鋼箱梁橋頂推法施工結(jié)構(gòu)分析

李泉彬（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司）

?

鋼箱梁橋頂推法施工結(jié)構(gòu)分析

李泉彬
（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司）

【摘要】鋼箱梁橋較混凝土橋梁自重小、跨度大、施工對(duì)周邊影響較小，隨著交通的日益發(fā)展及鋼橋制造水平的提升，施工方便的鋼橋應(yīng)用逐漸增加，施工工藝也日趨呈現(xiàn)多樣化、標(biāo)準(zhǔn)化。頂推法施工操作條件好、不影響橋下交通，有廣泛應(yīng)用的趨勢，本文對(duì)頂推施工過程中各關(guān)鍵工況進(jìn)行分析，有效地指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工控制。

【關(guān)鍵詞】鋼箱梁；頂推法；臨時(shí)支點(diǎn)；導(dǎo)梁

1　引言

廣河高速跨線橋位于廣東省惠州市境內(nèi)，主要功能是跨越廣河高速，主跨受限于廣河高速路寬和附近涵洞，綜合地形和經(jīng)濟(jì)性方面考慮，主跨跨徑2x75m，主梁采用等截面鋼箱梁，單箱三室斷面，橋面寬23.1m，箱寬5.2～5.4m，懸臂長3.55m。主梁中心高度3.2m，高跨比1/23.44。下部結(jié)構(gòu)主墩采用門式墩，主墩墩高7m，過渡墩墩高12m。墩身尺寸為：縱橋向?qū)?m，橫橋向?qū)?3.2m。半幅橋主墩基礎(chǔ)采用6根D160cm鉆孔灌注樁。

考慮到廣河高速交通量大，設(shè)計(jì)時(shí)速120km，車速較快，橋梁與被交路平面交角較小，采用頂推法施工，可使橋梁施工對(duì)廣河高速的影響降到最低。中間設(shè)臨時(shí)墩以減小頂推跨徑，最大跨徑45m，主梁采用單向多點(diǎn)頂推法，將鋼箱梁頂推到設(shè)計(jì)位置。頂推方向由新豐側(cè)向博羅側(cè)進(jìn)行，頂推支墩立面布置圖見圖1。

2　模型建立及計(jì)算方法

圖1　廣河高速跨線橋頂推布置圖

圖2　鋼箱梁斷面布置

采用midas/civil建立全橋施工模型，導(dǎo)梁以及主梁均采用梁單元模擬，主梁斷面布置圖如圖2所示。臨時(shí)墩與主梁支承處采用一般約束模擬，頂推施工工況模擬采用支承點(diǎn)向后轉(zhuǎn)移進(jìn)行，工況示意見圖3。

圖3　頂推工況模擬方法示意圖

關(guān)鍵工況驗(yàn)算劃分如表1所示。

表1　頂推關(guān)鍵工況

3　頂推過程中受力分析

3.1橋墩及臨時(shí)墩支承反力

利用有限元模型，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，頂推過程中各工況支點(diǎn)反力結(jié)果見表2，計(jì)算結(jié)果未考慮支座沉降影響。

表2　各工況支承反力

由表2可知：鋼箱梁頂推過程中，工況4時(shí)臨時(shí)墩產(chǎn)生最大反力值6267.4kN，此時(shí)導(dǎo)梁頂推至中墩前，頂部未與墩頂連接，臨時(shí)墩及基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可按此工況下的反力值控制；邊墩與中墩的施工過程反力值均較該墩的設(shè)計(jì)反力小，結(jié)構(gòu)安全；在工況4中，邊墩出現(xiàn)負(fù)反力，可采用壓重的方式解決。

3.2鋼箱梁受力及變形

頂推過程中，各工況鋼箱梁自身受力及變形如圖4-圖6（左側(cè)為頂推前進(jìn)方向，下同）。

圖4　施工階段主梁正彎矩包絡(luò)圖（kN.m）

圖5　施工階段主梁負(fù)彎矩包絡(luò)圖（kN.m）

圖6　施工階段主梁剪力包絡(luò)圖（kN）

由上圖可知：鋼箱梁頂推過程中，鋼箱梁自身最大正彎矩值為11879.4kN.m，最大負(fù)彎矩值為45440.5 kN.m，最大剪力為3365.3kN。各工況下鋼箱梁最大應(yīng)力及最大豎向撓度結(jié)果見表3。

表3　各工況鋼箱梁最大應(yīng)力及撓度

鋼箱梁的最大受力及變形，發(fā)生在工況4，此時(shí)導(dǎo)梁頂推至中墩前，頂部未與墩頂連接，前進(jìn)端處于大懸臂狀態(tài)。在此工況下，鋼箱梁鋼板最大拉應(yīng)力26.6MPa，最大壓應(yīng)力44.3MPa，最大剪應(yīng)力19.6MPa，梁端最大撓度2.19cm。

