基于頂推法的高架鋼箱梁橋施工技術*

安海兵，王煥平，王麗梅，周泰華，張群生

(中建六局土木工程有限公司，天津 300457)

0 引言

橋梁通常采用鋼箱梁結構，鋼箱梁也稱鋼板箱型梁，具備自重較小、強度較高等特點，且跨越能力良好[1-3]。鋼箱梁可通過多種方法完成施工[4]，如何在不影響橋下交通的同時，以最少的施工成本完成鋼箱梁施工是重難點。頂推法施工過程中無須使用支架及大型機械設備，因此，可在施工場地較小的情況下完成鋼箱梁施工。程少東等[5-6]針對分別展開相關研究，提出的拼裝和吊裝技術可較好完成鋼箱梁施工，但消耗較大物力。本文以最小物力消耗為前提，在占地最小的情況下施工鋼箱梁，研究基于頂推法的高架鋼箱梁橋施工技術。

1 工程概況

某高架鋼箱梁橋為等高連續(xù)鋼箱梁，長170m，為單箱雙室閉合截面，橋梁頂板寬15m，底板寬9.5m，懸臂長2m，橋梁中心線高出鋼箱梁外輪廓2.2m，鋼箱梁采用Q345，Q370鋼材質，工程平面結構如圖1所示，施工現(xiàn)場如圖2所示。

圖1 高架鋼箱梁橋結構平面(單位:m)

圖2 工程施工現(xiàn)場

2 基于頂推法的鋼箱梁施工技術

步履式頂推施工技術由智能控制、基座、液壓油缸(頂升、側移、頂推)、驅動系統(tǒng)等組成。智能控制通過計算機程序控制千斤頂移動，完成頂升、側移、頂推等操作。通過千斤頂縱向頂升鋼梁后，推動鋼箱梁向前移動[7]，控制千斤頂回落，使鋼箱梁降落在墊塊位置上，控制水平千斤頂歸位。循環(huán)上述操作，將鋼箱梁推移至理想位置。頂推控制如圖3所示，共確定6組(對應2個點為1組)頂推點，各頂推點推力如表1所示。

圖3 頂推控制施工示意

2.1 有限元分析模型

采用MIDAS Civil軟件構建高架鋼箱梁橋有限元模型，如圖4所示。

圖4 有限元模型

鋼箱梁主梁模擬采用190個梁單元，鋼箱梁分為12個施工節(jié)段，依據(jù)鋼箱梁結構，修正模型容重[8]。頂推過程中，通過激活強制位移進行模擬，由于混凝土橋面和鋼箱梁間存在共同耦合受力的情況，因此，該模擬采用剛性連接。成橋時，墩頂和支座下節(jié)點間的自由度為全部約束，采用彈性連接完成支座模擬后，將剛度數(shù)值輸入其中。

2.2 鋼箱梁抗傾覆穩(wěn)定性計算

頂推法施工過程中，由于軸線偏移、支點縱橫向間距及風荷載等因素均影響橋梁傾覆穩(wěn)定性[9]，因此，需計算鋼箱梁在穩(wěn)定情況下的傾覆穩(wěn)定性。

設橋梁總荷載為F總，包含橋梁自重和施工荷載，穩(wěn)定狀態(tài)下，橋梁傾覆扭矩和穩(wěn)定扭矩相等，公式如下：

F總e+F內e內=F外e外

(1)

式中：e表示偏心距，對應總荷載；F內，F(xiàn)外分別表示內側支座和外側支座的支反力；e內表示內側支座和梁體間距，e外表示外側支座和梁體間距。

F總=F內+F外

(2)

(3)

如果橋梁橫向傾覆處于臨界點，則F內=0，且e=e外；如果梁體處于穩(wěn)定狀態(tài)，則ee外，此時，穩(wěn)定系數(shù)計算如下：

(4)

