連續(xù)鋼梁頂推過(guò)程臨時(shí)墩受力分析及改善

熊小華

（江西省交通供應(yīng)鏈有限公司,江西 南昌 330000）

0 引言

頂推施工過(guò)程對(duì)橋下交通影響小，無(wú)需配備大型起重設(shè)備，在預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁施工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。隨著施工技術(shù)的發(fā)展及計(jì)算機(jī)仿真分析工具在橋梁施工領(lǐng)域的應(yīng)用，頂推法也不再局限于預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋。例如，2004年建成的法國(guó)Millau大橋、2006年修建的平勝大橋、2012年完建的杭州九堡大橋等均為現(xiàn)代大跨度鋼梁橋，均成功應(yīng)用了頂推施工技術(shù)。為控制和降低主梁正負(fù)彎矩，通常在頂推主墩間增設(shè)臨時(shí)支墩，因鋼梁橋主梁無(wú)應(yīng)力，線形也表現(xiàn)為多段變曲率豎曲線，受到結(jié)構(gòu)自重作用后便會(huì)在主梁和臨時(shí)墩墩頂滑道間出現(xiàn)不均勻受壓情況，壓力荷載形式多變。基于此，該文以某疊合梁斜拉橋?yàn)檠芯繉?duì)象，應(yīng)用有限元方法展開(kāi)頂推整體分析，確定出頂推施工過(guò)程中臨時(shí)墩墩頂滑道處鋼梁最不利受力工況，并提出改善策略，以資借鑒。

1 工程概況

某橋梁主橋樁號(hào)為K049+210～K052+110，全長(zhǎng)為2 900 m，采用三塔疊合梁斜拉橋設(shè)計(jì)形式，出于所在河道防洪以及保證正常通航等要求，在該橋梁主橋非通航孔所在的深水區(qū)域增設(shè)跨徑為6×90 m的連續(xù)疊合梁，疊合梁墩號(hào)依次標(biāo)記為N6～N1，其梁體無(wú)應(yīng)力線形段分為6段變曲率豎曲線形式，并采用上游和下游雙幅分離設(shè)置。其中，混凝土橋面板結(jié)構(gòu)按照0.45 m的厚度設(shè)計(jì)，鋼梁高3.55 m。為縮短頂推跨徑，在頂推施工開(kāi)始前，將6個(gè)臨時(shí)墩布設(shè)于1#墩和N6墩之間，依次編號(hào)為L(zhǎng)1～L6，臨時(shí)墩按照與主墩45 m的間距布置。

2 臨時(shí)墩受力分析

2.1 臨時(shí)墩受力特點(diǎn)

為確保該連續(xù)鋼梁頂推施工過(guò)程的順利進(jìn)行，必須按照以下公式要求控制頂推力[1]：

式中，Ti——主梁自重水平分力與第i個(gè)臨時(shí)墩墩頂所設(shè)置的頂推裝置向鋼梁施加的牽引力之和（N），該合力與鋼梁頂推同向；fi——梁底面滑板結(jié)構(gòu)和第i個(gè)臨時(shí)墩墩頂所設(shè)置滑道結(jié)構(gòu)間的摩擦力（N），該力與梁體滑移同向；fi=μiNi，μi——梁底面滑板結(jié)構(gòu)和第i個(gè)臨時(shí)墩墩頂所設(shè)置滑道間的動(dòng)力摩擦系數(shù)；Ni——第i個(gè)臨時(shí)墩墩頂所設(shè)置滑道后結(jié)構(gòu)頂面的反力（N）。

鋼梁頂推力公式表明，如果對(duì)連續(xù)鋼梁所施加的水平頂推力之和超出各滑道頂面和鋼梁底面滑板結(jié)構(gòu)間摩擦力之和，則必然會(huì)出現(xiàn)鋼梁和臨時(shí)墩結(jié)構(gòu)的相對(duì)滑移。在對(duì)該連續(xù)鋼梁展開(kāi)頂推施工時(shí)，墩頂反力N和鋼梁底面滑板結(jié)構(gòu)間摩擦力f構(gòu)成臨時(shí)墩主要的受力形式。

