格構(gòu)式超高支墩在橋梁施工中的關(guān)鍵技術(shù)

黃煜寰 丁仕洪 牛忠榮 程長(zhǎng)征 蔣志 程獻(xiàn)訪

（1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，合肥 230009； 2.中鐵四局集團(tuán)鋼結(jié)構(gòu)建筑有限公司，合肥 230022）

鋼桁梁橋廣泛運(yùn)用在高速鐵路橋梁建設(shè)中。大跨度高速鐵路橋梁在架設(shè)過(guò)程中普遍存在較長(zhǎng)距離的懸臂架設(shè)階段，為減小主梁大懸臂施工引起的彎矩，通常采取臨時(shí)支撐措施完成施工階段體系轉(zhuǎn)換。格構(gòu)式超高支墩因具有較強(qiáng)的適應(yīng)性、施工簡(jiǎn)便、工程經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)而被應(yīng)用于臨時(shí)固結(jié)系統(tǒng)中。在架設(shè)階段，格構(gòu)式超高支墩承受較大的主梁荷載與風(fēng)荷載，且其與主梁的接觸與荷載傳遞規(guī)律較復(fù)雜，所以格構(gòu)式超高支墩與鋼桁梁構(gòu)成墩梁系統(tǒng)的受力形式通常被視為高速鐵路橋梁懸臂架設(shè)過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題。

傳統(tǒng)的短跨徑橋梁難以在山高坡陡溝深的河谷地區(qū)建設(shè)，鋼桁梁橋與格構(gòu)式超高支墩組成的墩梁系統(tǒng)可以解決這一問(wèn)題［1-4］。陳仕剛等［5］針對(duì)二郎河特大橋超高支墩的設(shè)計(jì)，提出等截面格構(gòu)式支墩來(lái)滿足橋梁的施工要求和質(zhì)量，施工進(jìn)度有明顯的優(yōu)勢(shì)。李文杰等［6］對(duì)瑞九鐵路廬山站下承式簡(jiǎn)支鋼桁梁特大橋的格構(gòu)式超高支墩應(yīng)力和線形進(jìn)行了分析和監(jiān)控，論證了設(shè)置格構(gòu)式超高支墩可提高鋼桁梁施工安全性。在鋼桁梁橋與橋墩剛結(jié)點(diǎn)組合的研究中，吉伯海等［7］提出在鋼桁梁橋下部增設(shè)連續(xù)梁的方法將剛結(jié)點(diǎn)部分下移到橋墩的頂部。但是在鋼桁梁橋懸臂施工過(guò)程中，橋梁與格構(gòu)式超高支墩的連接并非是單純的剛性連接，隨著鋼桁梁橋懸臂長(zhǎng)度不斷增長(zhǎng)，格構(gòu)式超高支墩的受力也逐漸增加。在對(duì)多跨連續(xù)梁支座脫空問(wèn)題的研究中，雷素敏［8］對(duì)支座脫空與未脫空情況進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在多跨連續(xù)梁施工過(guò)程中，需要對(duì)支座的布設(shè)進(jìn)行合理安排，預(yù)防因支座脫空帶來(lái)的不利影響。在鋼桁梁支反力過(guò)大問(wèn)題的研究中，王娣等［9］提出頂推施工算法和格構(gòu)式超高支墩標(biāo)高調(diào)整優(yōu)化設(shè)計(jì)，為頂推施工模擬提供了簡(jiǎn)便算法，并對(duì)比分析了鋼桁梁橋與格構(gòu)式超高支墩支撐計(jì)算方法中接觸單元法和強(qiáng)制位移法的優(yōu)劣，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)制位移法更適用于墩梁的連接計(jì)算。墩梁接觸問(wèn)題復(fù)雜，且格構(gòu)式超高支墩在主梁架設(shè)過(guò)程中非常重要，而常規(guī)的計(jì)算方法無(wú)法體現(xiàn)墩梁系統(tǒng)在懸臂架設(shè)過(guò)程中的協(xié)同作用，因此格構(gòu)式超高支墩在設(shè)計(jì)階段的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能評(píng)估問(wèn)題仍需深入研究。

