大跨徑多跨連續(xù)槽形鋼梁頂推施工方案比選與力學(xué)性能分析*

楊金龍，曾華新，趙 林

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040； 2.長沙市城市建設(shè)投資開發(fā)集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410100)

0 引言

隨著我國現(xiàn)代化鋼鐵產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展及鋼結(jié)構(gòu)加工與制造技術(shù)的日新月異，鋼構(gòu)件因具有斷面尺寸小、自重小、塑性與韌性好、抗壓與抗剪強(qiáng)度相對(duì)較高的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于橋梁設(shè)計(jì)與施工中。

與傳統(tǒng)混凝土梁相比，槽形鋼梁具有裝配化程度高、施工精度高、經(jīng)濟(jì)效益好、工期短的特點(diǎn)，使其成為大跨度橋梁的首選梁型。對(duì)于跨越江河、峽谷或其他構(gòu)筑物的槽形鋼梁，當(dāng)采用吊裝法施工受限時(shí)，通常采用頂推法施工。

對(duì)于雙幅頂推梁橋，常用的施工工藝包括分幅頂推與先頂推后橫移。本文依托暮坪湘江特大橋工程，對(duì)頂推施工工藝進(jìn)行比選。采用ANSYS軟件建立有限元模型，對(duì)不同工況下的槽形鋼梁力學(xué)性能進(jìn)行分析。

1 工程概況

圖1 西側(cè)涉水引橋總體布置(單位：m)

槽形鋼梁由鋼頂板、翼緣板、腹板、底板、內(nèi)部斜撐及各構(gòu)件加勁肋組成，如圖2，3所示。槽形鋼梁頂板厚32～40mm，寬1.2～1.8m；腹板厚22～36mm，傾斜率約1∶4.01；底板厚18～36mm。

圖2 跨中位置槽形鋼梁橫斷面(單位：m)

圖3 支座處槽形鋼梁橫斷面(單位：m)

根據(jù)槽形鋼梁起重設(shè)備起重能力及道路運(yùn)輸要求，單幅槽形鋼梁順橋向共劃分46個(gè)節(jié)段，包括1個(gè)長3.29m的I型墩頂梁段、44個(gè)長7m的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段和1個(gè)長3.38m的Ⅱ型墩頂節(jié)段，單榀梁最重達(dá)103.73t。

2 工藝比選

結(jié)合引橋跨既有湘江大堤及橋墩處于涉水環(huán)境的特點(diǎn)，如設(shè)置墩旁頂推臨時(shí)墩，增加了臨時(shí)措施的投入量，使施工成本增加，且涉水環(huán)境下臨時(shí)墩安裝與拆除難度大，因此引橋槽形鋼梁采用永久墩作為頂推墩，無須增設(shè)墩旁頂推臨時(shí)墩。對(duì)同類型工程頂推設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)研，對(duì)橫移頂推法與分幅頂推法進(jìn)行綜合分析，以期選擇較優(yōu)的頂推設(shè)計(jì)方案，用于指導(dǎo)實(shí)際施工。

2.1 橫移頂推法

在左幅位置設(shè)置拼裝平臺(tái)，在永久墩墩頂位置設(shè)置步履式千斤頂，因涉水引橋頂推施工時(shí)P81墩主橋鋼梁已架設(shè)，為便于導(dǎo)梁拆除，需另設(shè)水中臨時(shí)墩，橫移頂推法總體設(shè)計(jì)方案如圖4所示，千斤頂與操作平臺(tái)布置如圖5所示。

圖4 橫移頂推法總體設(shè)計(jì)方案(單位：m)

圖5 千斤頂與操作平臺(tái)布置

在拼裝平臺(tái)大里程側(cè)，通過門式起重機(jī)將右幅槽形鋼梁節(jié)段提升至拼裝平臺(tái)，按節(jié)段順序依次完成初始節(jié)段吊裝與焊接工作，并連接首節(jié)導(dǎo)梁與槽形鋼梁。重復(fù)節(jié)段吊裝、焊接與頂推步驟，直至首節(jié)槽形鋼梁就位后拆除導(dǎo)梁，將半幅槽形鋼梁臨時(shí)落于反力座上，隨后移除頂推托架和頂推千斤頂，安裝橫移軌道和水平千斤頂(見圖6)，當(dāng)槽形鋼梁整幅橫移至右幅位置后臨時(shí)擱置在墊塊上，拆除橫移千斤頂和主梁，改用落梁千斤頂，使整幅槽形鋼梁逐步回落于永久墩上，隨后重復(fù)槽形鋼梁吊裝、焊接與頂推施工，直至完成左幅槽形鋼梁落梁。

