頂推法架設(shè)橋梁施工控制技術(shù)分析與預(yù)測(cè)

曲富強(qiáng) 王立峰 張振偉

(1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司湖北分公司，湖北 武漢 430000)

桁架橋是鐵路橋梁上的常見橋型，不僅造型優(yōu)美，跨徑布置也有較大的選擇空間，而且便于拼裝，有成套的設(shè)備及成熟的工藝[1]。頂推法架設(shè)橋梁時(shí)的受力狀態(tài)變化明顯，實(shí)際施工時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)與運(yùn)營狀態(tài)有較大差異，因而對(duì)全橋進(jìn)行監(jiān)控分析研究與預(yù)測(cè)可為結(jié)構(gòu)安全提供理論依據(jù)[2]。

1 概述

漠陽江特大橋起自江門南站，終至廣茂鐵路茂名東站。主桁中心的距離13.2 m，人行道設(shè)置于其內(nèi)側(cè)，寬度為1.32 m。設(shè)計(jì)時(shí)速200 km/h客貨共線鐵路[3]，結(jié)構(gòu)高度1.668 m，軌底部位至墊石頂高度為2.287 m。

2 結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式

1)結(jié)構(gòu)自重：鋼結(jié)構(gòu)容重78 kN/m3。

2)二期恒載：包括擋砟墻、道砟、線路設(shè)備、電纜槽、電化立柱、人行道支。

3)架與布板、避車臺(tái)、檢查車及其走行軌道等，共計(jì)139 kN/m。

4)溫度荷載：考慮升降溫30 ℃，上線平面相對(duì)橋面系升溫15 ℃。

5)地震力：地震設(shè)防烈度7度，地震動(dòng)峰值加速度Ag≤0.15g[4]。

主桁立面圖、縱向連接系、橫向連接系示意圖如圖1～圖3所示。

3 總體施工流程

頂推施工主要流程為：鋼桁梁制造、運(yùn)輸以及布置頂推設(shè)備→布置鋼桁梁拼裝平臺(tái)及水上臨時(shí)墩→利用一臺(tái)70 t橫跨64 m現(xiàn)澆梁龍門拼裝E0′～E3′節(jié)間→頂推E0′～E3′節(jié)間13.4 m節(jié)段→E3′～E4′段材料拼裝和焊接完畢并就位→頂進(jìn)下一個(gè)13.4 m節(jié)段→循環(huán)拼裝、頂進(jìn)直至梁體拼完成→頂進(jìn)梁體到位→頂進(jìn)完成→拆除施工搭設(shè)平臺(tái)、臨時(shí)支墩等設(shè)施[5]。

4 結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算和撓度預(yù)測(cè)

4.1 單元類型

利用Midas civil有限元計(jì)算軟件創(chuàng)建有限元分析模型，共計(jì)213個(gè)節(jié)點(diǎn)，395個(gè)單元,如圖4所示。

4.2 測(cè)點(diǎn)和截面布置

全橋腹桿布設(shè)4個(gè)應(yīng)變計(jì)，分別為A1′～E0′桿，A2′～E2′桿，A4′～E4′桿，A5′～E5桿；上弦桿布設(shè)4個(gè)應(yīng)變計(jì)，分別為A2′～A3′桿，A3′～A4′桿，A4′～A5′桿，A5′～A5桿；下弦桿布設(shè)4個(gè)應(yīng)變計(jì)，分別為E1′～E2′桿，E2′～E3′桿，E3′～E4′桿，E4′～E5桿。應(yīng)變器位置示意圖如圖5所示。

4.3 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析

頂進(jìn)過程主要?jiǎng)澐譃槿齻€(gè)階段。在頂進(jìn)梁體的過程中，主梁的應(yīng)力伴隨著各個(gè)階段的分步施工而變化[6]。應(yīng)力分析結(jié)果見表1～表3。

