簡(jiǎn)支鋼桁架橋頂推法施工計(jì)算

李建剛 王桂智 蔣文志 孫云翰

(江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127)

0 引言

跨河橋梁建設(shè)中，對(duì)于城鎮(zhèn)密集的橋位處，為減少橋梁建設(shè)對(duì)河道附近城鎮(zhèn)的影響，并縮短橋梁落地接線長(zhǎng)度，簡(jiǎn)支鋼桁架橋受到設(shè)計(jì)者的青睞。鋼桁架橋施工工藝主要有：支架施工、吊裝施工、頂推施工，對(duì)于橋下有通航、行車以及橋下無法搭設(shè)支架的特殊橋位地理位置有不可替代的作用。隨著近年施工裝備、材料的進(jìn)步，頂推施工技術(shù)在鋼桁架施工中得到了廣泛應(yīng)用。頂推施工技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展始于二十世紀(jì)七八十年代，初始在PC梁橋使用較多，后經(jīng)眾多橋梁建設(shè)者的推廣，在不同結(jié)構(gòu)、材料形式的橋梁結(jié)構(gòu)中均有見其身影。早期頂推施工采用卷?yè)P(yáng)機(jī)滑車組進(jìn)行縱向拖拉得以實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)代頂推法施工中用千斤頂取代了傳統(tǒng)的卷?yè)P(yáng)機(jī)滑車組，用板式滑動(dòng)裝置取代滾筒，無論是從頂推精度上還是頂推能力上都得到了很大的提高[1]。現(xiàn)存文獻(xiàn)中，對(duì)鋼桁架頂推施工研究主要集中在頂推工藝方面，對(duì)于頂推施工過程中，結(jié)構(gòu)受力規(guī)律較少涉及，本文結(jié)合實(shí)際工程，介紹了頂推系統(tǒng)的各個(gè)組成部分，并通過有限元分析程序分析論述鋼桁架在頂推施工中桁架桿件受力性能。

1 工程概況

本工程為國(guó)內(nèi)某Ⅲ級(jí)航道上的一座跨河橋梁。主橋采用簡(jiǎn)支鋼桁架梁結(jié)構(gòu)，橋梁總長(zhǎng)80.42 m，計(jì)算跨徑為79.32 m；主桁采用帶豎桿三角形桁架體系，節(jié)間長(zhǎng)度6.61 m；橫向布置兩片主桁，中心間距11.2 m；主桁上、下弦桿、端斜桿截面為箱型，其余桿件截面均為H型；桁架桿件通過高強(qiáng)螺栓現(xiàn)場(chǎng)拼裝；橋面板采用預(yù)制鋼筋混凝土板，成橋后安裝。

主桁立面見圖1。

應(yīng)當(dāng)?shù)睾降啦块T的要求，施工期間橋下不斷航，且通航凈寬不小于30 m；而且該橋位處大型浮吊船不便進(jìn)出，如果采用搭設(shè)支架及浮拖頂推對(duì)橋下通航影響較大；綜合上述因素，最終決定采用鋼導(dǎo)梁頂推施工工藝。

2 支撐系統(tǒng)及頂推系統(tǒng)

鋼導(dǎo)梁頂推系統(tǒng)主要由支撐系統(tǒng)、頂推系統(tǒng)，以及導(dǎo)梁組成。支撐系統(tǒng)主要承受結(jié)構(gòu)上部荷載，并兼做施工操作平臺(tái)且承受施工階段荷載，其布置需要綜合考慮頂推作業(yè)空間、桁架桿件吊裝作業(yè)時(shí)所需的吊裝空間、結(jié)構(gòu)桿件堆放空間；頂推系統(tǒng)需要根據(jù)所需頂推力大小合理選擇；導(dǎo)梁可根據(jù)頂推最大懸臂跨徑而定，頂推跨徑較小時(shí)，可采用加強(qiáng)型工字鋼作為頂推導(dǎo)梁；當(dāng)頂推跨徑較大時(shí)，導(dǎo)梁可采用桁架式。

2.1 支撐系統(tǒng)