圖6 橫移軌道和水平千斤頂布置示意

2.2 分幅頂推法

在左、右幅位置均搭設(shè)拼裝平臺(tái)和水中臨時(shí)墩，在永久墩墩頂位置設(shè)置步履式千斤頂，如工期允許，臨時(shí)結(jié)構(gòu)可周轉(zhuǎn)使用，分幅頂推法總體設(shè)計(jì)方案如圖7所示。

圖7 分幅頂推法總體設(shè)計(jì)方案(單位：m)

待左幅槽形鋼梁頂推至P81墩后，將拼裝平臺(tái)周轉(zhuǎn)至右幅處安裝，完成初始節(jié)段吊裝與焊接工作。將拆除的導(dǎo)梁轉(zhuǎn)運(yùn)至右幅平臺(tái)上焊接，然后將槽形鋼梁節(jié)段頂推出拼裝平臺(tái)，此時(shí)左幅線形已調(diào)整完成，并進(jìn)行落梁施工，如圖8所示。

另外，IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)頒布多年，各廠家生產(chǎn)出了各類通信板卡，在城市軌道交通及高鐵列車中廣泛應(yīng)用，然而，在實(shí)際工程應(yīng)用過程中，仍然存在參數(shù)匹配問題，需要繼續(xù)深入研究。

圖8 左幅落梁、右幅頂推示意

2.3 比選結(jié)果

分別對(duì)2種施工工藝成本與工期進(jìn)行測算，對(duì)優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行綜合分析，結(jié)果如表1所示。

表1 施工工藝比選結(jié)果

橫移頂推法雖減少了拼裝平臺(tái)和水中臨時(shí)墩安拆量，但為實(shí)現(xiàn)整幅槽形鋼梁橫移，需投入大量的臨時(shí)措施費(fèi)，如橫移軌道及蓋梁局部加強(qiáng)費(fèi)用，且橫移過程中蓋梁和墩柱受力不均勻，偏載較大，可能對(duì)主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，因此橫移過程中不可控因素多，施工設(shè)備及操作人員多，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大。

綜上所述，為確保如期、高效完成槽形鋼梁施工，本工程選用分幅頂推法完成槽形鋼梁施工。

3 頂推方案優(yōu)化

在確保分幅頂推方案合理可行、安全可靠的前提下，對(duì)頂推設(shè)計(jì)方案進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，充分體現(xiàn)方案的實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性。

3.1 導(dǎo)梁優(yōu)化

在滿足結(jié)構(gòu)受力的前提下，從施工便利性的角度出發(fā)，對(duì)導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)組成及整體質(zhì)量進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。考慮到頂推過程中導(dǎo)梁前端撓度過大，存在過墩困難的問題，在導(dǎo)梁前端設(shè)計(jì)長4m的鼻梁，輔助導(dǎo)梁過墩，導(dǎo)梁立面設(shè)計(jì)如圖9所示。對(duì)頂推過程中導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行模擬分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)導(dǎo)梁分節(jié)長度、變截面設(shè)置位置、變截面高度進(jìn)行合理優(yōu)化，從而減小導(dǎo)梁自重。導(dǎo)梁根部通過上、下翼板與槽形鋼梁相連，槽形鋼梁連接高度設(shè)計(jì)為3.49m。為方便導(dǎo)梁倒轉(zhuǎn)，除根部節(jié)段與箱梁現(xiàn)場焊接為整體外，其余節(jié)段現(xiàn)場栓接，橫梁與主梁通過銷軸連接。

圖9 導(dǎo)梁立面

3.2 墩頂托架與反力座優(yōu)化

受墩頂蓋梁縱向空間限制，步履式千斤頂擺放完成后無多余空間設(shè)置墊墩，槽形鋼梁由于無落梁支座，使千斤頂無法完成回油及自平衡的頂推過程。

通常采用在墩旁設(shè)置臨時(shí)墩或扇形托架等方式解決墩頂縱向空間受限的問題，但在墩旁設(shè)置臨時(shí)墩的方式增加了措施費(fèi)，使整個(gè)頂推方案成本增加。而設(shè)置扇形托架的方式需布設(shè)大量預(yù)埋件，對(duì)主體結(jié)構(gòu)外觀影響較大，且增加了臨時(shí)措施費(fèi)。

在充分利用支座與蓋梁橫向空間的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)如圖10所示的結(jié)構(gòu)，步履式千斤頂擺放于支座兩側(cè)，與墩頂托架連成整體，借助墩頂墊石與支座設(shè)置反力座，墩頂托架與反力座分離布置。

