步履式頂推曲線鋼箱梁橋傾覆穩(wěn)定性研究

余 滿，吳大俊，唐益軍，李雪紅

(1. 江蘇寧滬高速公路股份有限公司，南京 210049； 2. 南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 211816)

與傳統(tǒng)頂推法的拖拉方式不同，步履式頂推施工是通過一套液壓千斤頂設(shè)備來進(jìn)行梁體的連續(xù)式頂推。其優(yōu)勢在于由液壓電器控制并集頂升、平移和橫向調(diào)整于一體，精度和同步性能得到較好控制；能夠控制墩頂所受水平力；豎向調(diào)整較方便；當(dāng)箱梁局部應(yīng)力超過限度時，可通過調(diào)整豎向千斤頂?shù)纳炜s量控制各個支點(diǎn)反力。橋梁步履式頂推施工工藝也因其高效可靠且對橋下設(shè)施影響較小等優(yōu)點(diǎn)在橋梁施工中逐步應(yīng)用，但由于該工藝尚處于應(yīng)用初期階段，在施工中的傾覆穩(wěn)定性研究尚不充分。對于曲線形鋼箱梁橋，由于其自重輕、曲率大等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在采用步履式頂推施工時，其傾覆穩(wěn)定性問題尤為突出，有必要開展工程分析及控制技術(shù)研究，避免相關(guān)事故發(fā)生。步履式頂推系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

(a) 頂升

黃志華[1]通過對某鋼箱梁頂推施工工藝的總結(jié)，得出步履式頂推法具有安全靈活、高效便捷并且控制要求高等特點(diǎn)。謝福君等[2]結(jié)合某鋼箱自錨式懸索橋，分析導(dǎo)梁各設(shè)計參數(shù)對頂推受力及變形的影響，結(jié)果表明導(dǎo)梁的長度及其平均線重度對頂推受力及變形的影響較大。李懷雷[3]以實(shí)際工程為基礎(chǔ)，分析影響彎橋頂推施工中梁體內(nèi)外側(cè)位移不同以及梁中線偏移等問題的影響因素，并提出千斤頂糾偏的具體解決措施。已有研究主要著眼于頂推施工工藝分析，而對步履式頂推施工過程中傾覆穩(wěn)定性問題研究尚不充分。

針對曲線鋼箱梁橋的步履式頂推施工過程，研究結(jié)構(gòu)主要參數(shù)及主要影響因素對傾覆穩(wěn)定性的影響規(guī)律，歸納相關(guān)控制方法，并提出量化控制標(biāo)準(zhǔn)用于指導(dǎo)工程的施工控制。

1 研究對象和內(nèi)容

已有研究表明[4]，影響橋梁傾覆穩(wěn)定性的主要因素包含支點(diǎn)脫空、支點(diǎn)縱橫向間距以及軸線偏移等。曲線鋼箱梁橋布置示意如圖2所示，以4×40 m 跨徑曲線鋼箱梁橋?yàn)檠芯繉ο?，該橋采用單箱雙室閉合截面，橋梁頂板寬為13 m，底板寬為9.2 m，懸臂長為1.9 m，曲率半徑為400 m。針對各影響因素進(jìn)行系統(tǒng)分析，其中結(jié)合支點(diǎn)所在截面分別考慮1-1、2-2、3-3和4-4截面內(nèi)外側(cè)支座分別脫空；支點(diǎn)橫向間距的確定與橋?qū)捪嚓P(guān)聯(lián)，主要考慮B/2、7B/12、2B/3、5B/6、B(B為橋?qū)?情況下的5種工況；支點(diǎn)縱向間距的選取與跨徑相結(jié)合，主要考慮L/6、L/3、L/2、2L/3(L為跨徑)情況下的4種工況；軸線偏移結(jié)合施工過程中的控制標(biāo)準(zhǔn)，主要考慮0 cm、5 cm和10 cm的3種偏移量。此外為使分析結(jié)果具有普適性，還應(yīng)考慮不同橋梁設(shè)計參數(shù)，曲率半徑具體參考《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2014)[5]，分別考慮100 m、150 m、200 m、400 m和600 m 的5種尺寸，頂推長度結(jié)合工程實(shí)際情況及施工設(shè)備，主要考慮40 m、80 m和120 m情況下的3種工況，橋?qū)捴饕紤]單車道、雙車道和三車道情況下的3種工況，即橋?qū)挿謩e為8.4 m、13 m和17.6 m。