3.3導(dǎo)梁受力及變形

導(dǎo)梁的作用是減小主梁懸臂長度，增大頂推跨徑，防止頂推過程中主梁因懸臂過大而發(fā)生傾覆。導(dǎo)梁的合理長度應(yīng)使施工過程中主梁最大負(fù)彎矩與使用狀態(tài)支點(diǎn)負(fù)彎矩接近，過長的導(dǎo)梁會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)梁和主梁聯(lián)結(jié)處的負(fù)彎矩與支反力增加，導(dǎo)梁過短會(huì)導(dǎo)致頂推過程中主梁負(fù)彎矩增加，一般導(dǎo)梁長度宜為頂推跨徑0.6～0.7倍。廣河高速跨線橋的最大頂推跨徑45m，導(dǎo)梁長度28m，為跨徑長度0.62倍，采用雙工字型截面，梁高1.65m～3.2m。頂推過程中，各工況導(dǎo)梁的受力及變形如圖7-圖9。

圖7　施工階段導(dǎo)梁正彎矩包絡(luò)圖（kN.m）

圖8　施工階段導(dǎo)梁負(fù)彎矩包絡(luò)圖（kN.m）

圖9　施工階段導(dǎo)梁剪力包絡(luò)圖（kN.m）

由上圖可知：頂推過程中，導(dǎo)梁自身最大正彎矩值為6106.8kN.m，最大負(fù)彎矩值為13518.2 kN.m，最大剪力為984.7kN。各工況下導(dǎo)梁最大應(yīng)力及最大豎向撓度結(jié)果見表4。

表4　各工況導(dǎo)梁最大應(yīng)力及撓度

導(dǎo)梁的最大彎曲變形發(fā)生在工況4，此時(shí)導(dǎo)梁頂推至中墩前，頂部未與墩頂連接，前進(jìn)端處于大懸臂狀態(tài)，在此工況下，導(dǎo)梁的最大拉應(yīng)力19.6MPa，最大壓應(yīng)力19.7MPa，梁端最大下?lián)?.4cm；最大剪應(yīng)力發(fā)生在工況5，此時(shí)導(dǎo)梁梁端到達(dá)中墩，因梁端截面高度最小而有最大剪應(yīng)力。

4　結(jié)論

⑴根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，頂推至最大懸臂狀態(tài)時(shí)，臨時(shí)支墩有最大反力6267.4kN，對(duì)于臨時(shí)結(jié)構(gòu)來說，荷載較大，應(yīng)驗(yàn)算墩柱承載能力及穩(wěn)定性。橋位地質(zhì)顯示地表層為粘土，可選用淺層簡易樁基礎(chǔ)配合擴(kuò)大基礎(chǔ)，控制基礎(chǔ)沉降，以滿足頂推精度要求，降低由于基礎(chǔ)變位產(chǎn)生的次內(nèi)力。

⑵鋼箱梁結(jié)構(gòu)選用Q345鋼，其容許彎曲應(yīng)力［σw］=0.6fy=0.6×345=207MPa，容許剪應(yīng)力［τ］=130MPa，豎向撓度限值為l/300=4500/300=15cm，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，鋼箱梁施工過程中最大拉應(yīng)力26.6MPa，最大壓應(yīng)力44.3MPa，最大剪應(yīng)力19.6MPa，梁端最大撓度2.19cm，均滿足安全要求。

⑶導(dǎo)梁為臨時(shí)結(jié)構(gòu)，選用Q235鋼，其容許彎曲應(yīng)力［σw］=0.65fy=0.65×235=152.8MPa，容許剪應(yīng)力［τ］＝98MPa，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，導(dǎo)梁的最大拉應(yīng)力19.6MPa，最大壓應(yīng)力19.7MPa，最大剪應(yīng)力11.3MPa，滿足安全要求。頂推至最大懸臂時(shí)，導(dǎo)梁梁端最大撓度8.4cm，小于豎向撓度限值，但依然較大，影響頂推安裝，施工中應(yīng)采用矯正措施以保證頂推順利進(jìn)行。

⑷通過上述計(jì)算可知，鋼箱梁主梁、導(dǎo)梁在頂推過程中的應(yīng)力較小，而臨時(shí)支墩的反力較大，說明對(duì)本橋的鋼箱梁結(jié)構(gòu)而言，45m的頂推跨徑偏小。施工時(shí)可根據(jù)現(xiàn)場及設(shè)備條件，采用增大頂推跨徑（不使用臨時(shí)支墩）、減小導(dǎo)梁長度等優(yōu)化方式，降低施工臨時(shí)消耗，取得更好的工程經(jīng)濟(jì)性。●

【參考文獻(xiàn)】

［1］林元培.橋梁設(shè)計(jì)工程師手冊(cè)［M］.北京∶人民交通出版社，2007.

［2］范立礎(chǔ).橋梁工程（上冊(cè)）［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［3］交通運(yùn)輸部.JTG D64-2015，公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.人民交通出版社，2015.

［4］交通運(yùn)輸部.JTG/T F50-2011，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范［S］.人民交通出版社，2011.

［5］張曉東.橋梁頂推施工技術(shù)［J］.公路，2003，9：45-51.

［6］張培炎.橋梁頂推施工過程受力分析及關(guān)鍵問題研究［D］.西南交通，2011.