軸線偏移對(duì)多跨鋼桁梁頂推施工應(yīng)力影響分析

王金良,陳士通,陳樹禮,馮志超

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院,石家莊 050043； 2.石家莊鐵道大學(xué)河北省交通應(yīng)急保障工程技術(shù)研究中心,石家莊 050043)

橋梁頂推施工是我國橋梁建設(shè)中常用的施工方法之一[1-2]，具有施工設(shè)備簡單，施工平穩(wěn)、高效，不影響既有線路工作等優(yōu)點(diǎn)[3-7]。但頂推施工過程中梁體空間限位難度較大，左右頂推力的不平衡，滑道的不平順，支架的變形等因素均可影響梁體的空間位置，需要及時(shí)測量與糾偏[8-11]。如今，國內(nèi)對(duì)于橋梁頂推偏移的研究多集中于糾偏技術(shù)方面，如陳立鋒[12]等提出多向橫向旋轉(zhuǎn)法對(duì)京港澳高速灣門前中橋進(jìn)行糾偏；張威振[13]提出 “頂拉結(jié)合”的方法對(duì)某公路橋進(jìn)行糾偏；邱金喜[14]提出雙幅"類雙層"偏重預(yù)應(yīng)力跨河頂推連續(xù)梁橋橫向千斤頂+導(dǎo)向輪頂推糾偏施工工藝。

施工過程中，軸線偏移引起的橋梁桿件內(nèi)力變化同樣不容忽視。因此，通過對(duì)京張高鐵官廳水庫特大簡支鋼桁梁橋[15-18]頂推施工過程中的軸線偏移進(jìn)行研究，為今后類似工程的設(shè)計(jì)、施工提供參考。

1 工程概況

京張高鐵官廳水庫特大橋，孔跨布置為8×110 m跨簡支拱型鋼桁梁橋[19]，如圖1所示，上部鋼桁梁梁長109.7 m，分為10個(gè)節(jié)間，節(jié)間長度為10×10.8 m，采用變高曲弦拱形桁架。拱形桁架計(jì)算跨度為108 m，跨中桁高19 m，桁寬13.8 m，節(jié)間長10.8 m，支座距梁端0.85 m，相鄰兩孔梁支座中心距為2 m。

鑒于“逐孔拼組、分段頂推、整橋到位”的頂推施工指導(dǎo)思想，根據(jù)頂推鋼梁孔數(shù)和質(zhì)量，基于橋墩水平承載力的限制，采用分節(jié)段多系統(tǒng)同步頂推的方式進(jìn)行施工架設(shè)。鋼桁梁拼裝完成后，進(jìn)行頂推作業(yè)，每頂推1孔鋼桁梁為1次頂推施工過程(共9次頂推)，且每次頂推以10.8 m為節(jié)段分10次完成。同時(shí)，為便于后續(xù)分析，按“L-MN”的方式對(duì)全橋桿件進(jìn)行編號(hào)，其中，L=D、1～8，分別代表導(dǎo)梁、第1跨～第8跨鋼桁梁；M=S、F、D，分別代表上弦桿、腹桿、下弦桿；N=1、2……，分別代表對(duì)應(yīng)位置的第n根桿件，具體如圖2所示。

圖1 多跨簡支鋼桁梁橋主體結(jié)構(gòu)

圖2 導(dǎo)梁及鋼桁梁部分桿件編號(hào)

2 有限元建模

利用Midas Civil建立有限元模型，頂推施工模擬分析采用梁體固定而支點(diǎn)移動(dòng)的模擬方式：利用激活單元來模擬鋼桁梁的拼裝，利用邊界條件的改變模擬施工過程。鋼桁梁的主桁架、下平縱聯(lián)及橋門架采用的是梁單元，上平縱聯(lián)采用的是桁架單元，橫向連接系的上下弦桿采用的是梁單元，橫向連接系的豎桿及斜桿采用桁架單元。全橋空間桿系模型共采用了4 622個(gè)節(jié)點(diǎn)，6 580個(gè)單元，包含129個(gè)施工階段。鋼橋在頂推過程中的約束采用節(jié)點(diǎn)彈性連接(剛性)模擬滑塊，僅承受壓應(yīng)力，設(shè)置一般支撐。

該橋采用多點(diǎn)頂推的施工方式，滑道布設(shè)位置較多，考慮鋼桁梁為線彈性結(jié)構(gòu)，故分析時(shí)僅假定鋼桁梁前端發(fā)生軸線偏移。此外，鑒于施工過程中對(duì)橋梁軸線采用實(shí)時(shí)監(jiān)控及橫移糾偏技術(shù)進(jìn)行橋梁形位控制，故分析時(shí)軸線偏移取值為2～20 mm，以2 mm為模數(shù)調(diào)整偏移量，探求軸線偏移對(duì)桿件應(yīng)力的影響。

