多孔連續(xù)斜交框架橋頂進(jìn)施工過程受力分析

董麗娟

(北京寶嘉恒基礎(chǔ)設(shè)施投資有限公司， 北京 100020)

下穿鐵路框架橋是城市道路與鐵路交叉、鐵路平交道口改造的理想形式[1]。該類橋梁常用的施工方法是頂進(jìn)法，其優(yōu)點(diǎn)是造價低、工期短、不需要中斷交通[2-3]。但是，框架橋頂進(jìn)施工過程中容易出現(xiàn)橋體變形、裂縫與偏位等問題[4]。因此，框架橋結(jié)構(gòu)的受力和變形控制是下穿鐵路框架橋施工的關(guān)鍵。

1957年初，德國首先在奧芬堡市的鐵路線下，頂進(jìn)了寬2.5 m、高2.4 m的盒式鋼筋混凝土框架橋，我國最早采用頂進(jìn)法施工的橋梁是1965年修建的北京永定門地道橋，由于頂進(jìn)法具有造價低、不影響交通等優(yōu)點(diǎn)，受到了市政、公路和鐵路等部門的大力支持。頂進(jìn)法施工工藝也在不斷的改進(jìn)，并逐步向大跨度、多孔連續(xù)、斜交的方向發(fā)展，頂進(jìn)法也由頂入法發(fā)展到對頂法、中繼間法、頂拉法和半頂拉法等[5-6]。近幾年頂進(jìn)施工技術(shù)有了很快的發(fā)展，國內(nèi)外在提高頂進(jìn)精度，改善頂進(jìn)條件、頂進(jìn)方法創(chuàng)新等方面都有不少成果和經(jīng)驗(yàn)[7-8]。但對復(fù)雜條件下框架橋頂進(jìn)施工，尤其是多孔連續(xù)斜交框架橋的研究不多[9-10]，沒有形成系統(tǒng)的支撐技術(shù)，影響了框架橋頂進(jìn)施工的安全和質(zhì)量控制，有時甚至發(fā)生工程事故[11-12]。因此，對大型下穿鐵路多孔連續(xù)斜交框架橋頂進(jìn)施工過程進(jìn)行受力分析顯得格外重要[13-14]。

本文以中關(guān)村科技園區(qū)電子城北擴(kuò)規(guī)劃一路(電子城東路)下穿東北環(huán)線立交橋工程為背景，分析了框架橋頂進(jìn)施工方法及關(guān)鍵工序，在框架橋施工過程受力狀態(tài)分析的基礎(chǔ)上，采用Midas有限元軟件模擬了框架橋的施工過程；梳理了頂進(jìn)施工關(guān)鍵工序的控制方法，指出了該工程項(xiàng)目的施工注意事項(xiàng)。本研究方法對指導(dǎo)框架橋施工、保證框架橋施工安全就位具有很好的參考價值。

1 框架橋頂進(jìn)施工方法及關(guān)鍵工序

頂進(jìn)法的基本工序是：在鐵路路線一側(cè)設(shè)置工作坑(基坑)，坑底預(yù)設(shè)滑板，在滑板上澆筑框架橋主體結(jié)構(gòu)，頂進(jìn)前端通常做成突出的刃角，在主體結(jié)構(gòu)后側(cè)設(shè)置反力設(shè)施，并對鐵路線路進(jìn)行加固[15]，通過千斤頂?shù)软斶M(jìn)設(shè)備對框架橋主體結(jié)構(gòu)施加頂進(jìn)力，將框架橋主體結(jié)構(gòu)頂進(jìn)路基[16]。在頂進(jìn)過程中，通常需要持續(xù)挖除前端刃角處的路基土，最終將框架橋主體結(jié)構(gòu)全部頂進(jìn)路基[17-18]。具體流程如圖1所示。

圖1 頂進(jìn)施工流程圖

為保證框架橋頂進(jìn)施工過程的安全與可靠，給施工過程控制提供有力的支撐數(shù)據(jù)，需要對框架橋主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，通過控制框架橋主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)來保證施工過程中框架橋結(jié)構(gòu)的安全性。