圖2 曲線鋼箱梁橋布置示意

2 穩(wěn)定性計算方法及有限元模型

2.1 傾覆穩(wěn)定性計算方法

橋梁傾覆過程復(fù)雜，一般認(rèn)為支座失效或脫空是傾覆的開始。曲線梁橋在彎-扭耦合效應(yīng)下，外側(cè)支座反力變大，內(nèi)側(cè)反力變小甚至出現(xiàn)負(fù)反力。根據(jù)梁體在靜止情況下力和力矩的平衡狀態(tài)，荷載產(chǎn)生的作用力大小等于所有支座反力之和，荷載產(chǎn)生的扭矩在數(shù)值上等于支座反力產(chǎn)生的扭矩。因此荷載的作用力相對于偏離梁體中心線距離為e的位置產(chǎn)生一個大小為F的總荷載，截面示意如圖3所示，可得計算公式：

(1)

式中，e為荷載的偏心距；F內(nèi)、F外分別為內(nèi)側(cè)和外側(cè)支座的支座反力；e內(nèi)、e外分別為內(nèi)側(cè)和外側(cè)支座與梁體中心線的距離。

橫向傾覆穩(wěn)定系數(shù)(以下簡稱穩(wěn)定系數(shù))可定義為[6]：k=e外/e，其中k的容許值取2.5[7]。當(dāng)k=e外/e且k>2.5時，表明橫向傾覆穩(wěn)定性滿足要求。

圖3 截面示意

2.2 有限元模型

借助有限元分析軟件MIDAS Civil建立鋼箱梁模型，分析頂推過程中各階段鋼箱梁的支點(diǎn)受力狀態(tài)。其中鋼箱梁和導(dǎo)梁均用梁單元模擬，鋼箱梁與導(dǎo)梁之間采用剛性連接。模型邊界條件定義為：當(dāng)鋼箱梁和導(dǎo)梁架在臨時墩上時，加豎向約束，臨時墩墩頂與梁之間采用彈性連接。有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元模型

3 主要設(shè)計參數(shù)對傾覆穩(wěn)定性的影響分析

參照傾覆穩(wěn)定性計算方法，結(jié)合MIDAS軟件計算所得的支座反力，可得到各工況下的傾覆穩(wěn)定系數(shù)k。根據(jù)穩(wěn)定系數(shù)相應(yīng)變化情況，可分析不同設(shè)計參數(shù)對鋼箱梁橋在頂推施工過程中的穩(wěn)定性影響，具體分析如下。

3.1 曲率半徑對穩(wěn)定性的影響

為分析曲率半徑的影響，橋?qū)捄晚斖葡淞洪L度保持不變，分別為13 m和80 m。在不同支點(diǎn)脫空位置、支點(diǎn)間距和軸線偏移量情況下，不同曲率半徑對穩(wěn)定系數(shù)的影響變化曲線如圖5所示。穩(wěn)定系數(shù)隨曲率半徑的變化曲線表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，當(dāng)曲率半徑<150 m時，穩(wěn)定系數(shù)隨曲率半徑的增大而減小，穩(wěn)定性逐漸降低；當(dāng)曲率半徑>150 m后，穩(wěn)定系數(shù)隨著曲率半徑的增大而增大，穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)，在150 m左右時穩(wěn)定性相對較差。經(jīng)分析這主要與傾覆軸線的變化有關(guān)，當(dāng)曲率半徑<150 m時，傾覆軸線落在支座連線外，但其與加載車道圍成的面積變小，即上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生傾覆的作用變小；當(dāng)曲率半徑>200 m時，傾覆軸線落在支座連線內(nèi)，傾覆力矩減小。因此設(shè)計時，在滿足工程線形要求的前提下，應(yīng)盡量避免選用150 m左右的曲率半徑。

