上跨既有鐵路混凝土箱梁頂推施工安全控制技術研究

李蘭強

(中鐵十四局集團第二工程有限公司 山東泰安 271000)

1 引言

新建橋梁上跨既有鐵路施工時，為了減少對鐵路運輸的干擾，一般不采用落地支架現澆和懸臂施工。而頂推施工法對跨越鐵路的影響小，機具設備簡便，施工精度容易控制，施工難度不大，應用較廣泛[1-2]。但頂推施工對工程條件要求苛刻，需采取多種控制措施以保障施工安全，故亟需對上跨鐵路條件下頂推施工安全施工技術進行系統研究。

Granata等[3]對梁體由于自重引起的彎矩情況進行了研究，并成功應用到曲線梁上；Fontan等[4]研究了梁體的力學狀態，并提出新型設計方案；Kwanghoe等[5]對鋼導梁的長度進行優化研究，并對鋼導梁整體安全性進行了驗證；李杰等[6]以鄭州黃河鐵路項目為依托，研究了鋼桁組合梁第一聯頂推施工，并對桿件力學進行分析；高波[7]、劉高鋒[8]對頂推施工的整體施工過程進行研究，并分析了頂推的安全性；張培炎[9]、白烜寧[10]研究了頂推過程中主梁的力學狀態，并對彎矩及支座反力的分布進行計算，分析頂推施工上端梁體懸空造成的應力分布，提出相應安全措施；彭玲麗等人[11-13]對頂推施工過程中橋墩的受力以及穩定性進行分析；張謙等人[14-15]對頂推施工關鍵施工技術進行研究，并提出安全施工建議。

盡管近年來頂推施工的應用范圍更為廣泛，但是理論研究與實際工程應用情況有較大出入。國外專家對鋼導梁以及梁體的力學分析研究較為深入，但實際工程應用較少；國內有的專家對鋼桁架梁頂推施工依托實際工程進行了力學研究，但對混凝土箱梁力學分析的涉及面較為狹窄；有的專家對關鍵施工技術進行研究，但在不同工程中實用性有較大的差異。因此有必要對混凝土箱梁頂推施工安全控制技術進行研究。

以上跨漢宜高速鐵路混凝土箱梁頂推施工工程為項目依托，結合有限元數值分析軟件，對混凝土箱梁、鋼導梁的應力分布進行分析，確定最大應力分布位置，并采用現場監測的手段對模擬值進行驗證，結合分析結果提出針對性治理措施，指導施工。

2 主梁應力計算理論

連續梁在頂推過程中，支座與梁的相對位置隨著施工進度不停變更，主梁截面都會經歷正負彎矩的交替重復作用，在成橋階段的跨中附近截面受到正彎矩作用，頂推至橋墩附近則截面承受負彎矩作用。從理論方面研究施工過程中主梁受力狀態時，為了簡化計算公式，作出以下假設：

(1)采用頂推施工的工程均能保證各跨跨徑一致，當橋梁跨徑為L時，鋼導梁長度同跨徑L的比值為x；

(2)主梁縱向抗彎剛度在縱橋向上始終保持不變，用EcIc來代表，鋼導梁的縱向抗彎剛度在縱橋向上也用固定值EsIs來代表；

(3)結構自重將被轉化為荷載集度作用在梁體上，其中主梁的自重集度在順橋向上是固定值g1，導梁的荷載集度在順橋向上相同，數值是主梁集度的γ倍，即γg1。

能夠使主梁產生負彎矩的最不利情況可以歸納為兩種：前一種情況產生在導梁外伸懸臂最大的狀態下，即導梁推進至最接近下一個橋墩墩頂時；后一種發生在導梁已經通過了某一個墩頂且向前推進了一段長度為aL的距離時。

第一種情況下最大負彎矩可通過以下公式求解：

第二種情況下最大負彎矩可通過以下公式求解：

其中，μ是一個計算系數，它的取值和導梁伸出長度a有關，也與導梁縱向剛度同主梁縱向剛度的比值K＝EsIs/EcIc相關聯，其具體取值可參考范立礎于《橋梁工程》中提及的μ值曲線圖。