支撐系統(tǒng)主要由臨時(shí)墩、墩頂橫梁、滑道組成，其布置需要根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)確定，本項(xiàng)目受限于河道兩側(cè)地理位置的影響，采用圖2,圖3的布置形式。桁架拼裝區(qū)及主橋承臺(tái)上設(shè)置格構(gòu)式臨時(shí)支墩，臨河側(cè)設(shè)置直徑600 mm、間距5 m鋼管排架墩；橫梁擱置于臨時(shí)墩頂，其中主墩承臺(tái)的臨時(shí)墩頂橫梁采用3 拼Ⅰ56b工字鋼，其余支墩橫梁采用雙拼Ⅰ56b工字鋼；在橫梁上布置縱向拖拉滑道，滑道采用5拼Ⅰ56b工字鋼組焊而成。

2.2 頂推系統(tǒng)

該鋼桁架頂推滑移為縱向滑移，其動(dòng)力系統(tǒng)采用2臺(tái)ZLD200連續(xù)頂推千斤頂頂推滑移前進(jìn)，在縱向滑道上桁架大節(jié)點(diǎn)下方設(shè)置滑靴承重；全橋頂推總重603 t，頂推摩阻力計(jì)算值為90.5 t(H=K×G×μ+G×I=1.5×603×0.1)[2,3]，牽引拉索采用2束6φs15.2鋼絞線(每主桁側(cè)各一束)，其0.5倍抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為156.2 t，滿足頂推滑移要求。

頂推系統(tǒng)布置詳見圖4。

2.3 鋼導(dǎo)梁及其連接

鋼導(dǎo)梁采用長(zhǎng)22 m工字形變高截面，材料為Q345b；導(dǎo)梁前端梁高1 686 mm、根部梁高3 062 mm，腹板厚20 mm、上下翼緣板厚40 mm，其寬度為400 mm；鋼導(dǎo)梁與鋼桁架端部E0節(jié)點(diǎn)板采用栓焊組合連接，其連接形式如圖5所示。

3 計(jì)算分析

3.1 頂推方案及建模

受限于施工場(chǎng)地限制，在橋位位置處，沒有足夠的安裝空間，支撐系統(tǒng)一次只能提供結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度50 m以內(nèi)的安裝平臺(tái)；故全橋共分三次拼裝，三次頂推完成，具體施工步驟及內(nèi)容見表1。

表1 頂推施工步驟及內(nèi)容

全橋施工過程計(jì)算采用有限元計(jì)算軟件MIDAS/Civil建立鋼桁架空間桿系模型進(jìn)行施工過程分析，其中，導(dǎo)梁及鋼桁架單元采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，全部模型離散為396個(gè)單元、310個(gè)節(jié)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖6。在實(shí)際頂推施工中，結(jié)構(gòu)的支撐點(diǎn)設(shè)置在頂推側(cè)主桁大節(jié)點(diǎn)下，支撐實(shí)際采用設(shè)置于大節(jié)點(diǎn)下的滑靴模擬；頂推時(shí)，結(jié)構(gòu)通過滑靴在導(dǎo)梁上前行滑移。

3.2 主桁應(yīng)力

針對(duì)施工過程中結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，主要對(duì)桁架桿件應(yīng)力以及桁架在支撐系統(tǒng)中的支反力情況作了具體分析，其計(jì)算結(jié)果及圖示見表2。表2中列出了具有代表性的各施工階段桁架最大拉、壓應(yīng)力值，并示意出最大拉、壓應(yīng)力對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)組成及支撐反力方向。

表2 施工階段桁架應(yīng)力 MPa

根據(jù)計(jì)算分析得知，桁架在頂推施工過程中，結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力均較小，最大壓應(yīng)力為102.3 MPa、最大拉應(yīng)力為100.5 MPa，均小于容許應(yīng)力[σw]=210 MPa，滿足結(jié)構(gòu)施工過程中的受力要求。而在頂推過程中，局部大節(jié)點(diǎn)支撐位置處會(huì)出現(xiàn)負(fù)反力，這與結(jié)構(gòu)在頂推過程中受力形式及支撐點(diǎn)位置的設(shè)置相關(guān)。

