大跨度鋼管混凝土拱橋頂推施工技術研究

洪小剛

0 引言

頂推施工法是1959年由德國的萊昂哈特博士和鮑爾教授提出的一種施工方法,具有安全、優質、快速、經濟、不需支架、無干擾和場地少等優點,在國外的中等跨徑橋梁上得以廣泛采用[1-4]。我國于1977年第一次成功應用頂推法建成4×40 m的預應力混凝土連續梁鐵路橋——狄家河橋;此后,在 1979年又采用頂推法建成跨徑為(40+54+40)m、三孔一聯的撐架式預應力混凝土箱形截面連續梁公路橋——萬江大橋,迄今我國已利用頂推法修建了50余座橋梁[2,5],但其中先有鋼管混凝土拱橋。頂推施工的最大特點是在施工過程中梁體截面的縱向位置不斷變化,因而截面的內力也隨之不斷變化,截面經過支點時要承受負彎矩,而經過跨中區段時又要承受正彎矩。對于鋼管混凝土拱橋的頂推施工,以往經驗不足,因此,對鋼管混凝土拱橋頂推施工過程中主梁內力以及變形的研究顯得尤為重要。

本文以石家莊市石環公路鋼管混凝土拱橋為工程背景,借鑒現有的拱橋頂推施工控制方法,利用有限元分析軟件ANSYS建立了全橋模型,針對頂推過程中的各個工況,對鋼管混凝土拱橋頂推過程中主梁的內力和變形進行了分析,同時還對頂推臨時結構導梁和臨時支墩進行了計算,為鋼管混凝土拱橋的施工提供技術支持,必將有助于頂推法在鋼管混凝土拱橋施工中的廣泛應用。

1 石環公路系桿拱橋頂推施工技術研究

1.1 工程概況

石環公路307國道東互通立交橋位于石家莊市裕華區小西帳村北,由南向北依次跨越307國道、石德鐵路良村車站、307國道復線、石津灌溉渠。主線主橋位于直線段,下部結構采用群樁基礎,橋墩為矩形等截面柱式墩;主梁為預應力混凝土系桿拱結構,采用剛性系梁、剛性拱,每道拱肋采用兩根鋼管拼成啞鈴形,材質采用Q345D鋼,鋼管外徑120 cm,鋼管及腹板除拱肋預埋段壁厚為16 mm外,其余壁厚均為14 mm,內填充C50微膨脹混凝土。主橋上部系桿拱結構采用頂推法施工。

1.2 工程特點及施工策略研究

1.2.1 工程特點

1)鐵路安全要求高。石德鐵路為石家莊連接東部地區的干線鐵路,行車密度大;施工過程中,必須確保石德鐵路運營安全。2)主橋施工難度大。主橋采用102 m系桿拱結構,其拱肋采用直徑120 cm鋼管混凝土,系梁采用預應力混凝土箱梁,體積大、結構相對復雜;主梁采用頂推法施工橫跨鐵路,頂推距離遠、頂推重量大、安全要求高。3)施工場地狹窄。系桿拱結構施工時,必須在石德鐵路上行線和相鄰到發線間、石德鐵路到發線和貨物線間布置臨時墩。石德鐵路上行線和相鄰到發線間間距僅7.55 m,行車限界以外可利用有效空間僅2.55 m,施工場地狹窄。4)施工交通困難。石德鐵路行車密度大,鐵路范圍內臨時墩施工時,人員、材料和機具的通行、運輸必須橫穿鐵路,施工交通困難。

1.2.2 施工對策

根據上述工程特點,制定了以下施工策略:1)對跨越鐵路的工程部位采取有效的安全技術措施;2)安排具有跨鐵路施工經驗,且熟練掌握頂推施工工藝的施工隊伍進行主橋施工;3)充分利用通往貨場的既有道路,盡量避免施工人員、機具、材料橫跨鐵路通行、運輸。

2 石環系桿拱橋頂推施工過程仿真計算及分析

2.1 有限元模型的建立

本文采用ANSYS計算軟件進行頂推過程仿真計算,根據結構的對稱性選取左半幅拱橋進行有限元計算。在進行有限元建模時采用桿系單元。系梁、拱肋、風撐和剛臂采用Beam189單元,導梁采用Beam4單元,吊桿采用Link8單元。

2.2 頂推過程仿真計算結果分析

利用大型有限元軟件ANSYS對整個頂推過程按工況進行了仿真計算,主要對頂推過程中主梁的彎矩和豎向撓度進行分析。

2.2.1 彎矩分析

頂推施工階段主梁產生最大彎矩的情況有兩種,一種是主梁前端接近前方支點時,即最大懸臂狀態;另一種情況是主梁到達墩頂后,隨著梁體繼續向前推移,到達某一特定位置,主梁可能再次出現最大負彎矩值。

通過對本橋頂推施工過程的模擬計算,得到各工況下主梁的彎矩極值,繪制曲線如圖1所示,這里以梁上側受拉為正(下同);同時還得到對應各工況下主梁不同截面的彎矩值,這里每隔5 m取一個控制截面,將其繪成曲線,得主梁彎矩包絡圖如圖2所示。

由圖2可知,主梁最大正彎矩發生在工況7且距端部25 m的截面處,因為工況7距端部25 m處有3號支墩,且此時主梁達到最大懸臂25 m,因此,25 m截面出現彎矩尖角,彎矩達到最大值66 200 kN?m。同時工況 17處也出現了彎矩極值,此時主梁剛上4號a墩,主梁前端也出現了較大懸臂長度,為22.54 m,所以此工況出現了彎矩極值。

2.2.2 豎向撓度分析

由計算得到梁體各施工工況的豎向最大撓度值曲線如圖3所示。由圖3可知,主梁最大豎向撓度變化曲線與圖1最大彎矩變化曲線的變化趨勢是相同的,其最大豎向撓度也產生在工況7,因為此時主梁前端出現最大懸臂,所以此時撓度出現最大值-92.64 mm,位置在主梁前端0截面處。

3 結語

利用有限元分析軟件ANSYS建立了全橋模型,針對頂推過程中的各個工況對鋼管混凝土拱橋頂推過程中主梁的內力和變形進行了分析,得出以下幾點結論:

1)針對頂推過程中主梁內力和變形的計算分析,得到出現彎矩和撓度極大值的危險工況為工況7和工況17,因此在施工過程中應對這兩個工況予以特別關注;

2)在頂推過程中主梁前10 m～40 m的范圍為危險截面范圍,應加強檢測及采取措施以保證施工過程中結構的安全;

3)通過對整個頂推過程中所得數據的定性分析,說明運用本文的計算模型和程序對鋼管混凝土拱橋頂推施工過程進行仿真計算是可行的,完全可以滿足施工技術的需要。

[1] 范立礎.橋梁工程[M].第2版.北京:人民交通出版社,2002.

[2] 黃宏輝.大跨度斜連續梁橋頂推施工仿真計算程序設計與關鍵技術研究[D].長沙:長沙理工大學,2005.

[3] Hewson Nigel,Hodgkinson Andrew.Incremental larnch of Brides Glen Bridge,Ireland[J].Concrete(London),2004,38(7):29-30.

[4] Malite Maximiliano,Takeya Toshiaki,Goncalves Roberto Martins,et al.Monitoring of the Parana River Bridge during larnching[J].Structural Engineering International:Journal of the International Association for Bridge and Structural Engineering(IABSE),2000,10(3):193-196.

[5] 張華平.混凝土斜連續梁橋頂推施工控制技術研究[D].長沙:長沙理工大學,2005.