連續鋼梁頂推過程臨時墩受力分析及改善

熊小華

（江西省交通供應鏈有限公司,江西 南昌 330000）

0 引言

頂推施工過程對橋下交通影響小，無需配備大型起重設備，在預應力混凝土橋梁施工領域應用廣泛。隨著施工技術的發展及計算機仿真分析工具在橋梁施工領域的應用，頂推法也不再局限于預應力混凝土梁橋。例如，2004年建成的法國Millau大橋、2006年修建的平勝大橋、2012年完建的杭州九堡大橋等均為現代大跨度鋼梁橋，均成功應用了頂推施工技術。為控制和降低主梁正負彎矩，通常在頂推主墩間增設臨時支墩，因鋼梁橋主梁無應力，線形也表現為多段變曲率豎曲線，受到結構自重作用后便會在主梁和臨時墩墩頂滑道間出現不均勻受壓情況，壓力荷載形式多變。基于此，該文以某疊合梁斜拉橋為研究對象，應用有限元方法展開頂推整體分析，確定出頂推施工過程中臨時墩墩頂滑道處鋼梁最不利受力工況，并提出改善策略，以資借鑒。

1 工程概況

某橋梁主橋樁號為K049+210～K052+110，全長為2 900 m，采用三塔疊合梁斜拉橋設計形式，出于所在河道防洪以及保證正常通航等要求，在該橋梁主橋非通航孔所在的深水區域增設跨徑為6×90 m的連續疊合梁，疊合梁墩號依次標記為N6～N1，其梁體無應力線形段分為6段變曲率豎曲線形式，并采用上游和下游雙幅分離設置。其中，混凝土橋面板結構按照0.45 m的厚度設計，鋼梁高3.55 m。為縮短頂推跨徑，在頂推施工開始前，將6個臨時墩布設于1#墩和N6墩之間，依次編號為L1～L6，臨時墩按照與主墩45 m的間距布置。

2 臨時墩受力分析

2.1 臨時墩受力特點

為確保該連續鋼梁頂推施工過程的順利進行，必須按照以下公式要求控制頂推力[1]：

式中，Ti——主梁自重水平分力與第i個臨時墩墩頂所設置的頂推裝置向鋼梁施加的牽引力之和（N），該合力與鋼梁頂推同向；fi——梁底面滑板結構和第i個臨時墩墩頂所設置滑道結構間的摩擦力（N），該力與梁體滑移同向；fi=μiNi，μi——梁底面滑板結構和第i個臨時墩墩頂所設置滑道間的動力摩擦系數；Ni——第i個臨時墩墩頂所設置滑道后結構頂面的反力（N）。

鋼梁頂推力公式表明，如果對連續鋼梁所施加的水平頂推力之和超出各滑道頂面和鋼梁底面滑板結構間摩擦力之和，則必然會出現鋼梁和臨時墩結構的相對滑移。在對該連續鋼梁展開頂推施工時，墩頂反力N和鋼梁底面滑板結構間摩擦力f構成臨時墩主要的受力形式。

2.2 墩頂豎直反力

對連續鋼梁進行頂推施工中，頂推施工工況是影響墩頂豎直反力的主要方面，每頂進3.0 m為1工況，分別求解不同工況下上游側和下游側墩頂所對應的豎直反力。結合求解結果，頂推施工全過程中，不同臨時墩內側和外側墩頂豎直反力存在較大差異，并且正負號也明顯不同，基本不存在任何規律性[2]。此后，待連續鋼梁前端頂部的位置在移動過程中超出前方首個臨時墩并到達第二個臨時墩后，墩頂豎直反力值才趨于穩定。

2.3 水平方向受力

連續鋼梁頂推施工過程中，通過調整千斤頂油表，使對應時刻張拉力取值完全等于相應工況下的動摩擦力，故斜交頂推施工期間必須加強同一臨時墩墩頂兩側壓力差的控制。

在受到豎直反力作用的情況下，因各墩頂頂推設備在同步性方面存在差異，所以臨時墩墩頂主要承受的是順橋向的水平作用力。在進行墩頂不平衡水平力量化分析的過程中，必須綜合考慮施工工藝及可能的影響因素，保證結構安全的基礎上，盡可能簡化臨時墩結構設計[3]。綜合以上分析，應先找出墩頂承受最大反力的鋼梁，并確定出該梁體滑動但千斤頂還沒有施加頂推力情況下相對應的施工參數取值，結合相關取值進一步計算墩頂最大不平衡水平力。

