單主纜懸索橋主梁在頂推施工中的局部受力特征

黃宗光， 羅 天

(1.南寧城市建設投資集團有限責任公司， 南寧 530033； 2.四川省公路規劃勘察設計院有限公司， 成都 610041)

20世紀70年代頂推施工方法在我國開始應用，1977年建成的狄家河橋是我國首座應用頂推法建成的橋梁，之后隨著我國橋梁的大量建設，頂推法施工技術快速發展。頂推法早期僅應用于PC梁，但隨著橋梁建設設備和施工工藝的發展，頂推技術在大跨橋梁的建設中顯示了較大優勢，已在橋梁建設中占據了極其重要的地位[1-4]，各種類型的橋梁中均有成功使用該施工方法的工程案例[5-6]。隨著建設設備的進步，頂推法施工技術在效率和精度上均有了質的飛躍[7-9]，逐漸形成了拖拉式多點連續頂推、楔進式多點連續頂推、步履式多點連續頂推等方法。在頂推法施工過程中，結構和部件局部受力反復變化，需確定最不利狀態是否滿足受力要求。為確保施工安全，許多學者進行了研究。姚志立等[10]針對不同高程滑道結構受力的問題進行有限元模擬分析，發現高程對結果影響很大。衛星等[11]通過有限元模型對W型槽梁在頂推施工中的時變剪力滯效應進行深入分析，給出了最大剪力滯系數范圍和影響因素。董創文等[12]給出了連續梁頂推導梁關鍵系數的確定方法并進行了驗證。張華平等[13]針對斜度在頂推施工中對結構受力的影響進行了研究，得出了應力影響規律。夏學軍等[14]通過橋梁整體和構件進行受力分析，給出了頂推施工過程中通過合理設置臨時墩等措施改善構件受力的建議。

南寧英華大橋是首次利用頂推技術施工的大跨單索面懸索橋，本文通過有限元分析，針對單主纜懸索橋的頂推施工技術進行了詳細研究，模擬了頂推法施工的詳細施工過程和主梁局部受力特征，得到了不同施工技術參數對施工階段應力的影響規律，并對最不利工況提出設計建議，成果供同類型橋梁頂推施工參考。

1 工程概況

英華大橋位于南寧市，承接起江南片區與瑯東區的聯通任務，為多個區域的經濟、社會發展起到重要作用。英華大橋為雙塔單主纜鋼箱梁懸索橋，橋跨布置為351 m +390 m +209 m，橋塔為混合式橋塔，下塔柱為預應力混凝土結構，上塔柱為鋼結構。橋梁矢跨比1/9，吊索間距10 m，如圖1所示。主梁為流線型鋼箱梁，梁寬37.7 m，高3.5 m，如圖2所示。

單位：cm

單位：mm

2 英華大橋頂推施工技術的原理和實施方法

2.1 頂推施工技術工法

頂推施工法是在沿橋縱軸方向的臺后設置預制場地，分節段或全部預制上部結構，并將預制節段與施工完成的梁體聯成整體，然后通過水平千斤頂施加力將梁體向前頂推出預制場地，之后繼續在預制場進行下段梁的預制，循環操作直至施工完成。這種技術適用于橋梁跨越深谷、不可間斷交通運輸線、難以拆遷的建筑物以及對施工噪音有嚴格限制的地區。

英華大橋頂推系統采用集中控制系統，并依靠電液比例控制技術，有極高的施工精度。考慮到英華大橋的通航需求、現場環境、經濟效益等綜合條件，采用步履式頂推法進行施工。為了適應英華大橋臨時墩高差的特殊性，確保頂推過程安全平穩，共采用20套步履式頂推系統多點頂推，每2套對稱布置在箱梁底部，整個過程分為頂、推、降、縮4個工作階段，確保每個階段都能達到很高的精度，從而保障施工的質量。

2.2 頂推法施工過程

由于現場條件受限，鋼箱梁在工廠加工后運輸至現場進行拼裝，過程如下：1) 在箱梁加工的同時在邊跨設置頂推平臺，在主跨之間搭建7個臨時墩，臨時墩跨距為30 m+40 m+5×60 m+40 m，如圖3所示；2) 臨時墩最大間距為60 m，為保證主梁能安全的進行頂推施工，避免過大的撓度，必須設置導梁。根據該橋結構特征和周圍環境要求，導梁設計長度為40 m，分4個節段，總重約125 t；3) 臨時支墩上安裝3層分配梁，高度調整墊座、頂推裝置等； 4) 前期準備工作完成后，按頂推施工步驟進行施工。

2.3 頂推施工步驟

英華大橋利用頂推施工技術，其頂推過程可分為4個步驟：1) 啟動各墩上的頂推設備；2) 頂升千斤頂通過控制系統伸缸到設定活塞行程，將整個頂推裝置和鋼箱梁頂起，離開墊梁一段距離；3) 通過控制系統同步控制頂推千斤頂伸缸，推動上滑塊帶動鋼箱梁向前移動至設定好的活塞行程位置，鋼箱梁前移，當鋼箱梁移動到系統設定的位移量后(500 mm)，頂升千斤頂活塞縮缸回程，使鋼箱梁落在墊梁上進行力系轉換，水平千斤頂回行程到原始狀態，完成一個行程頂推,如此反復，直至完成整個主梁的架設；4) 進行全橋線性調整，保障橋梁線性達到設計要求。頂推設備及步驟如圖4所示。