式中：k>2.5時，表示橋梁穩(wěn)定性滿足規(guī)范標準。

2.3 橋梁風險概率和損失分析

為分析采用頂推法的施工質量，可通過模糊分析法定量分析施工后橋梁的風險概率[10]。

設Ω表示風險空間，對應鋼箱梁存在的任意風險事件A，Ω用B1,B2,...,Bn進行劃分，鋼箱梁質量風險全概率計算如下：

(5)

對于A(P(A)>0)來說，發(fā)生質量風險的概率如下：

(6)

式中：Ai表示引發(fā)鋼箱梁質量風險A的因素；Bi表示引發(fā)鋼箱梁質量風險B的因素，對應各種風險。基于貝葉斯理論即可完成鋼箱梁質量風險源的先驗、后驗及似然3種概率，利用式(5)可獲取全部風險源的風險概率，取值范圍為(0.001，1.0)，將其劃分成3個階段，分別為(0.001，0.009)，(0.01，0.09)，(0.1，1.0)，即沒有風險、可能存在風險、存在風險。

計算風險概率后，需判斷該風險造成的損失，基于模糊分析構建模糊風險損失綜合評價模型，首先構建風險因素集和風險損失責備集，分別用U={UCij}和V={v1,v2,v3,v4}表示，Ci,j表示風險因素，V中的4個因素分別表示風險損失等級，即較低、一般、較大、嚴重，依次用等級1～4表示，依據(jù)隸屬函數(shù)得出如下模糊評價模型：

Gi=Wij·Rij

(7)

式中：Gi，Wij，Rij分別表示判斷結果向量、權向量及判斷矩陣。以此確定基于頂推法完成鋼箱梁施工過程中，各風險源造成的質量風險等級。

3 試驗結果分析

3.1 施工工藝分析

通過MIDAS模型計算鋼箱梁承載力：

q=1.45[(D2-d2)fc+d2fy]-26.1

(8)

式中：D表示鋼板開孔直徑；d表示貫穿鋼筋直徑；fc表示抗壓強度；fy表示貫穿鋼筋屈服強度。

將模型數(shù)據(jù)輸入MIDAS中模擬鋼箱梁頂推施工過程，關鍵工況如下：①工況1 完成45m長鋼箱梁的拼裝，頂推至20m，使導梁位于2號墩；②工況2 完成40m長鋼箱梁拼裝，頂推至25m，使導梁位于3號墩；③工況3 完成40m長鋼箱梁拼裝，頂推至30m，使導梁位于4號墩；④工況4 完成45m鋼箱梁拼裝，頂推至35m，使導梁位于5號墩；⑤工況5 繼續(xù)頂推20m，將鋼箱梁推至目標位置，拆除導梁。

根據(jù)關鍵工況施工詳情，在這5種工況下，臨時墩的臨時最大支反力、鋼箱梁最大拉應力和壓應力、導梁最大撓度結果，如表2所示。

表2 施工技術分析結果

表2中，采用頂推法施工鋼箱梁過程中，工況3中的鋼箱梁累計頂推高度為75m，臨時墩的最大支反力、鋼箱梁最大拉應力和壓應力、導梁最大撓度分別達1 797kN，89.51MPa，-19.7MPa，397.1mm，此時，導梁已達最大懸臂狀態(tài)，導致鋼箱梁產生不均勻應力，影響穩(wěn)定性，為保證鋼箱梁安裝穩(wěn)定性，應采用臨時支撐等方式輔助鋼箱梁施工。

3.2 鋼箱梁強度分析

采用頂推法施工鋼箱梁后，可通過鋼箱梁承載力判斷施工技術的優(yōu)劣，結合鋼箱梁荷載，計算鋼箱梁極限承載力。該測試中，結合橋梁自重荷載、車輛行駛荷載、支座沉降荷載、梯度溫度變化荷載，獲取鋼箱梁結構在綜合荷載下的應力分布，如圖5所示。

圖5 鋼箱梁在綜合荷載下的應力分布

依據(jù)圖5可知，在多種組合荷載下，鋼箱梁結構應力分布不均勻，應力方向趨于集中，且集中應力過大，使鋼箱梁不穩(wěn)定。因此，施工過程中，應實時關注每個工況的穩(wěn)定性，及時調整施工工況方案，保證施工后橋梁的穩(wěn)定性，避免集中應力過大。

