軸線偏移對多跨鋼桁梁頂推施工應力影響分析

王金良,陳士通,陳樹禮,馮志超

(1.石家莊鐵道大學土木工程學院,石家莊 050043； 2.石家莊鐵道大學河北省交通應急保障工程技術研究中心,石家莊 050043)

橋梁頂推施工是我國橋梁建設中常用的施工方法之一[1-2]，具有施工設備簡單，施工平穩、高效，不影響既有線路工作等優點[3-7]。但頂推施工過程中梁體空間限位難度較大，左右頂推力的不平衡，滑道的不平順，支架的變形等因素均可影響梁體的空間位置，需要及時測量與糾偏[8-11]。如今，國內對于橋梁頂推偏移的研究多集中于糾偏技術方面，如陳立鋒[12]等提出多向橫向旋轉法對京港澳高速灣門前中橋進行糾偏；張威振[13]提出 “頂拉結合”的方法對某公路橋進行糾偏；邱金喜[14]提出雙幅"類雙層"偏重預應力跨河頂推連續梁橋橫向千斤頂+導向輪頂推糾偏施工工藝。

施工過程中，軸線偏移引起的橋梁桿件內力變化同樣不容忽視。因此，通過對京張高鐵官廳水庫特大簡支鋼桁梁橋[15-18]頂推施工過程中的軸線偏移進行研究，為今后類似工程的設計、施工提供參考。

1 工程概況

京張高鐵官廳水庫特大橋，孔跨布置為8×110 m跨簡支拱型鋼桁梁橋[19]，如圖1所示，上部鋼桁梁梁長109.7 m，分為10個節間，節間長度為10×10.8 m，采用變高曲弦拱形桁架。拱形桁架計算跨度為108 m，跨中桁高19 m，桁寬13.8 m，節間長10.8 m，支座距梁端0.85 m，相鄰兩孔梁支座中心距為2 m。

鑒于“逐孔拼組、分段頂推、整橋到位”的頂推施工指導思想，根據頂推鋼梁孔數和質量，基于橋墩水平承載力的限制，采用分節段多系統同步頂推的方式進行施工架設。鋼桁梁拼裝完成后，進行頂推作業，每頂推1孔鋼桁梁為1次頂推施工過程(共9次頂推)，且每次頂推以10.8 m為節段分10次完成。同時，為便于后續分析，按“L-MN”的方式對全橋桿件進行編號，其中，L=D、1～8，分別代表導梁、第1跨～第8跨鋼桁梁；M=S、F、D，分別代表上弦桿、腹桿、下弦桿；N=1、2……，分別代表對應位置的第n根桿件，具體如圖2所示。

圖1 多跨簡支鋼桁梁橋主體結構

圖2 導梁及鋼桁梁部分桿件編號

2 有限元建模

利用Midas Civil建立有限元模型，頂推施工模擬分析采用梁體固定而支點移動的模擬方式：利用激活單元來模擬鋼桁梁的拼裝，利用邊界條件的改變模擬施工過程。鋼桁梁的主桁架、下平縱聯及橋門架采用的是梁單元，上平縱聯采用的是桁架單元，橫向連接系的上下弦桿采用的是梁單元，橫向連接系的豎桿及斜桿采用桁架單元。全橋空間桿系模型共采用了4 622個節點，6 580個單元，包含129個施工階段。鋼橋在頂推過程中的約束采用節點彈性連接(剛性)模擬滑塊，僅承受壓應力，設置一般支撐。

該橋采用多點頂推的施工方式，滑道布設位置較多，考慮鋼桁梁為線彈性結構，故分析時僅假定鋼桁梁前端發生軸線偏移。此外，鑒于施工過程中對橋梁軸線采用實時監控及橫移糾偏技術進行橋梁形位控制，故分析時軸線偏移取值為2～20 mm，以2 mm為模數調整偏移量，探求軸線偏移對桿件應力的影響。