3 有限元分析

3.1 整體頂推分析

應用MIDAS有限元分析軟件，采用梁不動、下部支撐移動的方法，構建整體頂推有限元模型，模型采用直角坐標系，以橋梁橫向、縱向和豎向為X軸、Y軸和Z軸。通過空間梁單元模擬鋼梁，彈性模量為2.08×105MPa，泊松比取0.31。采用桁架單元受壓方式模擬下部支撐對鋼梁的約束，并根據支撐鋼梁無應力線形和滑道間隙值確定強迫位移。在綜合考慮鋼梁節段長度、無應力線形等因素的基礎上，按照0.5 m的長度劃分鋼梁單元。全橋頂推共分成398個工況。

整體頂推仿真結果見表1，表中應力指鋼梁順橋向應力，正值為拉應力，負值為壓應力；A為鋼梁頂推至L2～L6和N2～N6墩的最大懸臂狀態；B為鋼梁頂推至導梁剛過N1墩的狀態。頂推期間，鋼梁順橋向應力最大取108.4 MPa，未超出210 MPa的鋼材允許應力；導梁撓度最大達82.1 cm，引發鋼梁和滑道間局部脫空。為避免頂推施工過程中滑道鋼梁失穩，必須進一步展開局部仿真分析，為增強局部仿真分析結論的代表性，應將鋼梁向前頂推180 m，使導梁恰好位于N2墩處。

3.2 局部仿真分析

鋼梁截面構造復雜，采用全橋空間有限元模型展開模擬必然會增大計算規模，還會在非線性迭代過程中出現病態剛度矩陣，無法得到收斂性結果。此外，展開滑道處鋼梁局部仿真分析時，各位置的計算精度并不重要，只需保證滑道處鋼梁局部計算精度即可。綜上，該文采用ANSYS有限元空間模型的混合單元法構建滑道處鋼梁及臨時墩局部分析模型。臨時墩鋼管樁、樁頂橫梁、立柱、柱腳擱置梁、平聯、滑道等均通過空間梁單元模擬，共包括3 342個梁單元和3 108個節點。臨時墩鋼管樁最下部按固接模擬，內部構件間的連接則通過共節點和剛性連接模擬。

頂推施工過程中，因為受到結構自重的影響，鋼梁懸臂前端始終處于下撓狀態，尾端滑道則保持上翹趨勢。在線形復雜的無應力鋼梁頂推下，會引起鋼梁底板和滑道不均勻接觸。可見，主梁對臨時墩的壓力既非集中荷載，也非均布荷載。為深入分析臨時墩受力與滑道荷載形式的關系，分別進行相應結構集中荷載、均布荷載、梯形荷載等不同工況下臨時墩實際受力情況的仿真模擬，為簡化分析，并保證模擬結果的可比性，分析時假定三種荷載等值。

3.3 應力分布分析

臨時墩受到集中荷載、均布荷載、梯形荷載等三種形式荷載的作用后，實際應力分布結果見圖1。由圖可知，在集中荷載和梯形荷載作用下，臨時墩最大應力分別為162 MPa 和 159 MPa，均大于 [σ]=145 MPa，但最大應力出現的位置存在差異；臨時墩存在受力超標現象。為此，應在臨時墩頂部設置水平拉索，通過預張拉水平拉索，改善頂推施工過程中臨時墩受力。而在受到均布荷載的影響后，臨時墩最大應力（位于中間橫梁）為120 MPa，小于 [σ]=145 MPa。