通過理論公式，結合有限元模擬，尋找負彎矩最大時的工況及位置，進一步確定頂推過程中導梁的參數變化將會對施工造成的影響，從而保證頂推過程的安全性。

3 工程概況

跨漢宜高鐵特大橋采用3×32 m連續混凝土箱梁，采用先在鋼管支架上現澆45.7 m長混凝土箱梁，頂推55.4 m至目標位置，然后再現澆剩余部分梁段的施工方法。

主梁截面形式為單箱單室、等高度連續箱梁，截面梁高2.8 m，梁頂寬13.02 m，梁底寬6.4 m，跨中截面頂板厚度0.35 m，腹板厚度1 m，底板厚度0.6 m，支點截面頂板厚度0.65 m，腹板厚度1.3 m，底板厚度0.9 m。鋼導梁采用兩片變高度工字型截面梁組合而成，梁體分為預埋段、前段、后段三個部分，各部分之間采用高強螺栓連接。下部臨時結構在橫橋向上不等間距的對稱布置，5根立柱的間隔距離依次是2.08 m、2.92 m以及2.92 m、2.08 m，縱橋向上根據梁長采用相同的間距6.7 m來布置，縱橫向排布的各個立柱之間的連接均通過雙槽鋼實現。8根56b工字型鋼焊接構成滑道梁，在現澆梁體腹板下方布置滑道，各個滑道的橫向間距按5.84 m設置。頂推施工示意見圖1。

圖1 頂推施工示意(單位:cm)

4 頂推施工過程有限元分析

4.1 計算模型

本文采用數值模擬軟件建立了主梁、導梁、滑道系統、支架及橋墩的空間梁單元模型對頂推施工過程仿真計算。為了更精確地模擬實際頂推施工步驟下的結構受力與變形，將上部結構與下部結構進行有限元整體建模。按照1 m為單元長度進行模擬，沿縱橋向建立47個梁單元構成主梁模型。鋼導梁與滑道梁所用鋼材均為Q345鋼，其中導梁全長由22個單元構成，而滑道梁通過209個單元來模擬。滑道系統、臨時支架橋墩與永久橋墩均根據施工圖紙建立有限元模型。

混凝土主梁及鋼導梁與滑道梁之間采用只受壓剛性彈簧連接，以模擬主梁及鋼導梁與滑道梁之間的傳力特點，以此達到二者變形協調的目的。

通過主梁節點處剪力突變值確定主梁與滑道梁豎向相互作用力，再乘以摩擦系數確定主梁與滑道梁之間的摩擦力。施工過程的模擬是根據頂推施工方案，建立主梁與導梁在不同頂推位置時的有限元模型進行計算分析。

4.2 頂推過程梁墩應力狀況

4.2.1 主梁應力

通過計算，頂推過程中主梁在施工荷載與自重下產生最大拉應力為2.1 MPa，發生在頂推距離為55 m時，距主梁前端23 m處截面下緣；最大壓應力為1.9 MPa，發生在頂推42 m時，距主梁前端20 m處截面下緣。預應力作用下，各截面應力基本相同，截面上緣最小壓應力為2.9 MPa，最大為3.1 MPa；截面下緣最小壓應力為2.5 MPa，最大為2.8 MPa。頂推階段，主梁全截面始終受壓，容許拉應力為1.6 MPa，容許壓應力為16.7 MPa，拉、壓應力均未超過容許值。

4.2.2 鋼導梁應力

鋼導梁在頂推過程中應力處于不斷變化之中，且有不小的變化幅度。頂推過程中鋼導梁在最大懸臂時刻，支點處負彎矩較大，截面上緣拉應力較大，下緣壓應力較大，該階段導梁最大拉應力和最大壓應力分別為13.4 MPa、12.9 MPa。

導梁搭上臨時墩滑道之后，支點處負彎矩變小，跨中部位彎矩增大，通過模擬結果顯示，最大拉應力和最大壓應力分別為14.3 MPa、16.8 MPa；主梁搭上臨時墩滑道后，鋼導梁應力變小，均小于前兩個階段。經驗算，鋼導梁在頂推過程中滿足規范要求。