(a) 不同支點(diǎn)脫空位置

3.2 頂推跨徑對穩(wěn)定性的影響

為分析頂推跨徑的影響，橋?qū)捄颓拾霃奖３植蛔?，分別為13 m和400 m。在不同支點(diǎn)脫空位置、不同支點(diǎn)間距和軸線偏移量情況下，不同頂推跨徑對穩(wěn)定系數(shù)的影響變化曲線如圖6所示。穩(wěn)定系數(shù)隨頂推跨徑的增大而減小，當(dāng)頂推跨徑由40 m 增大到80 m時，穩(wěn)定系數(shù)明顯降低，降低幅度達(dá)40%～70%；由80 m增大到120 m時，穩(wěn)定系數(shù)的變化幅度有所降低，為5%～20%。因此在頂推過程中應(yīng)盡量減小頂推跨徑，宜控制在60 m以內(nèi)，以保障施工過程中的橫向穩(wěn)定性。

(a) 不同支點(diǎn)脫空位置

3.3 橋?qū)拰Ψ€(wěn)定性的影響

在分析橋?qū)捵兓挠绊憰r，曲率半徑和頂推長度分別取400 m和80 m，對單車道、雙車道和三車道3種較常見的車道進(jìn)行研究，對應(yīng)的橋?qū)挿謩e為8.4 m、13.0 m和17.6 m。在不同支點(diǎn)脫空位置、支點(diǎn)間距和軸線偏移量情況下，不同橋?qū)拰Ψ€(wěn)定系數(shù)的影響變化曲線如圖7所示。橋?qū)捙c穩(wěn)定系數(shù)之間的關(guān)系表現(xiàn)出一定的不確定性，當(dāng)支點(diǎn)脫空位置和支點(diǎn)間距發(fā)生變化時，穩(wěn)定系數(shù)隨橋?qū)挼脑龃蟪尸F(xiàn)出增大趨勢，增大幅度有所不同，在5%～50%之間變化，橋?qū)捿^窄時穩(wěn)定性更為不利；而軸線偏移時，穩(wěn)定系數(shù)則隨著橋?qū)挼脑龃蠖鴾p小，對寬橋更為不利。因此對于窄橋，控制支點(diǎn)脫空和支點(diǎn)間距的影響更為重要；對于寬橋，更應(yīng)關(guān)注對軸線偏移的控制。

(a) 不同支點(diǎn)脫空位置

4 頂推施工參數(shù)對傾覆穩(wěn)定性的影響及其控制

4.1 支座脫空的影響分析

內(nèi)弧側(cè)支點(diǎn)脫空時穩(wěn)定系數(shù)的變化曲線如圖8所示，外弧側(cè)支點(diǎn)脫空時穩(wěn)定系數(shù)的變化曲線如圖9 所示。綜合橋梁參數(shù)和內(nèi)外側(cè)支點(diǎn)脫空變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)：①結(jié)構(gòu)的邊支點(diǎn)(1-1、4-4)脫空后的穩(wěn)定系數(shù)明顯小于中間支點(diǎn)脫空后的系數(shù)，并且會出現(xiàn)小于2.5的情況，有可能發(fā)生橫向傾覆失穩(wěn)，因此在施工中應(yīng)注意避免邊支點(diǎn)脫空；②外弧側(cè)支點(diǎn)脫空時的穩(wěn)定系數(shù)總體小于內(nèi)弧側(cè)支點(diǎn)脫空時的穩(wěn)定系數(shù)，比內(nèi)弧側(cè)支點(diǎn)脫空更為不利，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注?？傊诓铰氖巾斖七^程中，應(yīng)嚴(yán)格控制各支點(diǎn)頂推力，使其均衡受力、共同作用，避免支點(diǎn)脫空，尤其要避免邊支點(diǎn)和外弧側(cè)支點(diǎn)的脫空。

(a) 不同曲率半徑

(a) 不同曲率半徑

4.2 支點(diǎn)間距的影響分析

穩(wěn)定系數(shù)隨支點(diǎn)橫向間距的變化曲線如圖10所示，穩(wěn)定系數(shù)隨支點(diǎn)縱向間距的變化曲線如圖11所示。分析可知：①不同的曲率半徑、頂推跨徑和橋?qū)?，穩(wěn)定系數(shù)均表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律；②隨支點(diǎn)間距的增大，穩(wěn)定系數(shù)明顯增大，支點(diǎn)間距較小時可能發(fā)生傾覆失穩(wěn)，當(dāng)橫向間距<7B/12(B為橋?qū)?或縱向間距