2 框架橋頂進(jìn)施工過程受力行為分析

2.1 結(jié)構(gòu)尺寸及單元類型

北京市中關(guān)村科技園區(qū)電子城北擴(kuò)規(guī)劃一路(電子城東路)下穿東北環(huán)線立交橋工程框架橋結(jié)構(gòu)采用四孔連體式框架結(jié)構(gòu)，凈跨為7.5 m+15 m+15 m+7.5 m，框架橋中心線與東北環(huán)鐵路中心線的夾角為80.2°，框架橋頂板頂面距最低鋼軌底面(東北環(huán)鐵路)的距離為0.8 m?？蚣軜蛉L23.8 m，全寬50 m(框架橋正向投影尺寸)。框架橋結(jié)構(gòu)總高度8.7 m，結(jié)構(gòu)凈高6.6 m，頂板厚1.0 m，底板厚1.1 m，邊中(墻)厚1.0 m，邊孔、中孔頂板加腋尺寸均為0.5 m×1.5 m，底板加腋尺寸為0.2 m×0.2 m，框架橋主體長為15 m(不計(jì)底板補(bǔ)齊段)，其斷面布置及細(xì)部尺寸如圖2所示。

圖2 框架橋斷面布置圖

采用Midas Civil軟件進(jìn)行有限元分析，在建模時，首先以頂板、底板、邊(中)墻中心線建立框架橋的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，然后采用空間厚板單元建立頂板、底板、邊(中)墻單元，在有限元模型中不考慮邊(中)孔頂板加腋和底板加腋。采用自動網(wǎng)格方法來細(xì)化有限元模型的單元尺寸，選定的板單元尺寸為0.5 m×0.5 m，為劃分精細(xì)化的刃角網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分類型為“四邊形+三角形”，細(xì)化后的模型節(jié)點(diǎn)數(shù)量為1 342個，單元數(shù)量為12 391個，精細(xì)化的網(wǎng)格劃分模型如圖3所示。

圖3 框架橋結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格劃分

2.2 計(jì)算參數(shù)的確定

選擇合理的計(jì)算參數(shù)是框架橋有限元分析的關(guān)鍵，結(jié)合本工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)圖紙、地勘和土工試驗(yàn)等資料，確定的材料參數(shù)、土壓力和頂進(jìn)力如下：

1)框架橋主體結(jié)構(gòu)混凝土材料參數(shù)的彈性模量為3.25×104MPa，泊松比為0.2。

2)作用在框架橋邊墻外側(cè)的土體側(cè)壓力采用庫倫主動土壓力理論計(jì)算，其中，填土容重γ=19 KN/m3，土體內(nèi)摩擦角φ=10°，計(jì)算的邊墻土側(cè)壓力分布最大值為40.5K N/m2，土壓力合力為192.5 KN，合理作用點(diǎn)距邊墻下緣3.17 m，土壓力分布如圖4所示。

圖4 邊墻土側(cè)壓力分布圖

3)框架橋頂進(jìn)過程中需要克服主體結(jié)構(gòu)與土層之間的摩阻力和端部刃角的抗力，根據(jù)《城鎮(zhèn)地道橋頂進(jìn)施工及驗(yàn)收規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定，頂進(jìn)的最大推力可按如下公式計(jì)算：

Pmax=K[N1·f1+(N1+N2)·f2+2E·f3+R·A]

(1)

其中：Pmax—最大推力(KN)；N1—橋體頂上荷載(KN)，包括框架橋頂面軌道、線路加固材料的荷載；因框架橋頂板頂面距最低鋼軌底面(東北環(huán)鐵路)的距離為0.8 m，既有鐵路路基坡腳寬度為8 m，按1.5倍自重來考慮線路加固材料荷載，計(jì)算得到N1=8 163.1 KN；f1—框架橋頂面與其上荷載的摩擦系數(shù)，通常根據(jù)頂面潤滑處理情況確定；因框架橋頂面為覆土，故這里采用0.6～0.8；N2—框架橋自重(KN)，該框架橋自重為59 080.7 KN；f2—底板與地基土間的摩擦系數(shù)，通常根據(jù)土的性質(zhì)確定，本項(xiàng)目采用0.6～0.8；E—作用在兩側(cè)邊墻上的土壓力(KN)，由前面計(jì)算可知，土壓力合力為192.5 KN，故E=4 590.1 KN；f3—側(cè)面摩擦系數(shù)，根據(jù)土的性質(zhì)確定，這里選用0.6～0.8；R—鋼刃角正面阻力(KPa)，根據(jù)地質(zhì)情況選用500～550 KPa；A—鋼刃角正面積(m2)；K—安全系數(shù)，一般取1.2。

根據(jù)設(shè)計(jì)文件及施工現(xiàn)場勘察資料，分析框架橋頂進(jìn)施工過程中的受力狀態(tài)變化情況，分別計(jì)算框架橋在滑板上開始頂進(jìn)、框架橋重心即將離開滑板、框架橋頂進(jìn)即將就位三個施工階段，頂進(jìn)力計(jì)算結(jié)果表1所示。在Midas Civil軟件中采用面彈性支承施加底板約束，采用線性壓力荷載施加千斤頂頂進(jìn)力。