3 偏移對桿件應力的影響

3.1 偏移對桿件應力極值的影響

頂推施工過程中，為保證鋼桁梁頂推就位后的軸線滿足要求，需對橋梁中軸線進行實時監控及橫移糾偏技術來進行橋梁形位控制。頂推過程中的軸線偏移不僅會導致橋梁形位不滿足要求，還會對桿件內力產生影響[20-21]，圖3～圖5分別給出了第1次、第2次和第3～第9次頂推過程中，桿件(第1孔鋼桁梁腹桿、導梁下弦桿D1～D4)的拉應力極值及桿件(第1孔鋼桁梁下弦桿D2～D9、導梁末端下弦桿D5)的壓應力極值與軸線偏移的關系曲線。

圖3 第1次頂推時桿件應力極值與軸線偏移關系曲線

圖4 第2次頂推時桿件應力極值與軸線偏移關系曲線

由圖3可知，在第1次頂推過程中，軸線偏移量越大，鋼桁梁桿件應力值越大。對于不同頂推階段，軸線偏移對應力的影響程度區別明顯，在頂推施工的前期、中后期階段，軸線偏移量的增加對應力的增幅影響較小，最大幅度在10 MPa左右；在頂推施工的中期、后期階段，軸線偏移量的增加對應力的增幅影響明顯增加，如頂推距離為54 m時，軸線偏移引起的拉應力增幅約為75 MPa。

分析圖4可知，在進行第2次頂推時，對于拉應力而言，隨著軸線偏移量的增大，鋼桁梁拉應力極值出現小幅增加，軸線偏移對鋼桁梁拉應力的影響相對較小，拉應力變化幅度約在5 MPa左右；對于壓應力而言，同樣出現了軸線偏移量越大壓應力越大的整體趨勢。盡管在第2次頂推過程中，軸線偏移對拉應力和壓應力的影響相對較小，但由于第2次頂推時桿件應力水平處于較高水平，尤其是壓應力，施工過程中應予以重視。

圖5 第3～9次頂推時桿件應力極值與軸線偏移關系曲線

由于頂推施工的周期性，第3～第9次頂推施工過程中桿件應力極值隨軸線偏移量的變化趨勢基本相同。分析圖5可知，對于鋼桁梁的拉應力，隨著軸線偏移量的增大，鋼桁梁拉應力同樣出現了小幅增加。當頂推距離在54.0～97.2 m施工階段時，軸線偏移對拉應力的影響相對較為明顯，拉應力變化幅度約為5 MPa；對于壓應力而言，壓應力隨軸線偏移量的增加而增大，但變化幅度較小，且在頂推施工的各個階段變化趨勢相同。

3.2 軸線偏移引起的桿件應力增幅

在總體了解軸線偏移狀態下桿件應力極值水平后，為進一步明確軸線偏移對頂推施工過程中鋼桁梁桿件應力的影響程度，圖6～圖8分別給出了第1～第9次頂推過程中，相對于正常的頂推施工，由于軸線偏移引起的應力增幅曲線。

圖6 軸線偏移下鋼桁梁應力極值差值曲線(第1次頂推)

分析圖6可知，相對于正常的頂推施工作業，第1次頂推時出現軸線偏移，對桿件的拉應力和壓應力均會產生明顯的影響，且軸線偏移量越大，引起的應力增量越大。對于不同的頂推階段，應力差值對軸線偏移量的敏感程度不同，如在頂推施工的前期10.8～32.4 m、中后期64.8～86.4 m，軸線偏移量的增加對鋼桁梁腹桿(F2、F6、F12、F14)的拉應力差值影響較小，而在頂推施工的中期32.4～54 m和后期86.4～108 m，軸線偏移量的增加對腹桿的拉應力差值影響更為明顯。對于不同施工階段，應力差值隨軸線偏移量的增加呈現出了不同的變化規律，如在頂推距離為10.8 m時，腹桿(1-F13)的拉應力應力差值隨軸線偏移量的變化基本呈現線性變化；在頂推距離為32.4，54.0 m時，拉應力應力差值隨軸線偏移量的變化速率出現了先增后減的現象；對于壓應力而言，應力差值基本隨軸線偏移量的增加而線性增加。