(a) 不同曲率半徑

4.3 軸線偏移的影響分析

穩(wěn)定系數(shù)隨軸線偏移量的變化曲線如圖12所示。分析可知：不同的曲率半徑、頂推跨徑和橋?qū)?，穩(wěn)定系數(shù)隨軸線偏移量的變化規(guī)律相似，均隨軸線偏移量的增大而減小。當(dāng)軸線偏移量<10 cm 時，穩(wěn)定系數(shù)基本>4，具有一定安全儲備。因此在施工過程中，應(yīng)控制軸線偏移量不宜過大，建議不超過10 cm，并及時糾偏，以確保施工安全。

(a) 不同曲率半徑

5 施工過程穩(wěn)定性控制

針對曲線鋼箱梁橋的步履式頂推施工，除參考上述關(guān)鍵的設(shè)計和施工參數(shù)外，結(jié)合施工監(jiān)測技術(shù)，在施工過程中還應(yīng)采取相應(yīng)控制措施，以確保曲線鋼箱梁橋在頂推過程中能夠?qū)崿F(xiàn)有效落梁。

(1) 考慮到頂推過程中支點(diǎn)受力不均勻的影響，在設(shè)計中應(yīng)考慮增加臨時墩及梁體的安全儲備系數(shù)，同等條件下選擇曲率半徑較大的設(shè)計方案，可增大橋梁在施工中的抗傾覆穩(wěn)定性。

(2) 在施工過程中，支點(diǎn)脫空可能產(chǎn)生虛接觸，以滑塊是否滑動作為判斷依據(jù)，在梁體處于滑動、滑塊不動的情況下，表明已經(jīng)脫空。

(3) 施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制千斤頂?shù)霓D(zhuǎn)向，保證各個千斤頂?shù)耐叫浴?/p>

(4) 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受支點(diǎn)縱橫向間距的影響很大(尤其是結(jié)構(gòu)的傾覆穩(wěn)定性)。通過研究，結(jié)合實(shí)際工程中的有效運(yùn)用，可以得出施工中的支點(diǎn)橫向間距在7/12B～B時，能夠保證結(jié)構(gòu)的傾覆穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。如果現(xiàn)場無法達(dá)到條件，可允許中支點(diǎn)橫向間距不在此范圍內(nèi)，但邊支點(diǎn)的間距應(yīng)盡量大；支點(diǎn)縱向間距在一定范圍內(nèi)應(yīng)保證其超過L/3。同時現(xiàn)場施工環(huán)境較惡劣時，應(yīng)設(shè)置抗傾覆裝置，保證施工中結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

(1) 為有效保證步履式頂推過程中結(jié)構(gòu)的傾覆穩(wěn)定性，對于曲線鋼箱梁橋，在滿足線形要求的前提下，應(yīng)盡量避免選用150 m左右的曲率半徑。

(2) 在施工過程中，應(yīng)控制頂推跨徑不超過60 m，且支點(diǎn)橫向與縱向間距分別大于7B/12和L/3，而軸線偏移量不宜超過10 cm，并及時糾偏。

(3) 邊支點(diǎn)脫空的危險性要遠(yuǎn)大于中支點(diǎn)脫空，且外弧側(cè)支點(diǎn)脫空的危險性要大于內(nèi)弧側(cè)支點(diǎn)脫空，因此在頂推施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制各支點(diǎn)的頂推力，使各支點(diǎn)均衡受力。

(4) 應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注軸線偏移對較寬曲線梁橋及支點(diǎn)脫空對較窄匝道橋的橫向傾覆穩(wěn)定性影響。

(5) 曲線梁橋失穩(wěn)的關(guān)鍵是支點(diǎn)脫空和軸線偏位，增加步履式頂推系統(tǒng)的感知能力并增強(qiáng)其智能性，實(shí)現(xiàn)支點(diǎn)反力和軸線偏差的自動調(diào)整，能有效提升步履式頂推的穩(wěn)定性，這可作為后續(xù)研究的主要方向。