2.2 墩頂豎直反力

對(duì)連續(xù)鋼梁進(jìn)行頂推施工中，頂推施工工況是影響墩頂豎直反力的主要方面，每頂進(jìn)3.0 m為1工況，分別求解不同工況下上游側(cè)和下游側(cè)墩頂所對(duì)應(yīng)的豎直反力。結(jié)合求解結(jié)果，頂推施工全過(guò)程中，不同臨時(shí)墩內(nèi)側(cè)和外側(cè)墩頂豎直反力存在較大差異，并且正負(fù)號(hào)也明顯不同，基本不存在任何規(guī)律性[2]。此后，待連續(xù)鋼梁前端頂部的位置在移動(dòng)過(guò)程中超出前方首個(gè)臨時(shí)墩并到達(dá)第二個(gè)臨時(shí)墩后，墩頂豎直反力值才趨于穩(wěn)定。

2.3 水平方向受力

連續(xù)鋼梁頂推施工過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整千斤頂油表，使對(duì)應(yīng)時(shí)刻張拉力取值完全等于相應(yīng)工況下的動(dòng)摩擦力，故斜交頂推施工期間必須加強(qiáng)同一臨時(shí)墩墩頂兩側(cè)壓力差的控制。

在受到豎直反力作用的情況下，因各墩頂頂推設(shè)備在同步性方面存在差異，所以臨時(shí)墩墩頂主要承受的是順橋向的水平作用力。在進(jìn)行墩頂不平衡水平力量化分析的過(guò)程中，必須綜合考慮施工工藝及可能的影響因素，保證結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上，盡可能簡(jiǎn)化臨時(shí)墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[3]。綜合以上分析，應(yīng)先找出墩頂承受最大反力的鋼梁，并確定出該梁體滑動(dòng)但千斤頂還沒(méi)有施加頂推力情況下相對(duì)應(yīng)的施工參數(shù)取值，結(jié)合相關(guān)取值進(jìn)一步計(jì)算墩頂最大不平衡水平力。

3 有限元分析

3.1 整體頂推分析

應(yīng)用MIDAS有限元分析軟件，采用梁不動(dòng)、下部支撐移動(dòng)的方法，構(gòu)建整體頂推有限元模型，模型采用直角坐標(biāo)系，以橋梁橫向、縱向和豎向?yàn)閄軸、Y軸和Z軸。通過(guò)空間梁?jiǎn)卧M鋼梁，彈性模量為2.08×105MPa，泊松比取0.31。采用桁架單元受壓方式模擬下部支撐對(duì)鋼梁的約束，并根據(jù)支撐鋼梁無(wú)應(yīng)力線形和滑道間隙值確定強(qiáng)迫位移。在綜合考慮鋼梁節(jié)段長(zhǎng)度、無(wú)應(yīng)力線形等因素的基礎(chǔ)上，按照0.5 m的長(zhǎng)度劃分鋼梁?jiǎn)卧?。全橋頂推共分?98個(gè)工況。

整體頂推仿真結(jié)果見(jiàn)表1，表中應(yīng)力指鋼梁順橋向應(yīng)力，正值為拉應(yīng)力，負(fù)值為壓應(yīng)力；A為鋼梁頂推至L2～L6和N2～N6墩的最大懸臂狀態(tài)；B為鋼梁頂推至導(dǎo)梁剛過(guò)N1墩的狀態(tài)。頂推期間，鋼梁順橋向應(yīng)力最大取108.4 MPa，未超出210 MPa的鋼材允許應(yīng)力；導(dǎo)梁撓度最大達(dá)82.1 cm，引發(fā)鋼梁和滑道間局部脫空。為避免頂推施工過(guò)程中滑道鋼梁失穩(wěn)，必須進(jìn)一步展開(kāi)局部仿真分析，為增強(qiáng)局部仿真分析結(jié)論的代表性，應(yīng)將鋼梁向前頂推180 m，使導(dǎo)梁恰好位于N2墩處。

