次便進(jìn)行一次落梁。方案二為頂推時(shí)導(dǎo)梁大部分處于懸臂狀況,僅在支架處進(jìn)行落梁。通過(guò)采用數(shù)值模擬手段對(duì)提出的兩種方案進(jìn)行對(duì)比分析。

2 頂推數(shù)值模型建立

為進(jìn)一步對(duì)兩種方案的合理性進(jìn)行對(duì)比分析,現(xiàn)采用有限元模擬軟件MIDAS/Civil建立橋梁頂推施工的有限元模型。以鋼橋此前進(jìn)行的頂推施工時(shí)導(dǎo)梁懸臂28、35和39 m監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù),驗(yàn)證數(shù)值模型,從而保證數(shù)值模型的真實(shí)性與可靠性。

2.1 模型搭建

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙,對(duì)導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分后,通過(guò)搭建兩工字梁間的桁架結(jié)構(gòu),建立起導(dǎo)梁的有限元模型。依照鋼槽梁的工藝設(shè)計(jì)圖和現(xiàn)場(chǎng)梁段的長(zhǎng)度和焊接次序,建立出主梁結(jié)構(gòu)單元,最終將主梁與導(dǎo)梁進(jìn)行剛性連接,從而得出頂推施工的有限元模型,如圖3所示。

圖3 頂推施工有限元模型

在模型邊界條件的搭建方面,由于實(shí)際工程中,主梁是受自重作用而落在臨時(shí)支架上的,兩者并無(wú)焊接關(guān)系,故主梁結(jié)構(gòu)與臨時(shí)支架之間采用僅受壓的彈性連接[16-17]。因?yàn)轫斖剖┕ぶ忻看雾斖凭嚯x有限,故有限元模型可以簡(jiǎn)化為前端懸臂的超靜定連續(xù)梁,各步履式千斤頂可以認(rèn)為與主梁之間為鉸接,主梁后側(cè)由鋼架承臺(tái)支撐部分的邊界條件可認(rèn)為是固定端[14]。

在模型分析方法的選取上,參考當(dāng)前業(yè)界針對(duì)頂推施工中,利用數(shù)值模擬進(jìn)行分析計(jì)算的兩種類型:“倒退算法”和“前進(jìn)算法”[6,15]。由于“倒退算法”中的節(jié)點(diǎn)不發(fā)生改變,因此更容易提取和記錄主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力與撓度的數(shù)值,故本文中采取“倒退算法”對(duì)頂推施工的有限元模型進(jìn)行分析和計(jì)算。

2.2 數(shù)值模型驗(yàn)證

通過(guò)調(diào)整邊界條件,建立導(dǎo)梁懸臂距離分別為28、35和39 m的有限元模型,由有限元軟件MIDAS/Civil分別計(jì)算出主梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與撓度,并將其與實(shí)際監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,如表1和表2所示。

表1 頂推過(guò)程中導(dǎo)梁根部應(yīng)力值

表2 頂推過(guò)程中導(dǎo)梁端部撓度值

由表1和表2可知:通過(guò)有限元模型分析出的結(jié)構(gòu)應(yīng)力及撓度值與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)值基本吻合,應(yīng)力值的誤差分別為10.81%、13.26%、11.28%,撓度值的誤差分別為8.76%、12.46%、13.25%。數(shù)據(jù)存在誤差主要是兩點(diǎn)原因:①焊接工藝的高溫性和復(fù)雜性使主梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了無(wú)法消除的殘余應(yīng)力。②施工現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期存在的風(fēng)荷載。經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)[14]發(fā)現(xiàn)誤差值在15%以內(nèi),均屬正常情況,而本模型計(jì)算的應(yīng)力值與撓度值的誤差均維持在13.5%以內(nèi),因而能夠認(rèn)定該有限元模型的計(jì)算結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際的橋梁頂推施工中是切實(shí)可行的。