表1 完成第一次頂推體系轉(zhuǎn)換階段應(yīng)力分析

表2 完成第二次頂推體系轉(zhuǎn)換階段應(yīng)力分析

表3 完成第三次頂推體系轉(zhuǎn)換階段應(yīng)力分析

全橋在第一次頂進(jìn)施工完成后，最大壓應(yīng)力為-22.91 MPa，最大拉應(yīng)力為17.97 MPa；全橋在第二次頂進(jìn)施工完成后，最大壓應(yīng)力為-24.56 MPa，最大拉應(yīng)力為17.87 MPa；全橋第三次頂進(jìn)施工后，最大壓應(yīng)力為-54.15 MPa，最大拉應(yīng)力為48.96 MPa。隨著施工的進(jìn)展，由于結(jié)構(gòu)體系的變換以及自重的不斷增加，最大壓應(yīng)力呈現(xiàn)逐步增加的趨勢(shì)；第二次頂推結(jié)束后，拉應(yīng)力基本維持不變，在第三次頂推完成后，最大拉應(yīng)力增長顯著[7]。在三次頂推施工過程中，應(yīng)力均在容許應(yīng)力范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)安全。

運(yùn)營階段主梁桿件應(yīng)力計(jì)算結(jié)果最大拉應(yīng)力為180.7 MPa，最大壓應(yīng)力為-188.1 MPa，運(yùn)營階段結(jié)構(gòu)應(yīng)力控制在規(guī)范范圍內(nèi)，主梁在運(yùn)營階段的受力滿足規(guī)范要求。運(yùn)營階段應(yīng)力圖見圖6，圖7。

4.4 撓度計(jì)算預(yù)測(cè)分析

運(yùn)用灰色理論的分析方法對(duì)誤差進(jìn)行調(diào)整，以確保橋梁的實(shí)際情況和設(shè)計(jì)相吻合。本文針對(duì)頂推施工過程中E1′～E4′節(jié)段的撓度理論值和實(shí)測(cè)值預(yù)測(cè)E5′節(jié)段的撓度值。計(jì)算過程：

E1′～E4′節(jié)段撓度理論值和實(shí)際值分別為：

x=(28.2,52.2,72.7,87.8)。

y=(30.6,54.3,76.0,92.6)。

由x，y的差值得到誤差為：

X=(-2.4，-2.1，-3.3，-4.8)。

對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行非負(fù)化處理，取C=5，新誤差序列為：X(0)=(2.6,2.9,1.7,0.2)。

建立數(shù)據(jù)矩陣：

所以a=0.77，b=6.16。根據(jù)理論公式：

求得方程的解為：

由GM(1,1)模型預(yù)測(cè)并求得其還原值為：

根據(jù)上式求得殘差序列：

X(k)=(5.5,7.2,7.4)。

從而可以得到殘差數(shù)列：(1.00,1.36,0.94)。

對(duì)上式建立GM(1,1)模型，

q(1)=(1.00,2.36,3.29)。

根據(jù)殘差方程：

對(duì)上述方程k進(jìn)行求導(dǎo)得：

減去非負(fù)數(shù)C=3得：

將上式代入到原計(jì)算模型得到：

因此，通過上述計(jì)算過程，可以預(yù)測(cè)得到E5′的撓度變化值為：7.61-5=2.61 mm，令模型理論計(jì)算的E5′撓度為X5，則可以預(yù)測(cè)得出該節(jié)段施工撓度值U5=X5+2.61=92.9+2.61=95.51 mm。

5 結(jié)語

通過對(duì)深茂鐵路漠陽江特大橋項(xiàng)目的施工監(jiān)控，并借助Midas軟件進(jìn)行有限元模型的數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析以及撓度的預(yù)測(cè)分析，得到以下主要結(jié)論：

1)在頂推施工過程中，結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力隨著施工的進(jìn)展緩慢增大，最大拉應(yīng)力在第一次頂推和第二次頂推完成后基本維持平穩(wěn)不變；在第三次頂推至頂推到位時(shí)，最大拉應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度的13.06%，最大壓應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度的14.44%，有著較為顯著的增長。

2)采用灰色理論的分析方法預(yù)測(cè)出的撓度值，實(shí)際的施工狀態(tài)與設(shè)計(jì)理論狀態(tài)保持一致，實(shí)際頂進(jìn)結(jié)果表明，該計(jì)算方法精度滿足施工要求，計(jì)算方便快捷，具有可操作性和科學(xué)性。

3)通過對(duì)不同施工階段有限元模型的分析研究，應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值密切符合，誤差在規(guī)范要求內(nèi)，該結(jié)果表明模型計(jì)算與運(yùn)用的正確性，可以有效的指導(dǎo)施工，為以后同類大跨度橋型的修筑提供一定借鑒意義。