3.2 局部仿真分析

鋼梁截面構(gòu)造復(fù)雜，采用全橋空間有限元模型展開(kāi)模擬必然會(huì)增大計(jì)算規(guī)模，還會(huì)在非線性迭代過(guò)程中出現(xiàn)病態(tài)剛度矩陣，無(wú)法得到收斂性結(jié)果。此外，展開(kāi)滑道處鋼梁局部仿真分析時(shí)，各位置的計(jì)算精度并不重要，只需保證滑道處鋼梁局部計(jì)算精度即可。綜上，該文采用ANSYS有限元空間模型的混合單元法構(gòu)建滑道處鋼梁及臨時(shí)墩局部分析模型。臨時(shí)墩鋼管樁、樁頂橫梁、立柱、柱腳擱置梁、平聯(lián)、滑道等均通過(guò)空間梁?jiǎn)卧M，共包括3 342個(gè)梁?jiǎn)卧? 108個(gè)節(jié)點(diǎn)。臨時(shí)墩鋼管樁最下部按固接模擬，內(nèi)部構(gòu)件間的連接則通過(guò)共節(jié)點(diǎn)和剛性連接模擬。

頂推施工過(guò)程中，因?yàn)槭艿浇Y(jié)構(gòu)自重的影響，鋼梁懸臂前端始終處于下?lián)蠣顟B(tài)，尾端滑道則保持上翹趨勢(shì)。在線形復(fù)雜的無(wú)應(yīng)力鋼梁頂推下，會(huì)引起鋼梁底板和滑道不均勻接觸?？梢?jiàn)，主梁對(duì)臨時(shí)墩的壓力既非集中荷載，也非均布荷載。為深入分析臨時(shí)墩受力與滑道荷載形式的關(guān)系，分別進(jìn)行相應(yīng)結(jié)構(gòu)集中荷載、均布荷載、梯形荷載等不同工況下臨時(shí)墩實(shí)際受力情況的仿真模擬，為簡(jiǎn)化分析，并保證模擬結(jié)果的可比性，分析時(shí)假定三種荷載等值。

3.3 應(yīng)力分布分析

臨時(shí)墩受到集中荷載、均布荷載、梯形荷載等三種形式荷載的作用后，實(shí)際應(yīng)力分布結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖可知，在集中荷載和梯形荷載作用下，臨時(shí)墩最大應(yīng)力分別為162 MPa 和 159 MPa，均大于 [σ]=145 MPa，但最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置存在差異；臨時(shí)墩存在受力超標(biāo)現(xiàn)象。為此，應(yīng)在臨時(shí)墩頂部設(shè)置水平拉索，通過(guò)預(yù)張拉水平拉索，改善頂推施工過(guò)程中臨時(shí)墩受力。而在受到均布荷載的影響后，臨時(shí)墩最大應(yīng)力（位于中間橫梁）為120 MPa，小于 [σ]=145 MPa。

圖1 臨時(shí)墩應(yīng)力分布結(jié)果（單位：MPa）

4 臨時(shí)墩受力改善措施

基于以上所得到的連續(xù)鋼梁頂推施工過(guò)程中臨時(shí)墩受力仿真分析結(jié)果，當(dāng)主要向滑道結(jié)構(gòu)施加集中荷載和梯形荷載時(shí)，臨時(shí)墩結(jié)構(gòu)所承受的壓應(yīng)力最大，結(jié)構(gòu)受力極為不利。為改善臨時(shí)墩受力，應(yīng)從施加水平拉索、增大臨時(shí)墩鋼管壁厚等方面采取措施。

4.1 施加水平拉索

按照設(shè)計(jì)思路，在臨時(shí)墩頂部設(shè)置水平拉索，通過(guò)預(yù)張拉水平拉索，改善頂推施工過(guò)程中臨時(shí)墩受力。但是水平索力的張拉必將引發(fā)構(gòu)件最大應(yīng)力值和位置的改變。為展開(kāi)臨時(shí)墩受力受水平拉索拉力影響程度的分析，在保持有限元模型構(gòu)件其余參數(shù)不變的情況下，僅調(diào)整索力，展開(kāi)臨時(shí)墩最大應(yīng)力變動(dòng)情況分析。根據(jù)所取得的分析結(jié)果，繪制臨時(shí)墩最大應(yīng)力—索力曲線，見(jiàn)圖2。

圖2 均布荷載作用下臨時(shí)墩最大應(yīng)力—索力曲線

通過(guò)分析臨時(shí)墩最大應(yīng)力和索力的關(guān)系看出，臨時(shí)墩最大應(yīng)力值隨索力的增大而線性遞減；索力每增大 10 kN，臨時(shí)墩最大應(yīng)力減小 0.47 MPa。

