怒江特大橋基于拱上頂推鋼梁仿真分析研究

賀常松

(中鐵十八局集團第二工程有限公司 河北唐山 063000)

1 引言

隨著中國經濟的快速發展，國家對交通運輸方面也越來越重視。 我國在近年來提出了“一帶一路”發展戰略，并大力推廣，旨在以交通運輸為媒介加強與世界的聯系；之后又公布了“十三五現代綜合交通運輸體系發展規劃”，旨在建成高效、安全、便捷、綠色的現代化綜合性交通運輸體系，基本實現現代化交通運輸；在黨的中共十九大報告中提出“交通強國”的建設要求，以高速鐵路為重點發展方向[1]。 對于交通運輸系統來講，橋梁是一個重要的控制點。 其安全、質量、環保對整個交通運輸體系的發展起到至關重要的作用。 而在我們所知的諸多橋梁型式中，鋼桁拱橋獨特的跨越能力大、承載力高、工廠化作業程度高、施工便捷、可裝配式施工等優點，越來越受到設計者的青睞。 在施工方法中，頂推施工成本低、設備輕便、不影響通航或通車等優點，現已成為一種橋梁施工的重要方法。

目前國內外的研究多是針對于混凝土橋的頂推施工技術，有關鋼拱橋頂推施工的相對較少，特別是對于利用拱上平臺作為拼裝場地進行頂推施工的先例更是為數不多。 本文以大跨度上承式鋼桁架拱橋為研究對象，對基于拱上平臺的頂推施工法進行鋼梁支反力變化趨勢進行研究，得出鋼梁支反力變化趨勢[2]，這對同類型橋梁頂推施工具有一定指導作用和日后相關鋼拱橋頂推施工研究提供參考依據。

2 頂推施工方案探討

2.1 工程背景

本文以大瑞鐵路怒江特大橋為研究對象。 大橋主橋為跨度490 m 上承式鋼桁架拱橋，為四線車站橋，線間距均5 m。 橋梁全長為1 024.2 m，主橋梁部為(14×37.2)m 連續鋼箱梁；引橋為(7 ×41)m 和(5×41)m 連續鋼混結合梁，鋼梁材質為Q345qD。 橋梁布置詳見圖1、圖2。

圖1 大橋總平面圖

圖2 大橋立面圖(單位:cm)

主橋鋼箱梁全長520.8 m，鋼箱梁分兩幅設計，每幅橋面板寬12.45 m，全橋寬24.9 m。 縱向分為14個節段，每個節段長度37.2 m。 總重量7 265.6 t。 鋼箱梁斷面如圖3 所示。

圖3 主橋鋼箱梁橫向截面圖(單位:mm)

邊跨鋼混結合梁布設于拱上鋼箱梁兩側，瑞麗側鋼梁長度205 m，大理側鋼梁長度287 m。 鋼混結合梁橫向分為左右兩幅，兩幅總寬度23 m；縱向分為7 個節段(大理側)和5 個節段(瑞麗側)，每個節段長度41 m。 總重4 922.9 t。 鋼混結合梁橫向截面圖如圖4 所示。

圖4 引橋鋼混結合梁橫向截面圖(單位:mm)

2.2 頂推方案探討

常見的頂推施工通常是沿橋縱軸方向借助于鋼導梁向前頂推。 對于預應力混凝土橋梁，通常需在橋臺后方路基段設置橋梁預制場，待混凝土梁體達到設計允許強度并完成預應力張拉后再進行頂推作業。 本階段梁體頂推完畢后預留出底座空間繼續下一個梁段的施工，后續施加預應力與前次梁段聯結，循環此工序直至將全部梁段澆筑頂推完成。 最后進行體系轉換，接著進行主橋連續鋼梁的施工。 對于鋼梁，在橋臺后側設置拼接平臺，頂推一節段完畢后，在拼接平臺預留出后續接長空間，拼接(栓接或焊接)后續節段，直至完成整座橋梁梁段。

本工程采用纜索吊裝先實現拱橋主橋的安裝架設，然后作為探討的方案之一利用拱上鋼箱梁橋面作為長平臺進行頂推施工[3]。 引橋部分組合梁鋼梁分兩幅，以大理岸側為例，在虛擬的橋面長平臺上對邊跨主梁進行頂推，且每次只頂推單幅，頂推完成后，再頂推另一幅。 施工過程中先在主梁橋面架設好滾軸支座，把大理一側邊跨主梁吊裝到鋼箱梁橋面上并與滾軸支座連接，然后施加縱向水平推力，從大理側7＃交界混凝土墩一直頂推到0＃臺頂，多點步履式頂推裝置依據平移千斤頂行程每次同步步進約0.45 m，一次頂推的控制階段長度為10.25 m，隨著施工進程，不斷重復頂推長度10.25 m，直到一次完成既定的工程量。 累計39 個施工階段可完成全部進度，直至將整個引橋鋼梁頂推至設計位置，頂推步驟如圖5 所示，步驟中沒有示出導梁的安裝和拆除。

圖5 頂推施工步驟圖(僅以大理岸半拱跨結構示意)

