預應力混凝土連續梁橋頂推施工過程仿真分析

嚴定鈺

（江蘇東聯工程檢測有限公司 江蘇 21000）

當新建城市橋梁需要用來跨越既有鐵路運營線時，為了不中斷繁忙的運營線，最大限度減小對既有運營線路的影響，一般會采用頂推法進行施工，即對預制好的梁體，以鋼導梁進行導向，在四氟乙烯板的滑塊間，采用千斤頂縱或橫向推進至設計位置，實現跨越既有路線。在步履式多支點頂推施工過程中，由于主梁在臨時墩上的支承約束位置會發生不斷的變化，導致頂推梁體的內力與撓度會隨著頂推進程不斷地發生變化，這種變化使得頂推過程中主梁的受力變得十分復雜[1-5]。因此，對頂推施工進行全過程的計算仿真分析，可為具體工程的頂推施工提供理論指導。

1 工程概況

省道齊富公路嫩通高速至嫩江大橋段跨平齊鐵路及哈齊客專分離式立交橋，橋梁全長566.04 m，共7聯24孔。其中第4聯主橋跨鐵路段為（40+60+40）m三跨混凝土連續梁結構，共兩幅，主梁為單箱雙室預應力混凝土箱梁。橋梁中間80 m梁段要采用頂推法施工，頂推距離99 m，頂推就位后兩端剩余30m梁段采用支架原位現澆，進行邊跨合龍。按照設計圖紙，考慮防撞墻、橋面、導梁等附屬結構，單幅頂推理論重量為4500 t。根據頂推重量，擬采用兩臺250 t和兩臺350 t連續千斤頂頂推施工，頂推施工需要在鐵路封鎖時間內進行，主橋頂推梁段立面布置如圖1所示。

圖1 主橋頂推梁段立面圖（單位：cm）

2 頂推施工過程

主橋預應力混凝土箱梁采用頂推法施工，簡述頂推施工過程如下：

（1）試頂推

頂推前先進行試頂，頂進距離為6 m。試頂過程中記錄頂推力大小、頂推梁前進速度、滑塊的工作情況、各種設備的運轉情況、結構物關鍵點的受力情況等相關參數，并與理論參數進行對比，進而調整頂推相關參數為正式頂推做好準備。

（2）正式頂推

正式頂推分三次進行，頂推距離分別如下：

第一次頂推距離為23 m，前導梁頂過L1號臨時墩中心線2.34 m，要點時間為60 min，頂進速度為23 m/h。第二次頂推距離為31 m，前導梁頂過11號墩中心線2 m，要點時間為90 min，頂進速度為20.7 m/h。第三次頂推距離為39 m，梁體頂推到位，要點時間為110 min，頂進速度為21.3 m/h，頂推至最后2 m時將頂推速度放慢為2 m/h進行梁體就位調整。頂推結束后，11號墩和12號墩兩側各有10 m的梁長。

3 施工過程仿真分析

由于主梁存在15°的斜交角，模型采用梁格法建立，整個結構分析建模有以下幾個要點：每頂推1 m作為個施工階段，每個施工階段認為結構一次形成；頂推施工采用墩動梁不動模擬，每頂推一次，支承邊界變更一次。導梁與主梁完好的結合在一起共同工作。

3.1 計算參數

（1）結構自重：混凝土容重取值為26 kN/m3，鋼材容重取值78.5 kN/m3。

（2）二期恒載：橋面鋪裝荷載：中梁取值19.73 kN/m；外邊梁取值10.76 kN/m；內邊梁取值23.26 kN/m。護欄荷載：頂推梁段外邊梁取值21.50 kN/m；現澆段內、外邊梁取值10.75 kN/m。

（3）混凝土與預應力計算參數的取值見表1。

表1 C50混凝土與預應力鋼束參數表

3.2 施工階段模擬

本項目頂推橋梁施工主要包括：主梁頂推就緒、試頂推、正式頂推、頂推就位、落梁、施工剩余合龍梁段、二恒施工、成橋運營。按施工圖所述施工流程，從頂推開始到成橋階段，本次計算模擬共劃分105個施工階段，各施工階段內容要點見表2，施工階段模擬見圖3。