本文結(jié)合墩梁支撐計(jì)算方法中的接觸單元法和強(qiáng)制位移法，提出一種有效的計(jì)算力學(xué)分析方法模擬格構(gòu)式超高支墩與鋼桁梁的協(xié)同作用，分析鋼桁梁懸臂架設(shè)全過(guò)程墩與梁的非線性接觸情況。通過(guò)建立有限元模型得到了在鋼桁梁懸臂階段不同環(huán)境溫度下格構(gòu)式超高支墩的支反力與應(yīng)力。

1 工程概況

新建雙線特大橋?qū)儆跉W亞大陸高速鐵路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)南部通道中國(guó)與老撾國(guó)際鐵路的中國(guó)境內(nèi)組成部分之一。該橋采用上承式連續(xù)鋼桁梁結(jié)構(gòu)，全長(zhǎng)832 m，鋼桁梁橋總質(zhì)量約2.1 萬(wàn)t。該橋跨越山高坡陡溝深的V 字形河谷地帶，地形地貌復(fù)雜，地勢(shì)高差較大，為橋墩的施工部署增加了難度。橋梁共設(shè)置2個(gè)主墩，2個(gè)邊墩，并在邊墩與主墩之間距邊墩81 m 處設(shè)置高度分別為110.9 m（左側(cè)），133.5 m（右側(cè)）的格構(gòu)式超高支墩以縮短鋼桁梁橋懸臂架設(shè)長(zhǎng)度。其立面布置如圖1所示。

圖1 雙線特大橋鋼梁架設(shè)輔助工程立面布置

2 墩梁接觸力學(xué)分析模型

在模擬結(jié)構(gòu)物之間接觸、分離等非線性力學(xué)現(xiàn)象中，運(yùn)用經(jīng)典彈性理論中的接觸單元法已無(wú)原則上的難度，且能夠輸出滿意的計(jì)算結(jié)果。然而，對(duì)于格構(gòu)式超高支墩與鋼桁梁接觸結(jié)構(gòu)而言，采用接觸單元法不僅消耗大量的計(jì)算時(shí)間，而且計(jì)算過(guò)程相當(dāng)繁復(fù)。本文提出一種力學(xué)分析模型，主要由上下2 個(gè)單元構(gòu)成。模型上部單元采用根據(jù)工程實(shí)際調(diào)節(jié)彈性模量和單元長(zhǎng)度的桿單元，由于其調(diào)節(jié)的彈性模量很低，故稱為“棉花桿單元”，見(jiàn)圖2。圖中的A，B，C點(diǎn)為棉花桿單元和墊塊單元的實(shí)際節(jié)點(diǎn)位置，L1為真實(shí)的墊塊高度，L2為假想的棉花桿單元長(zhǎng)度。

圖2 鋼桁梁與格構(gòu)式超高支墩接觸力學(xué)分析模型

由于模型中格構(gòu)式超高支墩為鋼屬性材料，考慮其在豎直方向上的位移對(duì)溫度變化較為敏感，故棉花桿單元長(zhǎng)度需要根據(jù)溫度荷載的狀態(tài)進(jìn)行二次適應(yīng)。模型下部單元為普通桿單元用來(lái)模擬真實(shí)墊塊，長(zhǎng)度由棉花桿單元下節(jié)點(diǎn)和橋墩結(jié)構(gòu)頂部節(jié)點(diǎn)確定，材料與橋墩頂部墊塊材料屬性相同。下部單元釋放下端梁端約束，與下部結(jié)構(gòu)處于鉸接狀態(tài)，棉花桿單元釋放上端梁端約束，與上部結(jié)構(gòu)處于鉸接狀態(tài)。上部單元與下部單元?jiǎng)偨樱S線方向?yàn)樨Q直方向，其軸向力即為鋼桁梁傳遞到格構(gòu)式超高支墩的作用力。

