大跨鋼箱拱橋整體頂推施工順序優(yōu)化研究

王美男，馬華軍

（1.臺州科技職業(yè)學(xué)院，浙江 臺州 318020；2.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州 甘肅 737000）

頂推施工技術(shù)自1959 年奧地利Ager 橋[1]應(yīng)用誕生以來，在世界得到廣泛應(yīng)用。對于梁拱組合橋的頂推施工，傳統(tǒng)的施工工藝以“先梁后拱”為主，即先將梁頂推至橋位，再于梁上施工拱結(jié)構(gòu)。該方法優(yōu)勢是技術(shù)相對成熟，但其也具有明顯缺點(diǎn)，即工期較長。隨著施工設(shè)備的完善和技術(shù)的不斷發(fā)展，梁拱施工完成后頂推至橋位的整體式頂推施工工藝已經(jīng)開始在工程中應(yīng)用。由于該工藝應(yīng)用較少，施工過程中存在的一些問題還需進(jìn)一步探索與研究。本文以京雄城際鐵路112.5m 簡支鋼箱拱為工程背景，討論整體頂推過程中拱肋拼裝支架受力問題，提出一種新思路。

1 工程概況

京雄城際鐵路112.5m 簡支鋼箱拱橋，橫跨65m的京開高速公路及輔路。鋼箱拱橋如圖1所示。

圖1 112.5m雙線簡支鋼箱拱橋圖（單位：cm）

2 施工方案

112.5m 雙線簡支鋼箱拱先在引橋處進(jìn)行拼裝主梁和橋面系的拼裝。主梁和橋面系的拼裝完成后，搭設(shè)拱肋拼裝支架開始安裝鋼箱拱。接著全橋縱向頂推至主橋橋墩處。施工過程示意圖如圖2 所示。

圖2 頂推過程示意圖

3 拱肋拼裝支架

拱肋拼裝支架在拱肋拼裝完畢后并未拆除，隨著頂推過程的進(jìn)行，拱肋支架起到鏈接拱肋和縱梁的作用。本橋拱肋拼裝支架有鋼管立柱和墊座組成，其布置圖如圖3、圖4所示。

圖3 拱間臨時(shí)支撐總體布置圖

圖4 拱間支撐示意圖

整體頂推施工過程中，拱肋拼裝支架除在拱肋拼裝中起支撐作用外，在整體頂推過程中一般不進(jìn)行拆除，而是起著連接縱梁與拱肋的關(guān)鍵作用。本背景橋拱肋拼裝支架與主縱梁的連接方式為焊接，實(shí)際連接如圖5、圖6所示。

圖5 拼裝支架頂部連接

圖6 拼裝支架底部連接

整體頂推施工一般均采用步履式多點(diǎn)頂推，頂推過程橋梁支點(diǎn)不斷發(fā)生變化，拱肋拼裝支架作為連接構(gòu)件，其受力復(fù)雜，鋼結(jié)構(gòu)焊縫是否出現(xiàn)應(yīng)力超限需單獨(dú)驗(yàn)算。在本橋中，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范焊縫強(qiáng)度相關(guān)內(nèi)容，全熔透對接焊縫或?qū)优c角接組合焊縫應(yīng)按下列規(guī)定進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。

在對接和T 形連接中，垂直于軸心拉力或軸心壓力的對接焊縫或?qū)优c角接組合焊縫，其強(qiáng)度如下

式中N——軸心拉力或軸心壓力，N；

lw——焊縫長度，mm；

he——對接焊縫的計(jì)算厚度，在對接連接節(jié)點(diǎn)中取連接件的較小厚度，在T 形連接節(jié)點(diǎn)中取腹板的厚度，mm；

將墊座處焊縫相關(guān)數(shù)值代入計(jì)算可得焊縫可承受最大拉力378kN。

對全橋建立有限元模型，可得出支撐在不同頂推距離下的受力情況。該橋頂推過程中各工況支撐所受最大軸力出現(xiàn)在頂進(jìn)距離為40.1m 時(shí)，支撐頂部受力如圖7 所示，最大拉力為401kN，已超過焊縫強(qiáng)度限值，墊座與拱肋間連接可能斷開，影響結(jié)構(gòu)安全。

圖7 不安裝吊桿頂進(jìn)40.1m時(shí)拱肋拼裝支架頂部軸力

整體頂推過程由于支點(diǎn)不斷變化，多次超靜定結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)構(gòu)件受力拉壓交替的情況，有限元軟件進(jìn)行分析，可以起到良好的預(yù)判作用。對于頂推過程可能出現(xiàn)的焊縫拉裂，筆者建議通過先安裝并張拉吊桿的方式解決。吊桿的安裝與張拉可有效減小拱肋拼裝支架所受的拉力，但由于超靜定次數(shù)高，體系復(fù)雜，吊桿張拉力大小仍需進(jìn)行迭代計(jì)算。

下面對拱肋拼裝支架編號，討論施加吊桿初拉力大小對支撐所受軸力的影響。自線路方向小里程側(cè)至大里程側(cè)，左側(cè)依此為A～H，右側(cè)依此為A′～H′。每個(gè)支撐架4 根鋼管自左上順時(shí)針依次為1～4，編號示意如圖8 所示。將不同初張力下各支架頂部軸力整理至表1。鑒于篇幅有限，此處僅列舉了線路拉力大于100kN 的部分鋼管。

圖8 拱肋拼裝支架編號圖

由表1 可以得出如下結(jié)論。

表1 線路左側(cè)不同初張力拱間支撐軸力表 (kN)

1）隨著吊桿安裝并逐漸加大初張力，A、B、C、D 支撐表現(xiàn)為1、4 鋼管拉力減小，2、3 鋼管拉力增大。E、F、H支撐表現(xiàn)為2、3 鋼管拉力減小，1、4 鋼管拉力增大。對于G 支撐，無明顯規(guī)律。

2）對于大部分鋼管，未安裝吊桿及安裝并張拉50kN、100kN、150kN、200kN 時(shí)的拉力峰值隨著初張力的增大而減小，但在150kN 處出現(xiàn)拐點(diǎn)，繼續(xù)加大初張力支撐所受拉力值再次增大。

鑒于此，考慮將150kN 設(shè)為目標(biāo)索力，并以此確定施工索力指導(dǎo)施工。此目標(biāo)索力在實(shí)際工程中得到采用并取得較好效果，頂推過程支撐頂部焊縫未被拉壞，保證了頂推的順利進(jìn)行。

4 結(jié)語

整體頂推過程中，拱肋拼裝支架作為主要受力構(gòu)件，其在多次超靜定下，受力十分復(fù)雜，鋼結(jié)構(gòu)焊接焊縫強(qiáng)度難以保證。鑒于此，筆者提出先安裝并張拉吊桿以降低焊縫拉力的施工方法，并通過有限元軟件midas civil 正裝迭代分析，得出最佳初張力150kN 并以此為目標(biāo)索力施工，該方法得到施工單位認(rèn)可，在實(shí)際工程中取得良好效果，可為后續(xù)同類橋型施工提供參考與借鑒。