(a) 立面

(b) 構造

3 英華大橋頂推過程的有限元分析

在頂推施工過程中,隨著鋼箱梁頂推長度的增加，箱梁每個截面的內力呈現出正、負彎矩的交替變化，需對整個頂推過程鋼箱梁的受力進行分析，確保結構受力在容許范圍內，保障施工安全。本文采用Ansys軟件對單主纜懸索橋主梁在頂推施工中的局部受力特征進行研究。

3.1 建模及參數選取

鋼箱梁局部實體模型采用板單元，實體部分為一個標準節段；其余位置(頂推支架、上方橫梁、分配梁等)采用梁單元建模。在實體模型底部有支撐的位置，用彈性支撐，模型中采用彈簧單元模擬，彈簧單元的剛度由橡膠墊的尺寸決定，尺寸為1 600 mm×900 mm×100 mm。鋼箱梁材料性能參數如表1所示，部分部件有限元模型如圖5所示。

3.2 邊界條件

邊界條件設置在滑塊支承點處，約束豎向位移。計算荷載包括自重+臨時施工荷載+風荷載+步履機荷載。其中，自重荷載按照中桁重量取值，臨時施工荷載按2 kN/m均布荷載，施工階段風荷載按8.85 kN/m計算，步履機荷載按步履機豎向限壓荷載的0.3倍考慮。

(a) 開啟頂升千斤頂，鋼梁脫離墊梁

(b) 開啟頂推千斤頂，鋼梁前移

(c) 到達指定位置，鋼梁下降

表1 鋼箱梁材料參數

3.3 模擬工況

根據施工流程和最不利條件選擇4種工況：1) 工況1：頂推最大懸臂35 m，導梁25 m，此時導梁前進處無支撐；2) 工況2：頂推最大懸臂35 m，導梁25 m，此時導梁前進處有支撐；3) 工況3：1跨完成時，導梁懸臂25 m；4) 工況4：2跨完成時，導梁懸臂25 m。

(a) 箱梁實體模型

(b) 箱梁底板模型

4 計算結果及分析

4.1 主梁局部部件受力對比分析

根據劃分的典型模擬工況，利用Ansys對不同工況下箱梁的局部受力情況進行計算，并提取各工況下箱梁局部受力最大值，其結果如表2所示。

從表2可以看出，在各工況下，各部件Mises應力極值和剪應力都在材料強度允許范圍內。一般橫隔板的Mises應力極值在工況1最大，工況3最小。其余各部件的Mises應力極值在工況2下最大，在工況3最小。同時，一般橫隔板Mises應力極值高于其他部件(工況2除外)，而縱隔板Mises應力極值低于其他部件(工況3除外)。

吊點橫隔板、一般橫隔板和縱隔板的剪應力變化趨勢大體一致。一般橫隔板和縱隔板的剪應力均是在工況2最大，工況3最??；吊點橫隔板剪應力在工況2最大，工況4最小，如圖6所示。由圖6可見，與其他部件相比，吊點橫隔板在各工況下剪應力最小。縱隔板較其他部件，剪應力最大(除工況4)。

4.2 主梁最不利工況分析

從表2可以看出，在4種工況中，工況2(即頂推最大懸臂35 m，導梁25 m，此時導梁前進處有支撐)時各部件所受應力最大，是最不利工況。在這種工況下，最大應力位置出現在縱隔板橫向加勁肋與底板橫向加勁肋相交處，如圖7所示。在這種情況下，盡管應力值在規定限值內，但設計和施工時也應充分重視，對受力較大的構件和部位在設計階段應進行適當加強。

表2 各工況下的計算結果 MPa

(a) 局部部件 Mises應力極值

(b) 局部部件剪應力

單位：MPa

同時，在頂推過程中，步履機支點的反力也是控制節點之一，可作為最不利工況選取的參照。支點反力可按下式計算：

式中:F為支點反力；N為豎向限壓值；f1為步履機與箱梁間的摩擦系數；f2為滑道與滑塊間的摩擦系數。當豎向限壓值N確定時，f1/f2越大，支點的反力F越大，可實現更大的頂推重量，頂推能力越強。在實際工程多利用墊橡膠和增加潤滑劑等方法調整摩擦系數，以實現更大的推力，不同工況下的支點反力如表3所示。從表3可知，支點反力在工況2時最大，但遠小于設計容許值。這說明頂推跨度布置合理，頂推過程中各結構及設備均安全可控。

表3 各工況下的支點反力 kN

5 結束語

本文對英華大橋的頂推施工技術和施工過程中結構的受力分析進行了研究，得出如下結論：

1) 設置臨時支墩進行頂推，施工過程中鋼箱梁梁體受力滿足要求。

2) 最大應力位置出現在縱隔板橫向加勁肋與底板橫向加勁肋相交的角點位置，在進行設計時應進行加強處理，以免應力集中。

3) 橫向對比4種工況，工況2時各部件所受應力最大，同時頂推水平力所需最大。

4) 利用頂推法進行單主纜懸索橋施工是可行的，但在施工過程中需考慮各結構部件的受力情況，對應力較大處須在設計時進行處理。