在橋梁頂推過(guò)程中,主梁的受力隨頂推的進(jìn)行不斷發(fā)生改變,為防止鋼槽梁傾覆,現(xiàn)通過(guò)此模型分別模擬兩種施工方案,對(duì)比分析導(dǎo)梁與鋼槽梁的穩(wěn)定性,最終確定頂推的可行性方案。

3 導(dǎo)梁落梁方案對(duì)比

3.1 方案一導(dǎo)梁落梁分析

方案一為頂推時(shí)導(dǎo)梁于40、45、49、86、90、94 m處每前進(jìn)一次便進(jìn)行一次落梁,總共落梁六次,由于兩組非對(duì)稱式臨時(shí)支架為平行排列,兩組支架間的最大距離達(dá)到44 m,主梁結(jié)構(gòu)在兩次落梁中,結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化存在不同,故應(yīng)對(duì)前后兩次主梁落梁進(jìn)行區(qū)分。將40～49 m設(shè)定為第一階段,86～94 m設(shè)定為第二階段,每階段均獨(dú)立建模[18]。通過(guò)計(jì)算得出的主梁應(yīng)力及撓度結(jié)果如圖4所示。

圖4 方案一頂推40～94 m時(shí)的主梁應(yīng)力

由圖4可知,在方案一的第一階段中,最大的應(yīng)力為200.13 MPa,其出現(xiàn)在頂推至45 m并落梁時(shí),并且應(yīng)力最大值出現(xiàn)在導(dǎo)梁的多處桁架連接處,受拉與受壓應(yīng)力交替出現(xiàn),其內(nèi)部應(yīng)力情況比較復(fù)雜,且導(dǎo)梁桁架的峰值應(yīng)力比鋼槽梁的峰值應(yīng)力大約高116%,在實(shí)際的焊接工藝下,此種情況較為危險(xiǎn)。而在方案一的第二階段中,結(jié)構(gòu)的峰值應(yīng)力均控制在了150 MPa以內(nèi),最大應(yīng)力也僅為147.15 MPa,并且最大應(yīng)力為第二階段的第一次落梁,往后的幾次落梁中,應(yīng)力值均呈下降的趨勢(shì)。有限元模型在各工況下的計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 方案一有限元方法計(jì)算結(jié)果

在方案一的第一階段頂推施工過(guò)程中,鋼槽梁主梁結(jié)構(gòu)支撐位置發(fā)生改變,導(dǎo)致其截面的受力狀態(tài)不斷變化。導(dǎo)梁部分由于大部分處于懸臂狀態(tài)且支撐點(diǎn)不對(duì)稱,在重力影響下其應(yīng)力數(shù)值較大且分布不均,相比主梁其他部分的結(jié)構(gòu)應(yīng)力,其數(shù)值高出20%～30%,同時(shí)導(dǎo)梁前端在落梁過(guò)程中總是有最大撓度值,隨跨度增大而增大。而第二階段與第一階段恰恰相反,在第二階段的非對(duì)稱式落梁中,結(jié)構(gòu)應(yīng)力趨于穩(wěn)定,無(wú)特殊應(yīng)力出現(xiàn)。

3.2 方案二導(dǎo)梁落梁分析

方案二為導(dǎo)梁頂推過(guò)程中不予落梁,僅在第一階段及第二階段的頂推結(jié)束時(shí),即49 m與94 m處進(jìn)行落梁,懸臂長(zhǎng)度分別為49 m和45 m,通過(guò)有限元模型對(duì)導(dǎo)梁懸臂的最不利情況進(jìn)行模擬計(jì)算,從而分析出方案二鋼槽梁的穩(wěn)定性。圖5為方案二中第一階段的鋼槽梁應(yīng)力云圖。