3 偏移對(duì)桿件應(yīng)力的影響

3.1 偏移對(duì)桿件應(yīng)力極值的影響

頂推施工過程中，為保證鋼桁梁頂推就位后的軸線滿足要求，需對(duì)橋梁中軸線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及橫移糾偏技術(shù)來進(jìn)行橋梁形位控制。頂推過程中的軸線偏移不僅會(huì)導(dǎo)致橋梁形位不滿足要求，還會(huì)對(duì)桿件內(nèi)力產(chǎn)生影響[20-21]，圖3～圖5分別給出了第1次、第2次和第3～第9次頂推過程中，桿件(第1孔鋼桁梁腹桿、導(dǎo)梁下弦桿D1～D4)的拉應(yīng)力極值及桿件(第1孔鋼桁梁下弦桿D2～D9、導(dǎo)梁末端下弦桿D5)的壓應(yīng)力極值與軸線偏移的關(guān)系曲線。

圖3 第1次頂推時(shí)桿件應(yīng)力極值與軸線偏移關(guān)系曲線

圖4 第2次頂推時(shí)桿件應(yīng)力極值與軸線偏移關(guān)系曲線

由圖3可知，在第1次頂推過程中，軸線偏移量越大，鋼桁梁桿件應(yīng)力值越大。對(duì)于不同頂推階段，軸線偏移對(duì)應(yīng)力的影響程度區(qū)別明顯，在頂推施工的前期、中后期階段，軸線偏移量的增加對(duì)應(yīng)力的增幅影響較小，最大幅度在10 MPa左右；在頂推施工的中期、后期階段，軸線偏移量的增加對(duì)應(yīng)力的增幅影響明顯增加，如頂推距離為54 m時(shí)，軸線偏移引起的拉應(yīng)力增幅約為75 MPa。

分析圖4可知，在進(jìn)行第2次頂推時(shí)，對(duì)于拉應(yīng)力而言，隨著軸線偏移量的增大，鋼桁梁拉應(yīng)力極值出現(xiàn)小幅增加，軸線偏移對(duì)鋼桁梁拉應(yīng)力的影響相對(duì)較小，拉應(yīng)力變化幅度約在5 MPa左右；對(duì)于壓應(yīng)力而言，同樣出現(xiàn)了軸線偏移量越大壓應(yīng)力越大的整體趨勢。盡管在第2次頂推過程中，軸線偏移對(duì)拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的影響相對(duì)較小，但由于第2次頂推時(shí)桿件應(yīng)力水平處于較高水平，尤其是壓應(yīng)力，施工過程中應(yīng)予以重視。

圖5 第3～9次頂推時(shí)桿件應(yīng)力極值與軸線偏移關(guān)系曲線

由于頂推施工的周期性，第3～第9次頂推施工過程中桿件應(yīng)力極值隨軸線偏移量的變化趨勢基本相同。分析圖5可知，對(duì)于鋼桁梁的拉應(yīng)力，隨著軸線偏移量的增大，鋼桁梁拉應(yīng)力同樣出現(xiàn)了小幅增加。當(dāng)頂推距離在54.0～97.2 m施工階段時(shí)，軸線偏移對(duì)拉應(yīng)力的影響相對(duì)較為明顯，拉應(yīng)力變化幅度約為5 MPa；對(duì)于壓應(yīng)力而言，壓應(yīng)力隨軸線偏移量的增加而增大，但變化幅度較小，且在頂推施工的各個(gè)階段變化趨勢相同。

3.2 軸線偏移引起的桿件應(yīng)力增幅

在總體了解軸線偏移狀態(tài)下桿件應(yīng)力極值水平后，為進(jìn)一步明確軸線偏移對(duì)頂推施工過程中鋼桁梁桿件應(yīng)力的影響程度，圖6～圖8分別給出了第1～第9次頂推過程中，相對(duì)于正常的頂推施工，由于軸線偏移引起的應(yīng)力增幅曲線。

圖6 軸線偏移下鋼桁梁應(yīng)力極值差值曲線(第1次頂推)

分析圖6可知，相對(duì)于正常的頂推施工作業(yè)，第1次頂推時(shí)出現(xiàn)軸線偏移，對(duì)桿件的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均會(huì)產(chǎn)生明顯的影響，且軸線偏移量越大，引起的應(yīng)力增量越大。對(duì)于不同的頂推階段，應(yīng)力差值對(duì)軸線偏移量的敏感程度不同，如在頂推施工的前期10.8～32.4 m、中后期64.8～86.4 m，軸線偏移量的增加對(duì)鋼桁梁腹桿(F2、F6、F12、F14)的拉應(yīng)力差值影響較小，而在頂推施工的中期32.4～54 m和后期86.4～108 m，軸線偏移量的增加對(duì)腹桿的拉應(yīng)力差值影響更為明顯。對(duì)于不同施工階段，應(yīng)力差值隨軸線偏移量的增加呈現(xiàn)出了不同的變化規(guī)律，如在頂推距離為10.8 m時(shí)，腹桿(1-F13)的拉應(yīng)力應(yīng)力差值隨軸線偏移量的變化基本呈現(xiàn)線性變化；在頂推距離為32.4，54.0 m時(shí)，拉應(yīng)力應(yīng)力差值隨軸線偏移量的變化速率出現(xiàn)了先增后減的現(xiàn)象；對(duì)于壓應(yīng)力而言，應(yīng)力差值基本隨軸線偏移量的增加而線性增加。