4.2 增大臨時(shí)墩鋼管壁厚度

結(jié)合相關(guān)工程施工經(jīng)驗(yàn)，臨時(shí)墩鋼管壁厚與其受力情況相關(guān)。為此，在保持有限元模型構(gòu)件其余參數(shù)不變的情況下，僅調(diào)整臨時(shí)墩鋼管壁厚，展開(kāi)臨時(shí)墩最大應(yīng)力變動(dòng)情況分析。考慮到施工現(xiàn)場(chǎng)吊裝設(shè)備吊重的限制，臨時(shí)墩立柱鋼管壁厚不得超出28 mm，故只能在16～28 mm之間取值。臨時(shí)墩鋼管壁厚與其受力情況試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 鋼管壁厚與臨時(shí)墩受力情況試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表中結(jié)果可以看出，隨著立柱鋼管壁厚的增大，臨時(shí)墩最大應(yīng)力呈減小趨勢(shì)，且兩個(gè)參數(shù)值呈雙折線關(guān)系：當(dāng)鋼管壁厚從16 mm依次增大至19 mm，臨時(shí)墩最大應(yīng)力從 160.3 MPa 降至 141.2 MPa，降幅為 13.23%，可將該段記為臨時(shí)墩最大應(yīng)力變化的第一階段；當(dāng)鋼管壁厚從20 mm依次增大至28 mm，臨時(shí)墩最大應(yīng)力從141.1 MPa 降至 139.4 MPa，降幅為 1.98%，此為臨時(shí)墩最大應(yīng)力變化的第二階段。通過(guò)比較看出，第二階段臨時(shí)墩立柱鋼管壁厚的增幅約為第一節(jié)段的2.5倍，但第二階段臨時(shí)墩最大應(yīng)力水平的降幅僅為第一節(jié)段的12.8%。通過(guò)分析原因發(fā)現(xiàn)，隨著立柱鋼管壁厚的增加，臨時(shí)墩最大應(yīng)力所在位置從最初的柱頂轉(zhuǎn)移至立柱柱腳斜撐。

4.3 水平方向受力控制

連續(xù)鋼梁頂推施工過(guò)程中，為優(yōu)化臨時(shí)墩受力，將實(shí)際荷載值控制在計(jì)算荷載值范圍內(nèi)，必須在施工期間，使鋼箱梁連續(xù)運(yùn)動(dòng)，否則梁體和滑道間靜摩擦和動(dòng)摩擦狀態(tài)會(huì)交替發(fā)生，這種“爬行”現(xiàn)象會(huì)對(duì)臨時(shí)墩造成反復(fù)沖擊[4]，不利于結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定；必須保證千斤頂同步施力以及千斤頂活塞進(jìn)程和回程的同步性，主要原因在于上游以及下游2套牽引鋼絞線在施加推力等均不同步時(shí)，必然會(huì)造成梁體軸線偏移以及部分結(jié)構(gòu)負(fù)載集中現(xiàn)象，增大千斤頂啟動(dòng)負(fù)擔(dān)，甚至超出頂推力控制上限，引發(fā)臨時(shí)墩水平受力異常和墩體偏移。

此外，連續(xù)鋼梁頂推施工期間，還必須杜絕“多點(diǎn)分散”現(xiàn)象，減少動(dòng)力設(shè)備數(shù)量，通過(guò)設(shè)置1個(gè)集中控制點(diǎn)，確保全部千斤頂同步啟動(dòng)、同步施力、同步運(yùn)行，降低控制難度。

5 結(jié)論

通過(guò)該文分析得出以下結(jié)論：連續(xù)鋼梁頂推施工過(guò)程中，隨著臨時(shí)墩設(shè)置間距的增大，主梁最大應(yīng)力、變形及支反力等均呈增大趨勢(shì)；應(yīng)將鋼梁局部受力安全作為頂推施工過(guò)程中的主要控制因素。該三塔疊合梁斜拉橋采用文中所提出的臨時(shí)墩受力改善措施后，鋼梁頂推施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全有保障，也說(shuō)明所采取的數(shù)值模擬技術(shù)及改善措施切實(shí)可行，可作為類似橋梁工程臨時(shí)支墩設(shè)計(jì)的參考。