連續鋼桁梁頂推受力及模擬分析

林偉

（國能黃大鐵路有限責任公司，山東東營257091）

1 引言

大跨度連續鋼桁梁無支墩導梁頂推法施工技術因其施工工期短、成本、對通航影響小等特點在跨河工程中廣泛運用。本項目鋼梁頂推跨度達到180 m，頂推過程中鋼梁本身及導梁不同頂推工況受力復雜，需要通過理論計算分析結合不同工況模擬頂推、不間斷應力監測調整，方能確保結構及施工安全。

2 工程概況

黃大鐵路黃河特大橋主橋為120 m+4×180 m+120 m下承式明橋面連續鋼桁梁橋，帶豎桿三角形桁式，桁高18.0 m，節間長度10 m，主桁中心距11.0 m，導梁與鋼桁梁等寬,采用無豎桿三角桁架結構，縱向變高度設計，前段40 m、高9 m、節間長度10 m，桿件均采用“H”形截面；后段60 m、高18 m、節間長度20 m，桿件均采用箱形截面；中段設20 m變截面。橋面為大縱梁大橫梁整體正交異性鋼橋面系，全橋總質量約13 420 t，本橋梁布置圖見圖1。

圖1 連續鋼桁梁布置圖

3 頂推施工方案

鋼桁梁采用有導梁多點同步頂推法進行施工，受主橋鋼桁梁桿件結構受力的限制，主梁本身最大懸臂長度只能滿足80 m，考慮導梁自身重量，經計算確定導梁長度采用120 m變截面形式（見圖2）。在114#與115#墩之間設置70 m拼裝平臺用于鋼桁梁拼裝，在距115#墩80 m處設置臨時墩，各墩設置墩旁托架、滑道梁及頂推系統。在鋼桁梁頂推施工中，頂推最大跨度是180 m，鋼梁在跨越117#、118#、119#墩時，最大懸臂長度160 m[1-3]。

圖2 連續鋼桁梁及導梁頂推施工

在拼裝平臺上分節段拼裝鋼導梁和鋼桁梁，通過水平頂推，將梁體向前頂推出拼裝平臺，然后進行下一節段鋼桁梁的拼裝和頂推。利用集中控制系統進行水平連續同步頂推，通過鋼絞線牽引，帶動鋼桁梁與滑塊在滑道上的同步滑移。根據鋼桁梁的受力結構情況，滑塊只能支承在鋼桁梁的大節點下方，因此，每頂推20 m，頂升豎向千斤頂，將滑塊倒換至下一個大節點下方，然后落頂，繼續向前頂推。每拼裝60 m，向前頂推一次，依次循環，頂推步驟如下：：臨時墩施工→頂推安裝平臺施工→橫、縱移滑道籌備→墩頂滑道籌備→拖拉系統籌備→鋼梁制造、運輸→鋼導梁制造→鋼導梁起吊縱移至安裝臺座→安裝梁底錨固鋼結構及側限→安裝拖拉鋼絞線→牽引系統全面檢查簽證→實施頂推→測量同步監測→安裝、調整第1部分鋼梁→鋼導梁與梁段連接→實施頂推→測量、調整梁段落于臨時墩→安裝調整第2部分鋼梁→實施多點頂推→循環施工直至全橋完成[4-6]。

4 頂推受力理論分析

4.1 有限元分析模型

計算程序采用Midas/Civil空間結構分析軟件，施工階段全橋（含導梁）被離散為3 039個單元，其中導梁為210個單元，主梁為2 829個單元，均為梁單元，115#墩頂處為固定約束，拼裝區域、臨時墩及其余支墩處為豎向和橫向約束。成橋階段全橋被離散為2 829個單元，均為梁單元，117#墩頂處為固定約束，其余支墩處為豎向和橫向約束。根據橋架設過程，模擬計算該橋在各種荷載作用下橋梁各構件的內力、變形，為提高鋼桁梁在頂推的初始階段主體結構的抗傾覆能力，在距115#墩前方80 m處設置臨時墩[7]。

4.2 施工過程計算分析

本橋采用有導梁多點同步頂推法進行施工，導梁長度120 m。計算分析鋼梁在跨越117#墩、118#墩、119#墩前懸臂100 m、120 m、140 m、160 m狀態下鋼主梁及鋼導梁的受力狀態，針對不同工況下的結構受力進行對比分析。計算結果顯示，頂推施工過程中，鋼主梁最不利階段出現在鋼導梁跨越118#墩前最大懸臂狀態（見圖3），最大應力為195.2 MPa≤208.8 MPa，滿足設計及規范要求[8]。