圖7 軸線偏移下鋼桁梁應(yīng)力極值差值曲線(第2次頂推)

分析圖7可知，相對(duì)于正常的頂推施工作業(yè)，第2次頂推時(shí)出現(xiàn)軸線偏移時(shí)，鋼桁梁上弦桿(1-S5、1-S6)的拉應(yīng)力及下弦桿(1-F6、1-F16)的壓應(yīng)力產(chǎn)生的增幅在7 MPa左右，且軸線偏移量越大，引起的應(yīng)力增量越大，應(yīng)力增量隨軸線偏移量增大的變化速率基本相同。對(duì)于拉應(yīng)力而言，當(dāng)頂推距離為10.8 m、54～97.2 m時(shí)，端腹桿(1-F2、1-F16)及導(dǎo)梁下弦桿(D2～D4)的應(yīng)力對(duì)軸線偏移量的變化較為敏感；而壓應(yīng)力在頂推距離為10.8～43.2 m、75.6～108 m時(shí)，第1孔鋼桁梁下弦桿(D2～D5、D7、D8)的應(yīng)力對(duì)軸線偏移量的變化較為敏感。

圖8 軸線偏移下鋼桁梁應(yīng)力極值差值曲線(第3～第9次頂推)

分析圖8可以看出，與正常的頂推施工作業(yè)相比，第3～第9次頂推時(shí)出現(xiàn)軸線偏移時(shí)，導(dǎo)梁下弦桿(D-D4)的拉應(yīng)力增幅在4 MPa以內(nèi)，導(dǎo)梁下弦桿(D-D5)的壓應(yīng)力增幅在7 MPa以內(nèi)，且軸線偏移量越大，引起的應(yīng)力增量越大，應(yīng)力增量隨軸線偏移量增大的變化速率基本相同。當(dāng)頂推距離為54～108 m時(shí)，第1孔鋼桁梁腹桿的拉應(yīng)力和導(dǎo)梁端部下弦桿(D-D5)的壓應(yīng)力均對(duì)軸線偏移量的變化較為敏感，其他頂推階段桿件應(yīng)力隨軸線偏移量的增加變化較小。

3.3 軸線偏移量與最大應(yīng)力狀態(tài)

為進(jìn)一步明確軸線偏移對(duì)桿件應(yīng)力極值的影響，結(jié)合前述桿件最大應(yīng)力在頂推過程中的出現(xiàn)時(shí)段，圖9給出了第2～第9次頂推過程中的最大拉應(yīng)力狀態(tài)(頂推距離86.4 m)下，軸線偏移量與導(dǎo)梁末端下弦桿(D-D4)的應(yīng)力對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線及最大壓應(yīng)力狀態(tài)(頂推距離97.2 m)下，軸線偏移量與導(dǎo)梁末端下弦桿(D-D5)的應(yīng)力對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線。

圖9 軸線偏移與鋼桁梁桿件應(yīng)力對(duì)應(yīng)曲線

分析圖9可知，在整橋的9次頂推施工過程中，最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在第2次頂推過程中，且均在導(dǎo)梁的下弦桿中出現(xiàn)，因此，第2次頂推過程的應(yīng)力監(jiān)控尤為重要。在應(yīng)力水平較大的第2～第9次頂推過程中，拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均隨軸線偏移量的增大呈現(xiàn)遞增變化，且基本為線性關(guān)系，根據(jù)上述分析，考慮到施工安全，宜將軸線偏移控制在16 mm以內(nèi)，必要時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)末端導(dǎo)梁下弦桿進(jìn)行臨時(shí)加固。

4 結(jié)論

(1)頂推施工過程中，軸線偏移對(duì)于第1次頂推過程中鋼桁梁腹桿(1-F2)的應(yīng)力影響最大，拉應(yīng)力極值增加約240%左右。對(duì)第2～第9次頂推應(yīng)力極值影響雖不及第1次頂推施工，但第2～第9次無偏移應(yīng)力極值較大，設(shè)計(jì)施工過程中依舊不容忽視。

(2)軸線偏移對(duì)單次頂推過程中期和后期的影響更明顯，由于頂推施工后期鋼桁梁桿件的整體應(yīng)力較高，發(fā)生軸線偏移更加不利于施工安全，故施工作業(yè)時(shí)，頂推施工后期的軸線控制更加重要。

(3)桿件的最大拉壓應(yīng)力均出現(xiàn)在第2次頂推過程中，且均出現(xiàn)在導(dǎo)梁的下弦桿，并隨著軸線偏移量的增加呈線性遞增的趨勢，為保證施工安全，軸線偏移量應(yīng)小于16 mm，同時(shí)應(yīng)對(duì)導(dǎo)梁下弦桿采取臨時(shí)加固措施。