4.2.3 橋墩應力

通過計算，頂推過程中，83#～87#墩最大壓應力分別為0.43 MPa、0.66 MPa、1.03 MPa、1.12 MPa、0.76 MPa，均出現在墩底截面。頂推施工過程中沒有出現拉應力，各墩最大壓應力為1.12 MPa，發生在86#墩墩底，此時主梁已頂推55 m，橋墩強度滿足要求。

5 施工過程梁體應力監測

5.1 傳感器布設

連續梁橋采用頂推法施工時，梁體在自重、施工荷載、溫度等作用下，會產生應力，隨著頂推的進行不斷變化，不但應力大小改變，其應力屬性(拉、壓)也會發生改變。為達到安全施工的目的，對頂推過程進行動態監測，并將監測結果與模擬結果進行對比分析，用于判定模擬的可靠性，并為安全施工提供技術支撐。

本橋的主梁截面應力采用預埋在混凝土箱梁內的鋼弦式應變計實時監測，現場及時處理數據，得出箱梁的應力及其分布。傳感器埋置在距主梁前端與鋼導梁連接處6.5 m、9.8 m、16.3 m、32.7 m、36 m五個斷面，其中距主梁前端9.8 m、16.3 m、32.7 m三個斷面中，每個斷面在腹板上方頂板及下方底板處埋置應變計，而距主梁前端6.5 m與36 m兩個斷面僅在腹板上方頂板處埋置應變計，如圖2所示。

圖2 箱梁截面埋入應變計示意(單位:cm)

5.2 混凝土箱梁應力監測結果

隨著頂推距離的變化，各斷面的應力也在變化，為更好分析頂推過程中施工荷載下梁的應力變化，將頂推開始時主梁應力值作歸零處理，其中9.8 m處斷面上緣面向頂推方向左側與右側監測結果如圖3所示，32.7 m處斷面上緣與下緣監測結果如圖4所示，5個監測斷面上緣監測結果如圖5所示，頂推開始時頂板測點應力如圖6所示。

圖3表明，在頂推過程中，距主梁前端9.8 m處混凝土箱梁頂板左、右側應力變化值差值很小，頂推過程中主梁受力橫向較為對稱，梁橫向受力沒有較大偏差。如圖4所示，主梁截面上下緣應力變化時增時減，二者基本呈負相關的變化趨勢，大致關于零點對稱，但對稱點有波動。這表明頂推施工過程中梁截面彎矩也時刻變化，且主梁彎矩在截面上下緣的應力相反，對稱點的波動說明梁在頂推過程中，頂推力與摩擦力作用下梁的軸力在變化。

圖3 頂推過程距主梁前端9.8 m處應力變化

圖4 頂推過程距主梁前端32.7 m處斷面應力變化

圖5 頂推過程主梁各頂板測點應力變化

圖6 頂推開始時主梁頂板各測點應力

根據圖5顯示，主梁各監測截面上緣，由施工荷載引起的最大拉應力為1.95 MPa，最大壓應力為1.55 MPa；有限元計算結果中，主梁截面上緣最大拉應力為1.6 MPa，最大壓應力為1.3 MPa，與實測值較為吻合。

有限元計算結果中，主梁各截面在預應力作用下截面上緣壓應力為3.2 MPa；實際監測結果中，主梁各截面在預應力作用下截面上緣壓應力平均值為3.3 MPa，與計算值比較接近。

由圖5、圖6可知，頂推過程中各測點應力變化值中最大拉應力為1.95 MPa，頂推開始時測點最小壓應力為2.3 MPa，在頂推施工過程中梁截面未出現拉應力，與有限元計算結果吻合。監測結果表明，梁體在頂推過程中應力水平滿足規范要求，且施工過程無受力裂縫出現。

6 頂推施工安全控制措施

頂推施工安全控制除了需要研究分析各個施工階段下結構的整體受力，并通過施工監控掌握所有控制截面的局部應力、變形、裂縫發展等要素以外，還需要對部分關鍵施工階段采取一定措施以確保結構頂推時各個施工階段的安全性。

