大跨度钢管混凝土拱桥顶推施工技术研究

洪小刚

0 引言

顶推施工法是1959年由德国的莱昂哈特博士和鲍尔教授提出的一种施工方法,具有安全、优质、快速、经济、不需支架、无干扰和场地少等优点,在国外的中等跨径桥梁上得以广泛采用[1-4]。我国于1977年第一次成功应用顶推法建成4×40 m的预应力混凝土连续梁铁路桥——狄家河桥;此后,在 1979年又采用顶推法建成跨径为(40+54+40)m、三孔一联的撑架式预应力混凝土箱形截面连续梁公路桥——万江大桥,迄今我国已利用顶推法修建了50余座桥梁[2,5],但其中先有钢管混凝土拱桥。顶推施工的最大特点是在施工过程中梁体截面的纵向位置不断变化,因而截面的内力也随之不断变化,截面经过支点时要承受负弯矩,而经过跨中区段时又要承受正弯矩。对于钢管混凝土拱桥的顶推施工,以往经验不足,因此,对钢管混凝土拱桥顶推施工过程中主梁内力以及变形的研究显得尤为重要。

本文以石家庄市石环公路钢管混凝土拱桥为工程背景,借鉴现有的拱桥顶推施工控制方法,利用有限元分析软件ANSYS建立了全桥模型,针对顶推过程中的各个工况,对钢管混凝土拱桥顶推过程中主梁的内力和变形进行了分析,同时还对顶推临时结构导梁和临时支墩进行了计算,为钢管混凝土拱桥的施工提供技术支持,必将有助于顶推法在钢管混凝土拱桥施工中的广泛应用。

1 石环公路系杆拱桥顶推施工技术研究

1.1 工程概况

石环公路307国道东互通立交桥位于石家庄市裕华区小西帐村北,由南向北依次跨越307国道、石德铁路良村车站、307国道复线、石津灌溉渠。主线主桥位于直线段,下部结构采用群桩基础,桥墩为矩形等截面柱式墩;主梁为预应力混凝土系杆拱结构,采用刚性系梁、刚性拱,每道拱肋采用两根钢管拼成哑铃形,材质采用Q345D钢,钢管外径120 cm,钢管及腹板除拱肋预埋段壁厚为16 mm外,其余壁厚均为14 mm,内填充C50微膨胀混凝土。主桥上部系杆拱结构采用顶推法施工。

1.2 工程特点及施工策略研究

1.2.1 工程特点

1)铁路安全要求高。石德铁路为石家庄连接东部地区的干线铁路,行车密度大;施工过程中,必须确保石德铁路运营安全。2)主桥施工难度大。主桥采用102 m系杆拱结构,其拱肋采用直径120 cm钢管混凝土,系梁采用预应力混凝土箱梁,体积大、结构相对复杂;主梁采用顶推法施工横跨铁路,顶推距离远、顶推重量大、安全要求高。3)施工场地狭窄。系杆拱结构施工时,必须在石德铁路上行线和相邻到发线间、石德铁路到发线和货物线间布置临时墩。石德铁路上行线和相邻到发线间间距仅7.55 m,行车限界以外可利用有效空间仅2.55 m,施工场地狭窄。4)施工交通困难。石德铁路行车密度大,铁路范围内临时墩施工时,人员、材料和机具的通行、运输必须横穿铁路,施工交通困难。

1.2.2 施工对策

根据上述工程特点,制定了以下施工策略:1)对跨越铁路的工程部位采取有效的安全技术措施;2)安排具有跨铁路施工经验,且熟练掌握顶推施工工艺的施工队伍进行主桥施工;3)充分利用通往货场的既有道路,尽量避免施工人员、机具、材料横跨铁路通行、运输。

2 石环系杆拱桥顶推施工过程仿真计算及分析

2.1 有限元模型的建立

本文采用ANSYS计算软件进行顶推过程仿真计算,根据结构的对称性选取左半幅拱桥进行有限元计算。在进行有限元建模时采用杆系单元。系梁、拱肋、风撑和刚臂采用Beam189单元,导梁采用Beam4单元,吊杆采用Link8单元。

2.2 顶推过程仿真计算结果分析

利用大型有限元软件ANSYS对整个顶推过程按工况进行了仿真计算,主要对顶推过程中主梁的弯矩和竖向挠度进行分析。

2.2.1 弯矩分析

顶推施工阶段主梁产生最大弯矩的情况有两种,一种是主梁前端接近前方支点时,即最大悬臂状态;另一种情况是主梁到达墩顶后,随着梁体继续向前推移,到达某一特定位置,主梁可能再次出现最大负弯矩值。

通过对本桥顶推施工过程的模拟计算,得到各工况下主梁的弯矩极值,绘制曲线如图1所示,这里以梁上侧受拉为正(下同);同时还得到对应各工况下主梁不同截面的弯矩值,这里每隔5 m取一个控制截面,将其绘成曲线,得主梁弯矩包络图如图2所示。

由图2可知,主梁最大正弯矩发生在工况7且距端部25 m的截面处,因为工况7距端部25 m处有3号支墩,且此时主梁达到最大悬臂25 m,因此,25 m截面出现弯矩尖角,弯矩达到最大值66 200 kN◦m。同时工况 17处也出现了弯矩极值,此时主梁刚上4号a墩,主梁前端也出现了较大悬臂长度,为22.54 m,所以此工况出现了弯矩极值。

2.2.2 竖向挠度分析

由计算得到梁体各施工工况的竖向最大挠度值曲线如图3所示。由图3可知,主梁最大竖向挠度变化曲线与图1最大弯矩变化曲线的变化趋势是相同的,其最大竖向挠度也产生在工况7,因为此时主梁前端出现最大悬臂,所以此时挠度出现最大值-92.64 mm,位置在主梁前端0截面处。

3 结语

利用有限元分析软件ANSYS建立了全桥模型,针对顶推过程中的各个工况对钢管混凝土拱桥顶推过程中主梁的内力和变形进行了分析,得出以下几点结论:

1)针对顶推过程中主梁内力和变形的计算分析,得到出现弯矩和挠度极大值的危险工况为工况7和工况17,因此在施工过程中应对这两个工况予以特别关注;

2)在顶推过程中主梁前10 m～40 m的范围为危险截面范围,应加强检测及采取措施以保证施工过程中结构的安全;

3)通过对整个顶推过程中所得数据的定性分析,说明运用本文的计算模型和程序对钢管混凝土拱桥顶推施工过程进行仿真计算是可行的,完全可以满足施工技术的需要。

[1] 范立础.桥梁工程[M].第2版.北京:人民交通出版社,2002.

[2] 黄宏辉.大跨度斜连续梁桥顶推施工仿真计算程序设计与关键技术研究[D].长沙:长沙理工大学,2005.

[3] Hewson Nigel,Hodgkinson Andrew.Incremental larnch of Brides Glen Bridge,Ireland[J].Concrete(London),2004,38(7):29-30.

[4] Malite Maximiliano,Takeya Toshiaki,Goncalves Roberto Martins,et al.Monitoring of the Parana River Bridge during larnching[J].Structural Engineering International:Journal of the International Association for Bridge and Structural Engineering(IABSE),2000,10(3):193-196.

[5] 张华平.混凝土斜连续梁桥顶推施工控制技术研究[D].长沙:长沙理工大学,2005.