表1 頂進(jìn)力計(jì)算結(jié)果

3 計(jì)算假設(shè)

為使有限元模擬更接近于實(shí)際的施工狀況，在有限元模型、材料、邊界條件和荷載等方面做出如下假設(shè)：

1)不考慮頂板與邊(中)板拐角位置的局部加強(qiáng)作用，均按等厚板分析；

2)各構(gòu)件全部為砼截面，不考慮鋼筋的換算截面；

3)底板平面尺寸基本與地道橋軸線對稱，可以認(rèn)為底板摩擦阻力合力與地道橋軸線重合；

4)忽略了混凝土收縮與徐變、溫度等的影響；

5)框架橋在頂進(jìn)過程中遵循“邊頂進(jìn)邊開挖”的原則。為此，不考慮底板前端的被動擋土壓力。

此外，框架橋在頂進(jìn)過程中存在很多不確定性因素，最主要的包含兩大方面：一是框架橋主體結(jié)構(gòu)與周邊土壤或滑板的摩阻力不能精確得到；二是地道橋在頂進(jìn)過程中，不可避免地發(fā)生上下左右偏斜，也就是說“頂進(jìn)糾偏”始終伴隨整個頂進(jìn)施工過程。

4 頂進(jìn)施工過程中的有限元分析

4.1 框架橋在滑板上開始頂進(jìn)施工狀態(tài)分析

根據(jù)框架橋在滑板上開始頂進(jìn)施工時的實(shí)際狀況，在底板上施加面彈性支撐，其中豎向基床系數(shù)為5.0×105KN/m3，水平雙向基床系數(shù)為1.0×105KN/m3；在底板上施加線荷載978.1 KN/m，有限元模型的邊界條件和加載狀況如圖5所示。

圖5 框架橋在滑板上開始頂進(jìn)時的邊界條件和加載狀況

應(yīng)力狀態(tài)如圖6所示。

圖6 框架橋在滑板上開始頂進(jìn)時的應(yīng)力圖

4.2 框架橋重心即將離開滑板施工狀態(tài)分析

根據(jù)框架橋重心即將離開滑板施工時的實(shí)際狀況，由于底板寬為18.773 m，計(jì)算時，底板前端9.773米采用路基中基床系數(shù)，底板后端9 m采用滑板基床系數(shù)；在底板上施加線荷載1 993.2 KN/m來模擬頂進(jìn)力；在頂板前端8 m(鐵路路基地面寬度)范圍內(nèi)施加鐵路線路加固載荷160.9 KN/m；在邊墻前端9 m范圍內(nèi)施加流體壓力荷載來模擬土壓力；有限元模型的邊界條件和加載狀況如圖7所示。

圖7 框架橋重心即將離開滑板時的邊界條件和加載狀況

應(yīng)力狀態(tài)如圖8所示。

圖8 框架橋重心即將離開滑板時的應(yīng)力圖

4.3 框架橋頂進(jìn)即將就位施工狀態(tài)分析

根據(jù)框架橋頂進(jìn)即將就位施工時的實(shí)際狀況，在底板上施加面彈性支撐，其中豎向基床系數(shù)為0.9×104KN/m3，水平雙向基床系數(shù)為4.5×104KN/m3；在底板上施加線荷載1 400.3 KN/m來模擬頂進(jìn)力；在距頂板前端12.5～20.5 m(鐵路路基地面寬度)范圍內(nèi)施加鐵路線路加固載荷160.9 KN/m；在邊墻外側(cè)施加流體壓力荷載來模擬土壓力；有限元模型的邊界條件和加載狀況如圖9所示。

圖9 框架橋頂進(jìn)即將就位時的邊界條件和加載狀況

應(yīng)力狀態(tài)如圖10所示。

圖10 框架橋頂進(jìn)即將就位時的應(yīng)力圖

綜合分析該框架橋頂進(jìn)的三個施工階段，得到框架橋頂板、底板、中墻和邊墻的最大應(yīng)力和最大變形值如表2—表4所示，施工過程中的最大應(yīng)力為13.490 MPa，小于混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值18.4 MPa，表明該施工過程是安全可靠的。

表2 框架橋在滑板上開始頂進(jìn)階段分析結(jié)果

表3 框架橋重心即將離開滑板階段分析結(jié)果

表4 框架橋頂進(jìn)即將就位階段分析結(jié)果

4.4 框架橋頂進(jìn)施工注意事項(xiàng)