將此力學(xué)分析模型運(yùn)用于橋梁實(shí)際施工中，將鋼桁梁結(jié)構(gòu)在格構(gòu)式超高支墩上方接觸節(jié)點(diǎn)自由下?lián)系膿隙茸鳛槊藁U單元初始值。考慮鋼桁梁自重、橋面施工荷載與架梁吊機(jī)荷載的作用，經(jīng)有限元計(jì)算得到鋼桁梁位移云圖，見(jiàn)圖3。可知，鋼桁梁接觸節(jié)點(diǎn)自由端的撓度為295 mm。

圖3 鋼桁梁位移云圖（單位：m）

由于格構(gòu)式超高支墩屬于超高鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其位移受環(huán)境溫度影響比較明顯，將直接影響初始棉花桿單元的長(zhǎng)度。在升溫30 ℃與降溫25 ℃的情況下，格構(gòu)式超高支墩分別上升35 mm 和下降32 mm，則在計(jì)算時(shí)應(yīng)將棉花桿單元分別縮短35 mm 和增長(zhǎng)32 mm。計(jì)算時(shí)通過(guò)調(diào)整棉花桿單元的彈性模量改變棉花桿單元的剛度，保證鋼桁梁下弦懸臂節(jié)點(diǎn)豎向位移始終與鋼桁梁剛架設(shè)至格構(gòu)式超高支墩上方時(shí)的豎向位移相同。運(yùn)用有限元軟件中的APDL 語(yǔ)言將棉花桿單元進(jìn)行二次反饋調(diào)節(jié)，對(duì)格構(gòu)式超高支墩升溫和降溫工況進(jìn)行力學(xué)分析。把棉花桿單元的豎直長(zhǎng)度壓縮至0，可將鋼桁梁的荷載傳遞至格構(gòu)式超高支墩，將二者合為一個(gè)力學(xué)整體模型，計(jì)算在鋼桁梁懸臂架設(shè)階段的格構(gòu)式超高支墩支反力和結(jié)構(gòu)的全過(guò)程應(yīng)力響應(yīng)。鋼桁梁與格構(gòu)式超高支墩接觸力學(xué)分析模型參見(jiàn)圖2。

3 格構(gòu)式超高支墩受力全過(guò)程力學(xué)分析

3.1 墩梁系統(tǒng)格構(gòu)式超高支墩支反力

格構(gòu)式超高支墩受力全過(guò)程主要集中在鋼桁梁落在格構(gòu)式超高支墩后向主橋墩方向懸臂架設(shè)節(jié)段，直到鋼桁梁最大懸臂架設(shè)5 個(gè)節(jié)間（鋼桁梁橋上主墩前夕），格構(gòu)式超高支墩將承受最大的荷載，該工況為墩梁系統(tǒng)受力的最不利工況。在施工過(guò)程中，應(yīng)盡量避免產(chǎn)生墩梁脫空現(xiàn)象。墩梁脫空時(shí)格構(gòu)式超高支墩不起作用。格構(gòu)式超高支墩與鋼桁梁系統(tǒng)力學(xué)模型見(jiàn)圖4。

圖4 格構(gòu)式超高支墩與鋼桁梁系統(tǒng)力學(xué)模型

基于有限元法軟件中的APDL 語(yǔ)言，采用棉花桿單元模型進(jìn)行迭代試算、反饋調(diào)節(jié)，成功解決了墩梁之間的非線性接觸問(wèn)題，其中棉花桿單元的軸力即為格構(gòu)式超高支墩對(duì)鋼桁梁的反力。在鋼桁梁架設(shè)過(guò)程中，格構(gòu)式超高支墩支反力隨懸臂架設(shè)長(zhǎng)度的變化曲線如圖5所示。

