橋梁頂推施工導梁屈曲分析及加固措施研究

時曉曄， 梁 巖， 萬德坤， 陳 淮， 方磊磊

(1.鄭州大學 土木工程學院, 河南 鄭州 450001；2.光山縣交通運輸局, 河南 信陽 465450)

0 引言

頂推法在梁橋頂推施工中設置了鋼導梁和臨時墩，改善了梁體在頂推過程中的受力情況[1-3]。按照頂推設備數(shù)量，頂推法[4-5]可分為單點頂推和多點頂推，其中多點頂推可減少梁體對橋墩的水平作用力，無須大型頂推設備，還能有效控制梁體的偏離[6]，因此鋼箱梁橋多采用多點同步步履式施工方法。導梁是臨時輔助性結構，能適當減少梁體懸臂長度，降低主梁在懸臂狀態(tài)下的最大負彎矩值[7-8]。此外，頂推過程中導梁與鋼箱梁共同作用，其長度、高度及截面形式等都會對鋼箱梁受力造成較大的影響[9-11]。因此，選擇合適的導梁結構形式不僅能有效減少鋼箱梁在施工過程中的受力，還能在保證施工質量與安全的基礎上節(jié)約成本[12]。本文以某實際大跨鋼箱梁橋主梁頂推施工為工程實例，研究大跨鋼箱梁頂推施工導梁的穩(wěn)定性及加固措施。

1 工程概況

該橋位于某雙向4車道二級公路，主跨采用跨度70 m的鋼箱梁，重953 t(不含壓重混凝土及鋪裝層重量)。下方是車流量較大的高速公路，根據(jù)高速公路管理規(guī)定，不能采用車輛限流或封閉高速公路等措施。為了確保橋梁施工過程安全，采用端部連接工字型鋼導梁的方案對主梁進行頂推施工。

主橋為單箱4室截面的簡支鋼箱梁橋，頂板設置雙向2%橫坡，底板水平，中心處梁高3.4 m，采用智能三維千斤頂調整系統(tǒng)進行多點頂推施工，其立面布置圖如圖1所示。導梁采用Q345B鋼板制造，分節(jié)段拼裝，整體頂推，頂推過程中將導梁進行分段切割拆除。導梁由2片變截面工字型主梁組成，2片主梁之間有3片圓管組成的橫梁作為橫向聯(lián)系，使導梁形成一個整體，用以提高導梁的整體穩(wěn)定性。

圖1 頂推施工立面布置圖(mm)Figure 1 Elevation layout of jacking construction (mm)

在頂推支架的分配梁上安裝好智能三維千斤頂調整系統(tǒng)裝置，頂推時通過控制系統(tǒng)使千斤頂伸缸到設定活塞行程，將整個鋼箱梁頂起，離開墊梁一段距離；然后通過控制系統(tǒng)同步控制頂推千斤頂伸缸，推動千斤頂在底座滑移槽中向前移動至設定好的活塞行程位置，完成鋼箱梁推移；當鋼梁移動系統(tǒng)設定的位移量后，通過控制系統(tǒng)頂升千斤頂縮缸到設定回程，使鋼箱梁落在墊梁上，千斤頂收缸回程到原始狀態(tài)，完成一個行程頂推。

當導梁根部頂推到支架(D1)時，現(xiàn)場工作人員發(fā)現(xiàn)頂推設備數(shù)據(jù)異常，觀察到導梁有局部失穩(wěn)現(xiàn)象，如圖2所示。導梁局部失穩(wěn)后立即停止頂推施工并落梁。若繼續(xù)頂推，則會造成導梁失穩(wěn)范圍增大，整體頂推系統(tǒng)可能發(fā)生突然傾覆，阻斷高速運營，造成重大交通安全事故。落梁后鋼箱梁重量作用于D2、D3及D4墩。經(jīng)核查，導梁與鋼箱梁焊接牢靠，連續(xù)觀察2 h，導梁未發(fā)生進一步變形。對頂推支架、箱梁及導梁其他部位仔細檢查，各頂推支架(D1～D6)的現(xiàn)場監(jiān)測表明，頂推支架頂部位移及底部應力均變化正常，箱梁及導梁其他部位均無異常情況，初步判斷目前導梁結構整體狀態(tài)基本穩(wěn)定。

圖2 導梁失穩(wěn)工況Figure 2 Instability condition of the guide beam

經(jīng)現(xiàn)場方案論證，可選兩種加固方案：①退梁，導梁前端退出高速行車邊界，進行導梁加固；②基于目前穩(wěn)定狀態(tài)，為避免鋼箱梁縱坡及支架標高誤差引起落梁后導梁產(chǎn)生附加內(nèi)力，D2支架起頂一定高度，并墊高臨時支座后再次落梁，由于導梁失穩(wěn)范圍較小，導梁除自重外仍有一定承載能力，可在導梁失穩(wěn)部位局部加固。經(jīng)專家論證，采用方案2，加固時采用封閉掛籃提供作業(yè)面，但需保障掛籃底面不能侵入高速通車凈空，另外加固過程中需實時監(jiān)測導梁變形，加固方案需進一步計算分析。

