鋼系桿拱橋頂推施工過程數(shù)值模擬及安全分析

龐鐵軍

（廣東建科交通工程質(zhì)量檢測中心有限公司，廣東廣州 510700）

隨著我國生產(chǎn)水平的迅速發(fā)展，工程項(xiàng)目對拱橋跨徑的要求不斷增大，設(shè)計(jì)和施工技術(shù)難度不斷提升。鋼系桿拱橋具有跨越能力較大、實(shí)用耐久、外形美觀、施工對交通干擾小、施工方便快捷、自重輕等優(yōu)點(diǎn)，在大跨度的系桿拱橋和景觀要求較高的橋位如跨越鐵路、高速公路、城市河流及城市干道中應(yīng)用廣泛。

橋梁的施工方法是橋梁建設(shè)中的關(guān)鍵問題，其主要影響因素包括結(jié)構(gòu)、取用材料、跨徑大小、地理位置等。常見組合拱橋施工方法包括支架施工、纜索吊裝施工、轉(zhuǎn)體施工、懸臂施工、頂推施工等。與其他施工方法相比，頂推施工對橋下交通干擾小，頂推設(shè)備輕型簡便，不需要使用大量腳手架，工作面積小且集中，在跨越江河和既有鐵路公路線路的工程項(xiàng)目中被廣泛使用。

在鋼系桿拱橋頂推施工過程中，隨著施工過程的不斷進(jìn)行，導(dǎo)梁不斷向前移動。鋼箱梁與橋墩臺的接觸點(diǎn)不斷發(fā)生變化，會導(dǎo)致鋼箱梁產(chǎn)生正負(fù)彎矩交替出現(xiàn)的現(xiàn)象，梁體的應(yīng)力和變形復(fù)雜多變。文章以汕頭市某下承式鋼箱提籃拱橋?yàn)檠芯繉ο螅撓淞簶蛴邢拊Ｐ停M(jìn)行施工過程的模擬分析。總結(jié)頂推要點(diǎn)和控制難點(diǎn)，提出相應(yīng)的控制措施，為類似的橋梁結(jié)構(gòu)提供一定的技術(shù)參考。

1 工程概況

汕頭市某下承式鋼系桿拱橋跨徑149.24 m、寬36.5 m、梁高2.3 m、主拱跨度145 m、立面矢高約32.222 m，主拱矢跨比為1/4.5，拱軸線采用二次拋物線，主拱肋按72°內(nèi)傾。主墩采用門式墩，矩形承臺，樁基礎(chǔ)為2.0 m鉆孔灌注樁。

該橋采用步履式多支點(diǎn)頂推施工，頂推重量約3 700 t，共設(shè)置8組臨時墩，每組臨時墩設(shè)置2臺頂推設(shè)備，共16臺。在頂推方向前方布置導(dǎo)梁，長35 m，重約160 t。岸上臨時墩L1～L4基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)；臨時墩L5、L8布置主墩上；河中臨時墩L6、L7基礎(chǔ)采用鋼管樁。為減小落梁高度，在部分引橋蓋梁待頂推完成后施工。

2 施工過程數(shù)值模擬分析

2.1 頂推設(shè)備及施工要點(diǎn)

該橋頂推設(shè)備包括機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)（包括頂升行程傳感器、平推行程傳感器、壓力傳感器）。整個頂推設(shè)備自成一體，可以在順橋向、豎向、橫橋向進(jìn)行移動、頂升或調(diào)整，保證橋梁頂推施工完成后的全橋線型。按步驟安裝頂推設(shè)備后，進(jìn)入調(diào)試工序、頂推前的檢查、加載與升降試驗(yàn)、試頂推。正式頂推前，確定各點(diǎn)的受力、位移等控制參數(shù)，進(jìn)行整體調(diào)試和演練，確保頂推過程中所有油缸、泵站、油路、傳感器、控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

按要求進(jìn)行正式頂推，及時反映各觀察點(diǎn)的測量情況，記錄各點(diǎn)測量數(shù)據(jù)。頂推過程中注意頂升力、平移力、下降力的變化，頂推力驟升時，及時停止頂推并檢查原因。頂推至最后梁段時，應(yīng)特別注意梁段是否到達(dá)設(shè)計(jì)位置，頂推到最終位置須選擇在溫度穩(wěn)定的夜間，根據(jù)溫度仔細(xì)計(jì)算測定梁長。最后一次頂推時，應(yīng)采用小行程點(diǎn)動，以便糾偏及里程到位。

2.2 建立模型

采用midas Civil 2019有限元軟件，建立鋼橋及導(dǎo)梁整體三維有限元模型，進(jìn)行頂推過程安全模擬分析。

下承式系桿拱橋有限元模型如圖1所示。

圖1 下承式系桿拱橋有限元模型

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD64—2015）確定各項(xiàng)材料參數(shù)，主縱梁和導(dǎo)梁選用Q345材料，綜合剛度為195.0 GPa、泊松比0.3；主拱圈選用Q390鋼材，綜合剛度為206.0 GPa、泊松比0.3，鋼材容重均為78.5 kN/m3。吊桿選用材料代號為Wire1770，綜合剛度205.0 GPa。系桿選用材料代號為Strand1860，綜合剛度195.0 GPa。