圖5 超高支墩支反力隨懸臂架設(shè)長(zhǎng)度的變化曲線

由圖5可知：隨著鋼桁梁橋不斷向前懸臂架設(shè)，格構(gòu)式超高支墩支反力逐漸增大，在鋼桁梁橋上主墩前夕達(dá)到最大值23 500 kN。在相同的架設(shè)條件下，升溫工況格構(gòu)式超高支墩支反力大于降溫工況，但隨著懸臂架設(shè)長(zhǎng)度不斷增加，格構(gòu)式超高支墩支反力受溫度變化的影響不斷減小。

在工程實(shí)際中，鋼桁梁剛到達(dá)格構(gòu)式超高支墩上方時(shí)，鋼桁梁結(jié)構(gòu)自由下?lián)希┒烁哂诟駱?gòu)式超高支墩墩頂，此時(shí)墩頂與主梁下弦桿接觸但格構(gòu)式超高支墩不起頂鋼桁梁橋，即二者僅僅在幾何面上貼合，而格構(gòu)式超高支墩不承受鋼桁梁橋施加的荷載。

3.2 墩梁系統(tǒng)格構(gòu)式超高支墩應(yīng)力場(chǎng)

橋梁施工中一側(cè)的格構(gòu)式支墩高達(dá)110.9 m，屬于超高支墩，且位于山高坡陡溝深的V 字形河谷地帶，會(huì)受到較為強(qiáng)勁的風(fēng)荷載作用。對(duì)墩梁系統(tǒng)格構(gòu)式超高支墩應(yīng)力場(chǎng)分析時(shí)，不僅要考慮當(dāng)?shù)氐臏囟茸兓€要考慮風(fēng)荷載作用。采用有限元法分析墩梁系統(tǒng)，得到格構(gòu)式超高支墩應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律，其最大Von Mises 應(yīng)力隨懸臂架設(shè)長(zhǎng)度的變化曲線見(jiàn)圖6。

圖6 最大Von Mises應(yīng)力隨懸臂架設(shè)長(zhǎng)度的變化曲線

由圖6可知，隨著鋼桁梁橋不斷向前懸臂架設(shè)，格構(gòu)式超高支墩的最大Von Mises 應(yīng)力逐漸增加。升溫工況下，最大Von Mises 應(yīng)力從墩梁剛幾何接觸時(shí)的60.8 MPa 增加到鋼桁梁橋架設(shè)至主墩前的126 MPa；降溫工況下由84.5 MPa 增加至133 MPa。2 種工況下格構(gòu)式超高支墩的最大Von Mises 應(yīng)力均發(fā)生在格構(gòu)式超高支墩的鋼立柱底部。另外，降溫工況格構(gòu)式超高支墩的最大Von Mises應(yīng)力略大于升溫工況，但隨著懸臂架設(shè)長(zhǎng)度不斷增加，溫度變化對(duì)格構(gòu)式超高支墩應(yīng)力的影響不斷減小。這與上節(jié)中格構(gòu)式超高支墩支反力的分析結(jié)論相符。

4 結(jié)論

1）針對(duì)墩梁系統(tǒng)接觸問(wèn)題，“棉花桿單元”模型理論準(zhǔn)確有效，運(yùn)算迭代次數(shù)少，計(jì)算該類型接觸問(wèn)題時(shí)能夠節(jié)省大量時(shí)間，可為格構(gòu)式超高支墩抄墊施工計(jì)算提供簡(jiǎn)便的分析方法。

2）對(duì)格構(gòu)式超高支墩與鋼桁梁協(xié)同工作計(jì)算分析時(shí)，應(yīng)充分考慮環(huán)境溫度的影響。隨著鋼桁梁懸臂架設(shè)長(zhǎng)度的不斷增加，溫度變化對(duì)格構(gòu)式超高支墩支反力和最大應(yīng)力的影響不斷減小。

3）降溫工況格構(gòu)式超高支墩的支反力比升溫工況低。因此，對(duì)于懸臂施工的鋼桁梁橋宜在環(huán)境溫度相對(duì)較低的夜間采取上墩工序，可以有效避免墩梁產(chǎn)生脫空現(xiàn)象，提高墩梁系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全度。