根據(jù)框架橋頂進(jìn)施工計(jì)算結(jié)果，為保證框架橋頂進(jìn)施工過程中主體結(jié)構(gòu)的安全，除了計(jì)算出框架橋頂進(jìn)施工過程的應(yīng)力和變形以外，施工過程中還需要采取相應(yīng)的技術(shù)措施，來保證主體結(jié)構(gòu)受力均勻，避免發(fā)生質(zhì)量和安全事故[19]，主要注意事項(xiàng)如下：

1)澆筑底板混凝土?xí)r，要注意使其與工作坑滑板有效隔離，底板表面要盡量光滑、平整，并涂潤滑劑，防止底板與滑板粘連在一起，頂進(jìn)啟動時困難。

2)下穿鐵路立交橋主體混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度100%，防水層及保護(hù)層按設(shè)計(jì)鋪設(shè)良好，并經(jīng)試頂后方可進(jìn)行頂進(jìn)施工。

3)為防止混凝土因收縮而開裂，選擇集料時要求混凝土有最大密實(shí)度，要嚴(yán)格控制用水量，要仔細(xì)搗固，除用振搗器外，在角隅及鋼筋較密處還須用插釬搗實(shí)，要精心養(yǎng)護(hù)，及時澆水，要晚拆模。

4)頂進(jìn)前必須完成各種防護(hù)設(shè)施的施工，頂進(jìn)時控制好頂力和頂進(jìn)方向，在頂進(jìn)過程中做好監(jiān)測工作防止下穿鐵路立交橋“扎頭”、“抬頭”和中線偏移。

5)頂進(jìn)施工時，采取適當(dāng)措施防止鐵路線路橫移。

6)當(dāng)路基表面注漿時，先在路基以外地表進(jìn)行注漿試驗(yàn)，確定地表注漿壓力和注漿率。注漿施工過程中加強(qiáng)監(jiān)測。

7)應(yīng)有效控制頂進(jìn)方向：一是合理的布置頂鎬來保證方向控制的精度；二是頂進(jìn)時利用泵站的分流系統(tǒng)，調(diào)整兩側(cè)頂力，并按具體情況調(diào)整兩側(cè)刃角的吃土量；三是做到隨時頂進(jìn)、隨時測量、隨時調(diào)整。

8)應(yīng)采取有效的測量監(jiān)控措施：一是頂進(jìn)過程中，將不間斷測量監(jiān)控橋體軸線位移和高程變化；二是保持觀測頂柱軸線方向的變形和橫向穩(wěn)定情況，觀測聯(lián)系橫梁著力點(diǎn)附近的變形，確保傳力結(jié)構(gòu)體系工作正常；三是觀測后背變形和受力影響區(qū)內(nèi)土體的裂縫；四是發(fā)現(xiàn)橋體變形和位移時，要立即分析發(fā)生的原因，對頂力系統(tǒng)立即作出相應(yīng)調(diào)整，以確保頂進(jìn)施工安全。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了頂進(jìn)施工工藝流程，分析了頂進(jìn)法施工方案，對工作坑、線路加固、頂進(jìn)設(shè)備以及頂進(jìn)過程等關(guān)鍵工序進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的施工控制措施；采用Midas分析軟件建立了中關(guān)村科技園區(qū)電子城北擴(kuò)規(guī)劃一路(電子城東路)下穿東北環(huán)線立交橋有限元模型，分析了施工各階段的頂進(jìn)力，簡化了各施工階段有限元模型的荷載作用和邊界條件，分別計(jì)算出框架橋在滑板上開始頂進(jìn)、框架橋重心即將離開滑板、框架橋頂進(jìn)即將就位三個施工階段的最大應(yīng)力和最大變形，結(jié)果表明該框架橋施工過程中是安全可靠的。并在頂進(jìn)法施工過程受力分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)提出了框架橋頂進(jìn)施工過程中保證主體結(jié)構(gòu)受力均勻，避免發(fā)生質(zhì)量和安全事故的注意事項(xiàng)。本文對中關(guān)村科技園區(qū)電子城北擴(kuò)規(guī)劃一路(電子城東路)下穿東北環(huán)線立交橋的施工起到了很好的指導(dǎo)作用，同時為同類工程項(xiàng)目的施工過程受力行為分析和施工質(zhì)量控制提供了參考依據(jù)，具有很強(qiáng)的實(shí)用和推廣價值。