圖1 臨時墩應力分布結果（單位：MPa）

4 臨時墩受力改善措施

基于以上所得到的連續鋼梁頂推施工過程中臨時墩受力仿真分析結果，當主要向滑道結構施加集中荷載和梯形荷載時，臨時墩結構所承受的壓應力最大，結構受力極為不利。為改善臨時墩受力，應從施加水平拉索、增大臨時墩鋼管壁厚等方面采取措施。

4.1 施加水平拉索

按照設計思路，在臨時墩頂部設置水平拉索，通過預張拉水平拉索，改善頂推施工過程中臨時墩受力。但是水平索力的張拉必將引發構件最大應力值和位置的改變。為展開臨時墩受力受水平拉索拉力影響程度的分析，在保持有限元模型構件其余參數不變的情況下，僅調整索力，展開臨時墩最大應力變動情況分析。根據所取得的分析結果，繪制臨時墩最大應力—索力曲線，見圖2。

圖2 均布荷載作用下臨時墩最大應力—索力曲線

通過分析臨時墩最大應力和索力的關系看出，臨時墩最大應力值隨索力的增大而線性遞減；索力每增大 10 kN，臨時墩最大應力減小 0.47 MPa。

4.2 增大臨時墩鋼管壁厚度

結合相關工程施工經驗，臨時墩鋼管壁厚與其受力情況相關。為此，在保持有限元模型構件其余參數不變的情況下，僅調整臨時墩鋼管壁厚，展開臨時墩最大應力變動情況分析。考慮到施工現場吊裝設備吊重的限制，臨時墩立柱鋼管壁厚不得超出28 mm，故只能在16～28 mm之間取值。臨時墩鋼管壁厚與其受力情況試驗結果詳見表1。

表1 鋼管壁厚與臨時墩受力情況試驗結果

根據表中結果可以看出，隨著立柱鋼管壁厚的增大，臨時墩最大應力呈減小趨勢，且兩個參數值呈雙折線關系：當鋼管壁厚從16 mm依次增大至19 mm，臨時墩最大應力從 160.3 MPa 降至 141.2 MPa，降幅為 13.23%，可將該段記為臨時墩最大應力變化的第一階段；當鋼管壁厚從20 mm依次增大至28 mm，臨時墩最大應力從141.1 MPa 降至 139.4 MPa，降幅為 1.98%，此為臨時墩最大應力變化的第二階段。通過比較看出，第二階段臨時墩立柱鋼管壁厚的增幅約為第一節段的2.5倍，但第二階段臨時墩最大應力水平的降幅僅為第一節段的12.8%。通過分析原因發現，隨著立柱鋼管壁厚的增加，臨時墩最大應力所在位置從最初的柱頂轉移至立柱柱腳斜撐。

4.3 水平方向受力控制

連續鋼梁頂推施工過程中，為優化臨時墩受力，將實際荷載值控制在計算荷載值范圍內，必須在施工期間，使鋼箱梁連續運動，否則梁體和滑道間靜摩擦和動摩擦狀態會交替發生，這種“爬行”現象會對臨時墩造成反復沖擊[4]，不利于結構安全和穩定；必須保證千斤頂同步施力以及千斤頂活塞進程和回程的同步性，主要原因在于上游以及下游2套牽引鋼絞線在施加推力等均不同步時，必然會造成梁體軸線偏移以及部分結構負載集中現象，增大千斤頂啟動負擔，甚至超出頂推力控制上限，引發臨時墩水平受力異常和墩體偏移。

此外，連續鋼梁頂推施工期間，還必須杜絕“多點分散”現象，減少動力設備數量，通過設置1個集中控制點，確保全部千斤頂同步啟動、同步施力、同步運行，降低控制難度。

5 結論

通過該文分析得出以下結論：連續鋼梁頂推施工過程中，隨著臨時墩設置間距的增大，主梁最大應力、變形及支反力等均呈增大趨勢；應將鋼梁局部受力安全作為頂推施工過程中的主要控制因素。該三塔疊合梁斜拉橋采用文中所提出的臨時墩受力改善措施后，鋼梁頂推施工過程中結構穩定和安全有保障，也說明所采取的數值模擬技術及改善措施切實可行，可作為類似橋梁工程臨時支墩設計的參考。