圖5 方案二導(dǎo)梁懸臂為49 m時(shí)主梁應(yīng)力及位移

通過(guò)計(jì)算可知方案二中鋼槽梁的最大應(yīng)力發(fā)生在導(dǎo)梁根部,數(shù)值為134.16 MPa,最大撓度為285.16 mm。而第二階段的鋼槽梁的最大應(yīng)力發(fā)生導(dǎo)梁根部的桁架結(jié)構(gòu),最大拉應(yīng)力為246.22 MPa,最大壓應(yīng)力為242.27 MPa,最大撓度為321.72 mm,結(jié)果如表4所示。

表4 方案二有限元方法計(jì)算結(jié)果

3.3 導(dǎo)梁落梁方案對(duì)比分析

通過(guò)總結(jié)上述兩種落梁方案的計(jì)算結(jié)果,由表5可知方案一的第一階段中,鋼槽梁的結(jié)構(gòu)應(yīng)力過(guò)大,且分布復(fù)雜,可能會(huì)影響到施工的安全進(jìn)行。而階段二中,最大應(yīng)力值卻能均低于150 MPa,應(yīng)力值反而較階段一減少36%,此階段比上一階段更為安全。在方案二的第一階段中,最大應(yīng)力僅為134.15 MPa,與方案一相比結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值降低約33.50%且應(yīng)力分布均勻[18]。導(dǎo)梁撓度雖為285.17 mm,但由于本工程采用步履式千斤頂?shù)仍O(shè)備進(jìn)行頂推施工,在整個(gè)頂推過(guò)程中可通過(guò)調(diào)整步履式頂推設(shè)備向上頂升來(lái)抵消鋼槽梁及導(dǎo)梁向下的撓度,故方案二中所增加的導(dǎo)梁末端撓度值可通過(guò)頂推設(shè)備降低影響。然而由于主梁支座數(shù)驟降、跨度增加等原因,使得此方案第二階段應(yīng)力峰值驟增。相較之下,第二階段中的方案二遠(yuǎn)不及方案一安全可靠。

表5 落梁方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比

最終經(jīng)兩種結(jié)果對(duì)比分析,可知臨時(shí)支架采用特殊布置方案時(shí),導(dǎo)梁的落梁方案應(yīng)采取不同的施工方法,當(dāng)非對(duì)稱的相鄰支架為同側(cè)最近時(shí),采用一次性落梁的方案最佳,當(dāng)相鄰支架為同側(cè)較遠(yuǎn)時(shí),分布式落梁的方案最佳。因此響堂鋪2號(hào)大橋的頂推落梁方案為:第一階段選擇方案二,第二階段選擇方案一。此種方案搭配,有效解決了非對(duì)稱式支架布置的情況下導(dǎo)梁落梁的難題,減少了導(dǎo)梁落梁時(shí)的安全隱患。而且通過(guò)有限元模擬等手段,在積累經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)的同時(shí),也節(jié)省了大量的時(shí)間成本,有效增加了橋梁施工的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。圖6為導(dǎo)梁懸臂時(shí)現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖6 方案二現(xiàn)場(chǎng)施工情況圖

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)控制

施工監(jiān)測(cè)是施工控制中尤為重要的技術(shù)手段[19],在頂推施工的工程中,常常對(duì)鋼槽梁的結(jié)構(gòu)應(yīng)力及形變進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在實(shí)際頂推過(guò)程中將鋼槽梁與步履式頂推配套設(shè)備連接節(jié)點(diǎn)所在橫截面設(shè)為關(guān)鍵截面,借助對(duì)鋼槽梁應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的科學(xué)手段,判斷其結(jié)構(gòu)有無(wú)超過(guò)材料容許設(shè)計(jì)值,以達(dá)到保障鋼槽梁施工安全的目的。根據(jù)有限元軟件計(jì)算結(jié)果,將鋼槽梁的跨中、四分之一處以及導(dǎo)梁的根部、中部和端部設(shè)為關(guān)鍵截面,通過(guò)安裝應(yīng)力應(yīng)變計(jì)對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)[20],鋼槽梁標(biāo)準(zhǔn)截面應(yīng)變計(jì)布置如圖7所示。