主梁和主拱圈采用箱型截面，導(dǎo)梁采用工字型鋼截面，主拱圈和導(dǎo)梁涉及截面變化部分，在模型中進(jìn)行變截面的處理。確定各項(xiàng)材料參數(shù)以及截面形式，利用midas Civil的頂推法建模助手快速建立模型。

邊界條件設(shè)置：邊界條件在整個頂推過程中分為頂推階段、成橋階段。主梁與支架之間設(shè)置彈性連接，頂推階段的邊界條件根據(jù)頂推間距布置。

定義靜力荷載工況，以恒載為結(jié)構(gòu)自重，混凝土容重取26 kN/m3，根據(jù)實(shí)際節(jié)段重量進(jìn)行修正，本鋼橋頂推重量約3 700 t，包含結(jié)構(gòu)自重、導(dǎo)梁、加固支撐等。根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D60-01—2004）和設(shè)計(jì)文件，汕頭市十年一遇10 m高度基準(zhǔn)風(fēng)速為28.6 m/s，分別計(jì)算主梁和主拱圈的風(fēng)荷載。根據(jù)橋梁施工工序，設(shè)置各個階段施工時間、預(yù)應(yīng)力張拉混凝土初始材齡等涉及混凝土?xí)r間效應(yīng)的數(shù)據(jù)。

施工時，分析頂推過程中導(dǎo)梁及鋼橋梁結(jié)構(gòu)安全情況，設(shè)置8個計(jì)算工況，即頂推初始、頂推56 m、頂推88 m、頂推112 m、頂推116 m、頂推130 m、頂推134 m、頂推到位。

3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

3.1 主梁彎矩計(jì)算結(jié)果

導(dǎo)梁向前移動過程中，主梁彎矩呈現(xiàn)正負(fù)交替現(xiàn)象，最大正彎矩為25 375.36 kN·m，出現(xiàn)在頂推130 m工況；最大負(fù)彎矩為-16 417.31 kN·m，出現(xiàn)在頂推134 m工況。頂推過程中，主梁彎矩未出現(xiàn)突變現(xiàn)象，滿足受力要求。

3.2 墩頂反力計(jì)算結(jié)果

甲酸岸上臨時墩L1～L4、河中臨時墩L6、L7、設(shè)置在主墩上的臨時墩L5、L8對應(yīng)的墩頂反力。

8個工況下墩頂反力結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 8個工況下墩頂反力結(jié)果統(tǒng)計(jì) 單位：kN

由表1可知，頂推過程中，墩頂支反力最大發(fā)生在頂推至88 m工況下，河中臨時墩L6處，為8 071.0 kN。從頂推初始至頂推88 m工況下，墩頂反力最大值逐漸變大，分別出現(xiàn)在L1、L3和L6。從頂推112 m至頂推到位工況下，墩頂反力最大值均維持為約6 500 kN，且在L6、L7兩個河中臨時墩上反復(fù)出現(xiàn)。頂推過程中，主梁臨時墩均出現(xiàn)負(fù)反力，未發(fā)生支座脫空現(xiàn)象。

3.3 主梁位移計(jì)算結(jié)果

主梁最大豎向變形統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 主梁最大豎向變形統(tǒng)計(jì) 單位：mm

頂推過程中，主梁位移最大值為152 mm，出現(xiàn)在頂推至112 m工況下；頂推到位時，主梁位移豎向變形最小，為23 mm。頂推初始工況下，主梁最大豎向變形28 mm，與頂推到位時相接近，主梁變形均在安全范圍內(nèi)。

3.4 頂推施工監(jiān)控結(jié)果

8組頂推臨時墩中，在臨時墩承臺4個角處布置測點(diǎn)，共布置32個測點(diǎn)。陸上臨時支架沉降監(jiān)測過程中，主梁拼裝時L4#臨時墩沉降速率較大，采用堆載加壓的方式后沉降趨于穩(wěn)定；頂推過程中未發(fā)現(xiàn)水平位移與沉降趨勢穩(wěn)定，無明顯異常。頂推施工過程中，水中臨時墩應(yīng)具有足夠的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性，為確保施工時支撐體系不下沉，需要對水中臨時墩偏位進(jìn)行監(jiān)測。

臨時墩施工監(jiān)控如圖2所示。

圖2 臨時墩施工監(jiān)控

現(xiàn)場水中墩共分為4組，在近墩頂4角處布點(diǎn)，共16個測點(diǎn)。監(jiān)測頻率為2～3 d/次，監(jiān)控過程中未發(fā)現(xiàn)水平位移與明顯沉降。

4 結(jié)語

頂推施工過程中，主梁彎矩未出現(xiàn)突變現(xiàn)象，滿足受力要求。對墩頂反力計(jì)算結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，頂推過程中主梁臨時墩均出現(xiàn)負(fù)反力，未發(fā)生支座脫空的現(xiàn)象。頂推過程中，主梁總體變形較小，處于安全范圍內(nèi)。