圖3 鋼導梁跨越118#墩前最大懸臂狀態應力圖

4.3 穩定性計算分析

全橋鋼結構桿件均進行了穩定性計算，通過計算得出除部分斜桿外，其余桿件在施工階段桿件安全系數均在2.0以上，滿足規范要求。對于不滿足壓桿穩定要求的斜桿，為防止斜桿失穩，對部分斜桿采取措施。設計通過降低受壓桿件長細比，從而提高安全系數。

5 不利工況模擬試驗

鋼桁梁采用無臨時支墩頂推，在116#～119#墩之間不設置臨時支墩，且該段為水上區段，若出現問題后果不堪設想。考慮導梁位于115#與116#墩之間時（該段為岸灘區）進行模擬實驗，若導梁存在問題，在此段暴露出來，便于處理。根據計算分析結果，選取導梁在最大懸臂及最大跨徑時受力最不利的桿件進行應力監測，模擬試驗最不利試驗工況為：鋼梁懸臂（含導梁）160 m和導梁N5節點上墩時鋼梁180 m簡支工況。

5.1 模擬試驗方案

試驗工況（1）：鋼桁梁主梁長度180 m，導梁長度120 m。E4節點支墊1#臨時墩中間位置，116#墩旁支架上的滑塊脫空，鋼梁處于懸臂160 m狀態，見圖4。滑塊脫空的步驟如下：

圖4 鋼桁梁懸臂試驗示意圖

116#墩旁支架前端的千斤頂先緩慢頂升3 cm，使滑塊與梁底脫空，然后再將滑塊上的鋼板抽出10 cm厚，千斤頂以1 cm/min的速度緩慢下落，使千斤頂上的分配梁與梁底脫空，然后再將分配梁上的抄墊鋼板抽出10 cm。如此循環，直至梁底與滑塊和千斤頂分配梁都脫空。落梁時每落頂5 cm暫停5 min，并同時監控千斤頂的頂升力，當千斤頂頂升力小于100 t，每次落頂1 cm，觀測5 min，未出現異常情況時再進行下一次落頂。利用望遠鏡在地面對逐個節點及節點板觀測，觀測鋼梁有無異常情況發生。

試驗工況（2）：鋼桁梁主梁長度180 m，導梁長度120 m。支撐在1#臨時墩前端的E0節點脫空，E10節點支墊115#墩旁支架前端，N5節點支撐在116墩旁支架的前端，此時跨中間距為180 m，見圖5。

圖5 鋼桁梁上墩試驗示意圖

5.2 鋼梁懸臂模擬試驗測試結果

根據計算主梁在懸臂狀態時，對受力不利處桿件（導梁部分：ZN4、YN4、Z7、Y7、ZM4、YM4、ZN11、YN11、Z17、Y17、ZM11、YM11；主 梁 部 分：ZE3E4、YE3E4、ZE4A5、YE4A5、ZA4A5、YA4A5），選擇這些桿件作為主要監測對象，采集桿件在該工況下的應力。鋼梁懸臂160 m應力測試結果見表1。

表1 鋼梁懸臂160 m應力測試結果

鋼桁梁數據偏差略大，但數據偏差不超過10%，且實測數據與計算數據都在安全范圍內，在懸臂160 m時導梁前端理論最大豎向位移為101.5 cm，實測值為108.9 cm，實測值與理論值基本吻合。通過觀察，鋼桁梁各桿件未發生異常現象，結構整體處于安全狀態。

5.3 鋼梁上墩模擬試驗測試結果

根據計算導梁N5支點上墩時，以下桿件（桿件編號為ZN4、YN4、Z7、Y7、ZM4、YM4、ZN11、YN11、Z17、Y17、ZM11、YM11、ZE3E4、YE3E4、ZE4A5、YE4A5、ZA4A5、YA4A5）受 力不利，選擇這些桿件作為主要監測對象，采集桿件在該工況下的應力。鋼梁上墩應力測試結果見表2。

從表2中可以看出，鋼桁梁應力除個別點偏差較大外，實測值與理論值基本吻合，且均在允許應力范圍內。通過觀察鋼桁梁各桿件未發生異常現象，結構整體處于安全狀態。

表2 鋼梁上墩應力測試結果

6 結語

本文主要對黃大鐵路黃河特大橋160 m懸臂無支墩頂推施工進行了施工過程控制分析。通過充分的理論計算分析及不利工況的模擬測試，驗證了頂推過程中鋼桁梁的應力、變形和穩定性，施工監控通過理論計算及實際監測數據，對施工全過程的結構應力和位移進行了有效控制，為施工各階段提供了科學的依據，為同類大橋施工積累了一定的經驗。