頂推施工過程中，鋼桁架受力主要分三個(gè)階段：導(dǎo)梁懸臂階段、導(dǎo)梁到達(dá)對(duì)岸支架階段、鋼桁架到達(dá)對(duì)岸支架階段。

3.2.1導(dǎo)梁懸臂階段

第一次拼裝到第二次頂推結(jié)束之前，鋼導(dǎo)梁均處于懸臂狀態(tài)，在這個(gè)階段中，導(dǎo)梁與桁架端節(jié)點(diǎn)板(E0節(jié)點(diǎn)板)連接處，桿件受力較為復(fù)雜。在端節(jié)點(diǎn)處，下弦桿壓應(yīng)力較大，其值在100 MPa左右；端斜桿主要受拉，其拉應(yīng)力值在80 MPa左右；桁架的其余位置處，桿件拉、壓應(yīng)力較小，其值均在20 MPa左右。

3.2.2導(dǎo)梁到達(dá)對(duì)岸支架階段

當(dāng)導(dǎo)梁到達(dá)對(duì)岸支架且擱置在支架上時(shí)(非懸臂狀態(tài))，受結(jié)構(gòu)約束體系的改變，桁架構(gòu)件拉、壓應(yīng)力明顯減小。在這個(gè)階段的頂推施工過程中，結(jié)構(gòu)桿件最大拉、壓應(yīng)力出現(xiàn)的位置隨著約束位置的改變而改變。在這個(gè)階段，導(dǎo)梁與桁架連接處(E0節(jié)點(diǎn))，桁架桿件主要受拉，當(dāng)桁架端節(jié)點(diǎn)到達(dá)對(duì)岸支架但未擱置在支架上時(shí)，E0節(jié)點(diǎn)處下弦桿拉應(yīng)力達(dá)到最大，為100 MPa左右；而在頂推端，靠河側(cè)滑靴支撐處，桁架斜腹桿壓應(yīng)力較大，其值在50 MPa左右，在桁架其余位置處，桿件應(yīng)力均較小。

在這個(gè)階段中，部分頂推滑移支座位置處，支撐反力出現(xiàn)了拉力，最大拉力為81 kN，拉力可能會(huì)使頂推滑靴與桁架下弦脫空；為避免頂推滑移支座與桁架節(jié)點(diǎn)脫空，可在桁架相應(yīng)位置設(shè)置與其拉力等值的配重。

3.2.3鋼桁架到達(dá)對(duì)岸支架階段

這個(gè)階段，桁架結(jié)構(gòu)約束體系為一個(gè)連續(xù)鋼桁架梁結(jié)構(gòu)，受到多支點(diǎn)約束，桿件內(nèi)力均較小。在這個(gè)階段中，桁架桿件拉、壓應(yīng)力均小于50 MPa。

3.3 鋼導(dǎo)梁應(yīng)力

導(dǎo)梁主要作用是減少頂推懸臂跨徑，并在結(jié)構(gòu)成型前起到傳遞荷載作用，通過計(jì)算分析可知，鋼導(dǎo)梁在整個(gè)施工過程中受力均較小。最大懸臂時(shí)，導(dǎo)梁拉、壓應(yīng)力均為20.1 MPa；導(dǎo)梁處于對(duì)岸支架上且受支撐作用時(shí)，導(dǎo)梁的最大拉、壓應(yīng)力均為20.5 MPa。在整個(gè)施工過程中，導(dǎo)梁應(yīng)力均小于容許應(yīng)力[σw]=140 MPa。

4 結(jié)語

在有通航要求的河道中，鋼桁架橋頂推滑移施工可以有效減少對(duì)河道通航的影響；頂推施工過程中，部分桿件拉壓應(yīng)力交替出現(xiàn)，但桁架桿件應(yīng)力均較小，結(jié)構(gòu)受力較為合理；在頂推至最大懸臂過程中，頂推側(cè)部分滑靴支撐處會(huì)出現(xiàn)負(fù)反力情況，為避免支座脫空對(duì)結(jié)構(gòu)施工產(chǎn)生不利影響，可在相應(yīng)位置增設(shè)配重。