6.1 滑道系統減摩措施

滑道系統能夠保證頂推過程中梁體可以順利移動，當滑道面無法保證較高的平整度時，將會造成頂推力過大，進而引發橋梁墩底開裂甚至對移動梁體帶來嚴重阻礙。本橋滑道梁頂層設置一層3 mm厚不銹鋼板與滑道梁上鋼板焊接，混凝土梁底為鋼板墊板加MGB板，兩者之間采取榫接技術，解決了梁體后端MGB板與梁體脫空而無法跟進的技術難題，在滑動面上涂抹二硫化鉬減小摩擦系數[16]。

6.2 限位控制措施

橋梁的頂推施工中，為了保證主梁不偏離既定軌跡線，在主梁的兩側設置限位裝置，來限制主梁的前進軌跡，當主梁橫向偏移軌跡線較大時，需采用糾偏裝置來使主梁回到預定軌跡線上。

本橋橫向限位裝置有兩種，第一種限位裝置(見圖7)由φ28 mm限位圓鋼及20 mm厚加強鋼板(間隔50 cm一道)組成，設置在83#墩～L12(鐵路小里程側)，通過對滑塊進行限位實現對梁體橫向限位。第二種限位裝置由20 mm厚限位鋼板、20 mm厚加強鋼板和2榀40a工字鋼(間隔6.7 m一道)組成(見圖8)，設置在L13～87#墩(鐵路大里程側)，通過對鋼導梁進行限位，從而引導梁體不致偏位過大。

圖7 第一種限位裝置

圖8 第二種限位裝置

6.3 糾偏控制措施

頂推時配設3套液壓泵站以及6臺橫調千斤頂，為了進行橫向糾偏，在頂推施工過程中將裝置對稱布置在84#、85#、86#墩主梁底板的左右兩側，糾偏裝置除了有鋼墊板和反力座以外，主要由行程為100 mm的200 t雙作用千斤頂構成。頂推時，對橫向偏移量進行動態測量，及時進行梁體偏位調整。如圖9所示。

圖9 糾偏裝置(單位:cm)

6.4 梁體試頂

正式頂推施工之前需要預先進行梁體的試頂，試頂階段荷載應在啟動荷載理論值60%的基礎上逐步增加，直至梁體克服靜摩擦力產生相對滑動，據此確定正式頂推時的啟動荷載。若梁體本身設置了縱坡，還需要保證頂推時梁體不會在自重荷載作用下產生相對滑移。

試頂可以檢查頂推各工序的運行情況，及時發現問題，為正式頂推順利進行積累經驗。

6.5 落梁

頂推過程完成前的最后一項工序是具有高技術難度的落梁，由于落梁階段對精度的要求也很高，在該階段施工方應當有針對性地制定專項方案以便應對實際施工情況，包括對橋下既有線路進行封鎖或根據列車運行時間間隔進行起、落梁作業等。

本橋在85#、86#墩頂分別設置1組4臺千斤頂，每個墩頂4臺千斤頂設一套泵站及PLC控制系統，操作平臺設在對應墩中心梁頂處，千斤頂配置位移傳感器及壓力傳感器。采用PLC控制系統進行同步控制，保證均勻落梁。

7 結束語

跨既有線橋梁施工具有難度和特殊性，需要對跨線橋梁的頂推過程進行監測并采取安全控制措施，保證施工過程的安全。通過理論分析，結合數值模擬對跨漢宜特大橋連續梁頂推施工進行安全控制，確保了施工過程的順利、安全進行。

(1)研究了混凝土箱梁彎矩計算方法，在不同工況條件下對主梁的彎矩計算公式進行分析，總結出理論方程，為模擬提供理論支撐。

(2)通過建立有限元模型，計算分析了結構在頂推施工全過程的受力與變形，計算結果表明，最大拉應力發生在頂推距離至55 m時，距主梁前端23 m處截面下緣；最大壓應力發生在頂推42 m時，距主梁前端20 m處截面下緣，頂推全過程結構變形與應力均在容許范圍內。

(3)通過有針對性地進行監測和控制，對比分析了實測值與理論值，保證施工安全進行。監測結果與理論計算吻合度較高，且頂推施工全過程結構均在安全范圍內。

(4)針對施工中出現的問題，提出了頂推施工過程中滑道系統減摩、限位糾偏、梁體試頂與落梁的安全控制措施，為施工順利完成奠定基礎。