圖7 鋼槽梁標(biāo)準(zhǔn)截面應(yīng)變計(jì)布置

表6給出了在實(shí)際頂推過(guò)程中各階段的關(guān)鍵截面峰值應(yīng)力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的對(duì)比結(jié)果。由分析可知:本文所建立的橋梁有限元模型得到的應(yīng)力數(shù)值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)值吻合情況良好,最大偏差僅為13.32%,且兩者應(yīng)力峰值所對(duì)應(yīng)的截面均為導(dǎo)梁根部。

表6 頂推過(guò)程關(guān)鍵截面峰值應(yīng)力

分析表6可知,在頂推施工中,頂推長(zhǎng)度為86 m時(shí)實(shí)測(cè)值最大,為134.56 MPa,計(jì)算值為147.15 MPa,誤差為9.36%。實(shí)測(cè)值跟計(jì)算值大致相同且實(shí)測(cè)值相對(duì)計(jì)算值較小,其誤差產(chǎn)生的主要原因是:①焊接工藝的高溫性和復(fù)雜性使主梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了無(wú)法消除的殘余應(yīng)力。②施工現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期存在的風(fēng)荷載。

在橋梁頂推施工過(guò)程中,鋼槽梁自始至終處于運(yùn)動(dòng)狀況,隨著頂推的逐步進(jìn)行其各截面的撓度也在逐漸發(fā)生相應(yīng)變化,故而對(duì)導(dǎo)梁末端的撓度變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)同樣是保障臨時(shí)支架和主梁安全施工的重要控制手段。表7給出了頂推施工過(guò)程中導(dǎo)梁前端到達(dá)臨時(shí)支架并進(jìn)行落梁時(shí)撓度的實(shí)際監(jiān)測(cè)值與有限元模型計(jì)算值的數(shù)值大小與比較。

表7 頂推過(guò)程中主梁結(jié)構(gòu)的最大下?lián)狭?/p>

由表7能夠看出,針對(duì)響堂鋪大橋頂推施工所建立的有限元模型在計(jì)算導(dǎo)梁前端最大撓度方面具有極為良好的精準(zhǔn)性,所得計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值的誤差均不超過(guò)15%。由此可見本模型所得導(dǎo)梁前端撓度數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)際工程施工是具有一定科學(xué)指導(dǎo)意義的。同時(shí)本模型用于判斷導(dǎo)梁落梁方案是否可行,也是較為合理的。

5 結(jié)論

基于響堂鋪2號(hào)大橋的特殊情況,通過(guò)分析兩種方案下鋼槽梁的受力特點(diǎn),結(jié)合有限元模型對(duì)主梁應(yīng)力值及下?lián)狭康挠?jì)算結(jié)果,在施工實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反復(fù)驗(yàn)證后,得出以下結(jié)論。

(1)針對(duì)響堂鋪大橋的落梁施工,由兩種方案分階段組合而成的施工落梁方案更為合理,即第一階段采用一次性落梁,第二階段采用分步式落梁的落梁方案。

(2)在橋梁施工中,基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證后的有限元模型,其誤差能控制在15%以內(nèi)。此種科學(xué)的建模方法,有利于得出結(jié)構(gòu)真實(shí)的應(yīng)力狀態(tài)和撓度狀態(tài),能有效地對(duì)施工方案進(jìn)行對(duì)比設(shè)計(jì),提高工程效率,保障施工的安全平順。

(3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與有限元模擬等手段的充分結(jié)合,最終使得導(dǎo)梁落梁方案達(dá)到最優(yōu),結(jié)構(gòu)應(yīng)力的實(shí)測(cè)值和理論值均可控制在150 MPa以內(nèi),此種分析方法可為今后類似工程提供參考。

(4)在非對(duì)稱式支架落梁中,結(jié)構(gòu)峰值應(yīng)力一般多集中于導(dǎo)梁根部桁架處,頂推時(shí)應(yīng)積極采取實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等應(yīng)力控制措施。