3.3 穩(wěn)定性分析

頂推法施工過程受多種因素影響和干擾，施工時易出現(xiàn)支點脫空、軸線偏移等問題，且受風荷載影響，故從以上3個方向分析頂推法施工的優(yōu)劣。

3.3.1支點脫空對鋼箱梁穩(wěn)定性的影響

選取鋼箱梁內、外側各4組對應支點，研究分別脫空后的穩(wěn)定系數(shù)變化情況，如圖6所示。

圖6 支點脫空后穩(wěn)定系數(shù)變化結果

由圖6可知，內、外兩側第1組支點發(fā)生脫空后，內側k<2.5，外側略高于2.5，表明第1組支點脫空后，對鋼箱梁穩(wěn)定性影響較大，其抗傾覆穩(wěn)定性不滿足標準需求；其他支點脫空后，k均較大程度高于2.5的標準需求。表明采用頂推法施工鋼箱梁過程中，對端部支點的頂推尤為重要，需保證該位置支點不發(fā)生脫空，以保證鋼箱梁的抗傾覆穩(wěn)定性。

3.3.2軸線偏移對鋼箱梁穩(wěn)定性的影響

頂推法施工過程中，均設定中軸線，但實際操作時，中軸線與設定中軸線會產生間距，即軸線偏移。軸線偏移后穩(wěn)定系數(shù)變化如圖7所示。

圖7 軸線偏移后穩(wěn)定系數(shù)的變化結果

由圖7可知，軸線偏移距離越大，k值越低，當偏移距離>30cm后，k值臨近最低標準甚至低于標準值，因此，施工過程中，需控制軸線偏移距離≤30cm。

3.3.3風荷載對鋼箱梁穩(wěn)定性的影響

鋼箱梁施工過程中，風荷載影響鋼箱梁的穩(wěn)定性，因此，將風荷載數(shù)據(jù)輸入MIDAS計算模型中，通過調節(jié)不同風力等級，模擬風荷載對鋼箱梁穩(wěn)定性的影響，獲取不同風力等級下k值的變化，如圖8所示。

圖8 風荷載變化下穩(wěn)定系數(shù)的變化結果

由圖8可知，隨著風力等級逐漸增加，k值逐漸下降，但仍顯著高于標準值。當風力等級達到6級后，k值為4左右，明顯高于標準值，結合各橋梁施工規(guī)范制度，當風力等級>6級后，應停止施工，因此，風荷載對鋼箱梁施工影響較小，對鋼箱梁抗傾覆穩(wěn)定性能的影響可忽略不計。

3.4 風險概率評估和風險損失等級判斷

通過橋梁風險概率和損失分析，模擬施工過程中的風險概率評估和風險損失等級判斷測試。結合橋梁自重荷載、車輛行駛荷載、支座沉降荷載、梯度溫度變化荷載等荷載組合，獲取頂推施工技術在5種施工工況下，每個工況的風險概率和風險損失結果，以分析頂推施工技術的施工質量，結果如圖9所示。

圖9 風險概率評估和風險損失等級判斷結果

由圖9可知，5種工況中，每個工況的風險概率和風險損失結果均存在一定差異，其中工況3的風險概率約為0.02，存在較低的風險損失，其余工況的風險概率均低于0.009，表明不會造成風險損失。因此，采用頂推法施工鋼箱梁時，及時調整施工工藝，即能夠保證良好的施工質量。

4 結語

頂推法是跨度較大橋梁的主要施工技術[11-16]，本文對高架鋼箱梁橋施工中的應用展開研究，結合有限模型及穩(wěn)定性計算和風險概率計算，獲取該技術的施工效果和工程質量。結果顯示，采用該技術施工鋼箱梁過程中，應控制脫空支點和軸線偏移距離，以保證良好的施工效果和橋梁質量。