圖10 墩頂托架與反力座布置

頂推施工時(shí)，豎向千斤頂附帶墩頂托架共同起頂槽形鋼梁，水平千斤頂向前頂推整個(gè)結(jié)構(gòu)，頂推至最大行程后，豎向千斤頂將整個(gè)結(jié)構(gòu)臨時(shí)落于反力座上，水平千斤頂回油過程中使墩頂托架回位，至此完成1個(gè)頂推行程。

起頂時(shí)墩頂托架作用于槽形鋼梁腹板正下方，以使槽形鋼梁受力滿足要求。通過設(shè)置反力座，便于槽形鋼梁落梁，解決了受限空間下千斤頂與墊墩設(shè)置難題。

3.3 拼裝平臺(tái)優(yōu)化

半幅槽形鋼梁頂推施工完成后，需將拼裝平臺(tái)拆除，并周轉(zhuǎn)至另外半幅槽形鋼梁處安裝。借助門機(jī)將拼裝平臺(tái)整體橫移至另外半幅槽形鋼梁位置，通過在拼裝平臺(tái)擴(kuò)大基礎(chǔ)上設(shè)置橫移軌道，省去了拼裝平臺(tái)安拆步驟，縮短了頂推施工前的準(zhǔn)備時(shí)間，有利于縮短工期。

4 槽形鋼梁頂推過程受力分析

4.1 荷載與邊界條件

除考慮槽形鋼梁與導(dǎo)梁自重外，附加工作風(fēng)速下的風(fēng)荷載。在槽形鋼梁尾端支座位置施加3個(gè)自由度位移約束，其他支座位置處均施加豎向位移約束。

對(duì)于槽形鋼梁及導(dǎo)梁最大位移，按照荷載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于支反力和槽形鋼梁應(yīng)力，按照荷載基本組合進(jìn)行計(jì)算。

4.2 工況分析

根據(jù)頂推設(shè)計(jì)方案、永久墩分布及施工步驟等，對(duì)單幅頂推過程中81個(gè)施工工況進(jìn)行受力分析，關(guān)鍵工況如表2所示。

表2 關(guān)鍵工況

4.3 頂推過程分析

采用有限元軟件ANSYS對(duì)槽形鋼梁頂推施工過程進(jìn)行模擬分析，其中槽形鋼梁和導(dǎo)梁采用梁單元Beam188模擬，關(guān)鍵工況計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 關(guān)鍵工況計(jì)算結(jié)果

由表3可知，導(dǎo)梁最大應(yīng)力出現(xiàn)在工況29，對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖11所示。由于導(dǎo)梁最大應(yīng)力小于抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，表明導(dǎo)梁強(qiáng)度滿足結(jié)構(gòu)受力要求，頂推過程中導(dǎo)梁最大變形滿足剛度控制要求。

圖11 工況29結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖(單位：MPa)

由表3可知，槽形鋼梁最大應(yīng)力出現(xiàn)在工況40，對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖12所示。由于槽形鋼梁最大應(yīng)力小于抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，最大變形小于允許值，表明槽形鋼梁強(qiáng)度與剛度均滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

圖12 工況40結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖(單位：MPa)

5 結(jié)語

本文依托暮坪湘江特大橋工程，對(duì)大跨徑多跨連續(xù)槽形鋼梁頂推工藝、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及力學(xué)性能進(jìn)行分析。

1)對(duì)頂推工藝進(jìn)行綜合比選分析，分幅頂推設(shè)計(jì)方案在施工成本、工期及施工風(fēng)險(xiǎn)性方面具有優(yōu)勢，較適用于本工程槽形鋼梁頂推施工。

2)對(duì)導(dǎo)梁設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，在滿足施工要求的前提下，將導(dǎo)梁設(shè)計(jì)為變截面的形式，盡可能減少導(dǎo)梁鋼材的投入，通過優(yōu)化鼻梁長度，輔助導(dǎo)梁過墩。

3)充分利用墩頂橫向空間，對(duì)墩頂托架與反力座結(jié)構(gòu)形式及擺放位置進(jìn)行合理優(yōu)化，減少預(yù)埋件安裝數(shù)量，滿足梁底接觸長度設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)無墩旁托架法頂推施工。

4)通過在拼裝平臺(tái)擴(kuò)大基礎(chǔ)上設(shè)置橫移軌道，減少平臺(tái)安拆工作量，縮短頂推施工前的準(zhǔn)備時(shí)間，縮短工期。

5)采用ANSYS軟件建立有限元模型，對(duì)導(dǎo)梁與槽形鋼梁在頂推施工各環(huán)節(jié)的力學(xué)性能進(jìn)行分析，驗(yàn)證了導(dǎo)梁與槽形鋼梁應(yīng)力及變形滿足結(jié)構(gòu)受力要求。