圖7 軸線偏移下鋼桁梁應力極值差值曲線(第2次頂推)

分析圖7可知，相對于正常的頂推施工作業，第2次頂推時出現軸線偏移時，鋼桁梁上弦桿(1-S5、1-S6)的拉應力及下弦桿(1-F6、1-F16)的壓應力產生的增幅在7 MPa左右，且軸線偏移量越大，引起的應力增量越大，應力增量隨軸線偏移量增大的變化速率基本相同。對于拉應力而言，當頂推距離為10.8 m、54～97.2 m時，端腹桿(1-F2、1-F16)及導梁下弦桿(D2～D4)的應力對軸線偏移量的變化較為敏感；而壓應力在頂推距離為10.8～43.2 m、75.6～108 m時，第1孔鋼桁梁下弦桿(D2～D5、D7、D8)的應力對軸線偏移量的變化較為敏感。

圖8 軸線偏移下鋼桁梁應力極值差值曲線(第3～第9次頂推)

分析圖8可以看出，與正常的頂推施工作業相比，第3～第9次頂推時出現軸線偏移時，導梁下弦桿(D-D4)的拉應力增幅在4 MPa以內，導梁下弦桿(D-D5)的壓應力增幅在7 MPa以內，且軸線偏移量越大，引起的應力增量越大，應力增量隨軸線偏移量增大的變化速率基本相同。當頂推距離為54～108 m時，第1孔鋼桁梁腹桿的拉應力和導梁端部下弦桿(D-D5)的壓應力均對軸線偏移量的變化較為敏感，其他頂推階段桿件應力隨軸線偏移量的增加變化較小。

3.3 軸線偏移量與最大應力狀態

為進一步明確軸線偏移對桿件應力極值的影響，結合前述桿件最大應力在頂推過程中的出現時段，圖9給出了第2～第9次頂推過程中的最大拉應力狀態(頂推距離86.4 m)下，軸線偏移量與導梁末端下弦桿(D-D4)的應力對應關系曲線及最大壓應力狀態(頂推距離97.2 m)下，軸線偏移量與導梁末端下弦桿(D-D5)的應力對應關系曲線。

圖9 軸線偏移與鋼桁梁桿件應力對應曲線

分析圖9可知，在整橋的9次頂推施工過程中，最大拉應力和最大壓應力均出現在第2次頂推過程中，且均在導梁的下弦桿中出現，因此，第2次頂推過程的應力監控尤為重要。在應力水平較大的第2～第9次頂推過程中，拉應力和壓應力均隨軸線偏移量的增大呈現遞增變化，且基本為線性關系，根據上述分析，考慮到施工安全，宜將軸線偏移控制在16 mm以內，必要時應當對末端導梁下弦桿進行臨時加固。

4 結論

(1)頂推施工過程中，軸線偏移對于第1次頂推過程中鋼桁梁腹桿(1-F2)的應力影響最大，拉應力極值增加約240%左右。對第2～第9次頂推應力極值影響雖不及第1次頂推施工，但第2～第9次無偏移應力極值較大，設計施工過程中依舊不容忽視。

(2)軸線偏移對單次頂推過程中期和后期的影響更明顯，由于頂推施工后期鋼桁梁桿件的整體應力較高，發生軸線偏移更加不利于施工安全，故施工作業時，頂推施工后期的軸線控制更加重要。

(3)桿件的最大拉壓應力均出現在第2次頂推過程中，且均出現在導梁的下弦桿，并隨著軸線偏移量的增加呈線性遞增的趨勢，為保證施工安全，軸線偏移量應小于16 mm，同時應對導梁下弦桿采取臨時加固措施。