2.3 擬采用頂推系統

鑒于怒江特大橋拱上立柱較柔，立柱頂部空間有限，采用多點頂升步履式頂推全套施工設備，便于及時對施工過程中梁體線形進行糾偏和控制。頂推設備運行系統由頂推機械升降前進系統、頂推液壓驅動系統和頂推數控系統三大部分組成[4]。其中頂推機械升降前進系統是直接作用于梁體實現頂推過程的裝置；頂推液壓驅動系統是為頂推機械升降前進系統提供動力的裝置；頂推數控系統是頂推進行數字化集中控制，保證頂推施工同步性，并采集施工信息。 步履式頂推施工時以頂升、前進、降落、回縮四步組成一個循環工作，以此為一個工作節點不斷循環，實現鋼梁體的頂推平移前進，工作流程如圖6 所示。 另外，為保證鋼梁頂推過程中各頂推設備的同步性，減少鋼梁軸線位移偏差滿足連續梁整體線性控制，采用頂推數控系統中位移傳感器、壓力傳感器數據傳輸到電腦終端實時對頂推設備油缸、支撐頂升油缸、橫向調整油缸的受力和行走狀態進行監測，并根據檢測數據及時調整油缸壓力，確保各支墩頂推設備的支反力最大可能達到均衡狀態，便于將頂推過程中梁體的軸線偏差控制在施工設計允許范圍內，保證鋼梁平穩推進至設計位置。

圖6 步履式頂推設備施工流程

3 頂推施工建模計算及分析

3.1 有限元模型建立

選梁格法模擬鋼主梁，采用專業橋梁計算軟件建立引橋的頂推施工模型[5]，頂推施工計算的施工階段擬分為39 個步驟，共計37 178 個單元，頂推施工階段擬定見表1。

表1 計算模型中對施工階段的劃分

續表1

3.2 頂推鋼梁支反力變化趨勢分析

相較于在橋臺后設置預制場澆筑梁段，利用拱上鋼箱梁作為頂推平臺，除了考慮頂推時各墩頂的支反力，還要注意頂推鋼梁對拱圈的支反力影響。 因此，需從各墩頂和拱圈桁桿所承受的內力兩方面來探究頂推鋼梁支反力變化的趨勢[6-7]。 在頂推過程中，由于邊跨主梁不斷移動到邊跨，拱圈主梁上的滾軸支座逐漸減少，定義拱圈主梁上滾軸支座編號從大理至瑞麗方向依次定義為支座F1 ～支座F16。 對于一幅箱梁而言，每排滾軸支座橫向分布4 個，以頂推前進方向為正方向，各支座從右往左分別編號為1 號支座(H1)、2 號支座(H2)、3 號支座(H3)、4 號支座(H4)。 由于每幅箱梁左右對稱，故僅研究每排滾軸的1 號支座和2 號支座的支反力即可[8]。

在實際頂推施工過程中，第一排支座處承受較大的支反力，也是最容易出現問題的地方[9]。 為此我們以第一排支座F1 和第九排支座F9 為研究對象就支反力變化趨勢進行探究[10]。

從圖7 可知：在CS06 階段，即頂推41 m，頂推鋼梁第一次達到最大懸臂狀態時，支座F1 支反力達到峰值1 398 kN。 在整個頂推過程中，支座反力呈現明顯的周期性變化，這與每一跨頂推過程都是周期性重復的情況相符合[11]。

圖7 支座F1 支反力變化

根據圖8 可知：支座F9 支反力變化呈現于支座F1 類似的周期性變化，這說明確實是由于頂推過程周期性重復，導致支座反力變化呈現周期性的特性[12]。 從H1 支座來看，支反力變化幅度在200 kN以內，在第一跨頂推過程中，支反力達到峰值時處于CS05 階段，即最大懸臂階段CS06 的前一個階段，在鋼梁頂推至跨度中間位置處，支座反力達到最小。 之后頂推過程中，支反力變化與第一跨情形類似。

圖8 支座F9 支反力變化

對于墩頂支反力變化趨勢研究，怒江特大橋中7＃墩高度最高，其穩定性及受力特性問題最為關鍵，因此選取7＃墩為研究對象。

從圖9 中可知：墩頂支座H1 和H2 的支反力呈現同步變化，支反力變化呈現周期性的特點[13]。 在CS06 階段，即頂推41 m，頂推鋼梁第一次達到最大懸臂狀態時，墩頂支座反力達到峰值1 082 kN。 在CS03～CS08 階段，可以看出支座反力變化幅度較大，這說明當導梁距離該主墩較近時，該主墩頂支座反力隨施工過程變化較大；當導梁距離某一主墩較遠時，該主墩的支座反力隨施工過程變化較小[14]。

圖9 7＃墩頂支座反力變化

4 結論

(1)由于頂推過程的重復性，可以明顯發現頂推鋼梁的支反力變化趨勢呈現周期性的特點。

(2)對于墩頂支座反力來說，當導梁距離該主墩較近時，該主墩頂支座反力隨施工過程變化較大；當導梁距離某一主墩較遠時，該主墩的支座反力隨施工過程變化較小。