表2 各施工階段的內容要點

圖2 施工階段模擬圖

4 有限元計算結果

4.1 應力計算結果

通過頂推施工過程的計算分析，主梁在在距梁端10.5 m處（A1截面）及距梁端21m處（A2截面），出現變化幅度較大的彎矩，具體位置如圖3、圖4所示。

圖3 頂推過程中主梁應力最不利位置布置圖（單位：cm）

圖4 箱梁截面應力測點布置（單位：cm）

根據計算，A1和A2截面從頂推開始到頂推結束的理論應力變化時程圖如圖4-4和圖4-5所示。

由圖5、圖6可知，整個頂推過程中，主梁A1截面在頂推58 m時，上緣出現最大壓應力為-6.67 MPa，下緣出現最小壓應力為-0.09 MPa；在頂推就位時，上緣出現最小壓應力為-2.35 MPa；下緣出現最大壓應力為-5.11 MPa。主梁A2截面在頂推51 m時，上緣出現最小壓應力為-0.89 MPa，下緣出現最大壓應力為-11.0 MPa，在頂推98 m時，上緣出現最大壓應力為-6.51 MPa，下緣出現最小壓應力為-3.29 MPa，整個頂推過程中主梁截面未出現拉應力。

圖5 A1截面理論應力變化時程曲線

圖6 A2截面理論應力變化時程曲線

4.2 撓度計算結果

根據本橋施工階段仿真模擬計算結果，頂推過程中導梁的前端和頂推梁段前端豎向變形變化幅度較大，具體位置如圖7所示。

圖7 頂推過程中主梁撓度最不利位置布置圖（單位：cm）

根據計算，A-1和A-2截面從頂推開始到頂推結束的理論撓度變化時程圖如圖8、圖9所示。

圖8 頂推過程中前導梁梁端撓度變化時程曲線

圖9 頂推過程中主梁前端撓度變化時程曲線

由圖8、圖9可知，前導梁在頂推97 m時即將上10#主墩前，出現最大懸臂狀態，最大撓度為70.3 mm；主梁前端在頂推97 m時出現最大撓度為-14.1 mm。

4.3 預拱度計算結果

為保證橋梁成橋后線形滿足設計要求，主梁立模標高應考慮預拱度設置，主梁的預拱度主要由以下的幾方面的梁體豎向變形組成：（1）頂推到位后梁體豎向變形；（2）邊跨現澆后梁體豎向變形；（3）二期恒載施工完梁體豎向變形；（4）考慮10年混凝土收縮徐變效應引起的豎向變形；（5）1/2汽車荷載引起的豎向位移；（6）頂推梁段和邊跨現澆段支架的彈性變形按預壓實際結果以各跨跨中的最大值按2次拋物線反設。

通過理論計算分析，主梁預拱度設置如圖10所示。

圖10 預拱度曲線圖

主梁的立模標高需在給定的設計高程基礎上考慮主梁的預拱度來確保主梁最終的成橋線形。

5 結論

本文以一座三跨預應力混凝土連續梁為工程背景，介紹了連續梁橋的頂推施工步驟，并通過有限元軟件Midas/Civil建立該橋的梁格計算模型，對整個頂推施工進行仿真計算分析，得出整個頂推施工過程中的主梁應力、變形最不利位置，并對不利位置進行整個施工過程的計算，計算結果表明：

（1）整個頂推過程中，主梁A1截面的應力變化范圍為-0.09 MPa～-6.67 MPa，A2截面的應力變化范圍為-0.89 MPa～-11.00 MPa，整個頂推過程中主梁不會出現拉應力。

（2）整個頂推過程中，97m時即將上10#主墩前，前導梁梁端、主梁前端出現最大撓度變形，此變形能夠滿足正常上墩要求。

（3）主梁立模標高需考慮主梁預拱度，確保成橋后主梁線形滿足設計要求。

（4）整個頂推過程的仿真計算可為現場施工提供理論指導。