2 導梁失穩(wěn)屈曲分析

2.1 導梁有限元模型

在橋梁頂推過程中，主梁的受力隨頂推的進行不斷發(fā)生改變，導梁失穩(wěn)是由于變截面處所承受的彎矩過大引起，根據(jù)施工全過程受力分析，當鋼導梁前段達到D1墩，導梁前端荷載突然增大，變截面承受最大彎矩，此時為最不利狀態(tài)。為模擬此處變形，在有限元軟件ABAQUS中將整個導梁模型進行適當簡化，對導梁建立平面計算模型，取三維殼模型模擬導梁實例，按照詳細尺寸建模，腹板厚度為14 mm，頂、底板厚度為24 mm，豎向加勁板與橫向加勁板厚度均為12 mm，其他詳細尺寸如圖2所示。結構部件單元為S4R，導梁端部A-A′截面固結，根據(jù)導梁重量換算荷載，在導梁底部與D1臨時墩頂部接觸位置簡化為一個沿豎向方向的集中力F=8×105kN以及一個彎矩M=4×106kN·m，荷載作用位置B點距導梁端部A點5 m，如圖3所示。

圖3 導梁有限元模型(mm)Figure 3 Guide beam finite element model (mm)

2.2 屈曲失穩(wěn)分析

在上述荷載作用下進行屈曲特征值分析，由于第1階失穩(wěn)模態(tài)特征值可近似表示導梁發(fā)生屈曲時的臨界模態(tài)，提取導梁第1階屈曲模態(tài)和3-3截面處變形圖如圖4(a)、4(b)所示，圖4(c)是頂推施工完成后，對失穩(wěn)斷面切割測量失穩(wěn)變形量所繪制的截面變形圖。對比圖4(c)和4(b)可以看出，兩者變形形狀相似且趨勢十分接近，這也從側面證明了本文所建立計算模型的正確性。

圖4 導梁變形圖Figure 4 Guide beam deformation diagram

2.3 導梁加固方案

對鋼導梁進行加固一般有增加縱向加勁肋、豎向加勁肋和斜向加勁肋3種方法，但導梁主要由腹板和翼緣板組成，若采用斜向加固方案，腹板加勁肋在中翼緣板位置處需要打斷，施工復雜且可操作性不強。結合現(xiàn)場情況及施工可行性，初步選定4種加固方案，如圖5所示。方案1是在R1節(jié)段1-1截面處(見圖2)加一層縱向加勁肋，高度與R2節(jié)段處縱向加勁肋平齊；方案2是在方案1的基礎上，在1-1截面上方0.5 m處2-2截面位置再加一層縱向加勁肋；方案3是在方案1的基礎上，另外在3-3截面和4-4截面設置兩列豎向加勁肋；方案4是在方案2的基礎上，另外在3-3截面和4-4截面設置兩列豎向加勁肋。以上所有加勁肋板厚均為12 mm，詳細截面尺寸圖如圖2所示。對4種方案進行失穩(wěn)屈曲分析，得到加固模型與原模型的1階失穩(wěn)特征值對比，見表1，其中優(yōu)化效果指各方案第1階特征值較原模型的增大幅度。

圖5 原模型與加固模型對比Figure 5 Comparison of the original model and reinforced model

由表1可知，4種方案對導梁穩(wěn)定性改善均有一定效果，其中方案2、3、4改進效果較為明顯，穩(wěn)定性分別增長了63.8%、26.0%、93.5%。

表1 各方案第1階失穩(wěn)分析Table 1 First order eigenvalue analysis table for each scheme

提取4種導梁加固方案的第1階失穩(wěn)模態(tài)圖(圖6)，以及3-3處截面變形圖(圖7)。分析計算結果可知，方案1的1階失穩(wěn)模態(tài)屈曲最為明顯，方案3次之，方案2和方案4屈曲變形最小。此外，由3-3處截面變形可以看出，方案1和方案4屈曲失穩(wěn)變形較大，方案2和方案3導梁截面幾乎沒有發(fā)生失穩(wěn)變形。根據(jù)現(xiàn)場施工情況，方案2既能滿足穩(wěn)定性要求，又能較快地完成加固施工，可選擇方案2為加固方案。

圖6 1階失穩(wěn)模態(tài)對比Figure 6 First-order modal of each scheme

圖7 截面變形圖(3-3截面)Figure 7 Section deformation (3-3 section)

為了進一步分析4種方案對導梁的加固效果，使用有限元軟件ABAQUS對導梁原始模型以及4種加固方案模型進行力學性能分析，原始模型應力計算結果如圖8(a)所示，原方案與加固模型計算結果對比如圖8(b)所示。對比原始模型與4種加固方案的應力計算結果，可以看出方案2、3、4對應的應力均有所改善，而方案1局部位置應力改善效果不佳。參考失穩(wěn)模態(tài)計算結果和現(xiàn)場施工情況，最終選用方案2為實際導梁加固方案。

圖8 導梁應力計算結果Figure 8 Calculation results of guide beam stress

采取方案2進行現(xiàn)場補焊加固后，繼續(xù)進行頂推作業(yè)并實施監(jiān)控，施工過程中未發(fā)現(xiàn)異常情況。如圖9所示，頂推施工完成后，對失穩(wěn)斷面切割測量失穩(wěn)變形量，對比加固前變形量可知，加固后導梁失穩(wěn)部位未發(fā)生進一步變形，加固效果較好。

圖9 加固前后截面變形Figure 9 Section deformation before and after reinforcement

3 結論

(1)鑒于頂推施工過程的復雜性和不確定性，需對頂推施工過程進行實時監(jiān)測，出現(xiàn)異常情況時應及時落梁，并考慮結構縱坡引起的支架受力的不平衡性。

(2)鋼導梁受彎局部失穩(wěn)加固方法，縱向加勁肋優(yōu)于豎向加勁肋的效果，結合現(xiàn)場結構實際受力情況，可優(yōu)先選用縱向加勁肋加固。

(3)兩層縱向加勁肋優(yōu)于一層縱向加勁肋的加固效果，根據(jù)現(xiàn)場施工和結構受力情況，綜合考慮經(jīng)濟與安全方面，可優(yōu)先選擇兩層縱向加勁肋對導梁結構進行加固。