多跨简支拱型钢桁梁桥顶推拖拉监控技术

孟令强

（1.铁正检测科技有限公司，山东济南 250014；2.中铁十四局集团有限公司，山东济南 250014）

近年来顶推拖拉施工技术已经广泛应用于不同类型桥梁的施工中，尤其是在系杆拱桥和钢桁梁桥的施工中应用更多［1-2］。而大跨度拱型钢桁梁的顶推拖拉施工过程是一个结构体系不断变化的动态过程，桥梁结构在拼装、拖拉、落梁、拆除等状态下的受力模式各异，其结构的力学行为也不尽相同，同时还受到温度、工序、环境等各种因素影响。为制定科学可行的施工方案和确保施工安全，必须对桥梁拖拉施工全过程开展详细的整体受力分析和现场监控。

国内外针对顶推拖拉施工的研究主要集中在施工关键技术、分析方法、优化设计、现场监控等方面，其中赵人达等［3］详细阐述了目前桥梁顶推法施工的研究现状，并对发展趋势进行了深入研究；董国祯等学者［4-9］则针对不同类型的钢箱梁、系杆拱桥、连续梁和钢管混凝土拱桥进行了施工监控技术研究。既有监控技术研究以单孔拱桥顶推拖拉施工居多，而针对超重超长的多跨长联桥梁的顶推拖拉施工及监控技术研究很少。据此，本文以京张高速铁路官厅水库特大桥拱型钢桁梁为工程背景，对大桥顶推拖拉施工过程进行数值仿真分析和现场监控技术研究，以确保结构安全和施工安全。

1 工程概况

大桥主桁上弦采用变高度桁式，为近似拱型结构。设计速度为350 km/h，设计荷载为ZK 活载，采用球型支座。大桥单孔计算跨径为108.0 m，分为10 个节间，每个节间尺寸10.8 m，单孔质量为1 863 t，中间最大桁高为19.0 m。大桥采用有砟轨道，钢桥面板两侧设置20 cm 厚道砟槽板。主桥位于直线上和纵坡位置处，纵向坡度为2.0‰。主、引桥过渡墩采用分离式墩身，在两侧引桥混凝土箱梁与主桥钢梁之间设置阻尼器。

大桥采用支架上拼装，单侧非等节间顶推拖拉施工方法。京张高速铁路北京方向引桥位于水库内，仅在张家口一侧设置钢桁梁拼装平台，利用龙门吊机在拼装平台上先完成单孔钢桁梁拼装。在第1孔拼装完成的钢桁梁前端设置导梁，然后利用顶推拖拉滑道、滑块及拖拉牵引装备将第1孔拖拉到位。然后顺序拼装后续钢桁梁，重复拼装和顶推拖拉至设计位置，拆除附属结构后落梁，最后完成主桥施工。大桥顶推拖拉施工是结构体系不断变化的动态过程，结构受力复杂，为确保结构安全和施工安全，必须对施工全过程进行现场监控，以确保结构满足强度、刚度及稳定性要求。

2 数值计算及现场监控

大跨度拱型钢桁梁桥顶推拖拉施工是一个复杂的系统工程，主要施工阶段包括钢梁拼装、顶推拖拉和落梁3 个环节。钢梁拼装按照“下弦杆→桥面板→下平联→腹杆→上弦杆→桥门架→上平联→横联”的顺序进行拼装作业。顶推拖拉施工按照“1+1+1+2+2+1”的模式进行，首先拼装1孔钢桁梁，顶推拖拉后继续拼装1孔或2孔钢桁梁，直至最终将全部8孔钢桁梁顶推拖拉到位。8 孔钢桁梁就位后拆除滑块和滑道梁，先后进行简支端和连续端体系转换，逐孔转换结构体系，最后完成落梁工作。因大桥施工工序繁琐，需结合施工顺序合理确定监控内容。

2.1 数值模拟仿真分析

2.1.1 有限元模型的建立

利用MIDAS/Civil 建立全桥有限元模型，主桁、纵横梁采用梁单元，桥面板采用板单元，上平联、横联采用桁架单元。桥梁采用整体建模方法，根据实际施工步骤分段激活，模拟整个顶推拖拉过程。顶推拖拉就位后，通过钝化临时连接的方式完成连续到简支的转换，进入落梁阶段。边界条件为：采用一般支承约束钢桁梁纵、横向水平位移，采用节点弹性支承的是只受压类型，模拟垫块、滑块对钢桁梁的支承情况。图1为导梁及第1跨钢桁梁拼装已经完成。

图1 导梁及第1跨钢桁梁拼装完成

2.1.2 数值计算结果分析

1）拼装及顶推拖拉阶段。整个顶推拖拉过程按每10.8 m 为1 个阶段重复进行，通过变换钢桁梁底部弹性支承位置来模拟整个顶推拖拉过程。分析结果表明：①拼装过程中，除上弦杆受力较小外，其余杆件的受力大多介于-12～18 MPa。②顶推拖拉过程中，当底部弹性支承位于无斜杆分担竖向压力的竖杆附近时，该处下弦杆及竖杆应力急剧增加，处于最不利受力状态，且首孔钢桁梁的受力较其他孔跨更大。③顶推拖拉过程中，导梁端最大悬臂达99.2 m，对应挠度为26 cm。此时首孔钢桁梁上弦杆A3A4，A4A5拉应力达到最大值；尾孔钢桁梁悬臂达54 m，对应挠度为6.7 cm，此时悬臂根部处下弦杆及竖杆受力最不利。④顶推拖拉过程对临时支墩受力及变形影响较大，这对钢桁梁的受力状态同样会造成不利影响。

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2）落梁阶段。钢桁梁落梁高度介于1.34～2.18 m，属高位落梁。体系转换完成后，钢桁梁达到由8 个落梁支墩支撑的落梁前状态，通过竖向千斤顶逐步抽取标准钢垫块的方式使钢梁逐步下落到设计位置［10］。由于施工误差，落梁前钢桁梁的4 个支点位置不可能在同一平面上，加之各支点的下落过程不可能做到完全同步，可能造成钢桁梁部分杆件附加应力增加较多，从而影响钢梁结构安全。针对这种情况分4 个工况进行钢桁梁敏感性杆件分析，以确定最不利受力杆件。4个分析工况见表1。

表1 钢桁梁落梁分析

分析结果表明：①工况2，3 对钢梁杆件受力影响较小；②工况1，4 会使斜杆E0A1 产生较大附加应力，同时使2#，3#支点反力急剧增加，工况4 的影响尤为明显；③工况4作用下斜杆E0A1的压应力达125.9 MPa，达到该杆件稳定容许应力的76%，此时2#，3#支点的反力增大62.4%，结构受力较为不利。因此落梁之前应在4 个支点上方桥面位置布设水准点，利用水准仪测量各水准点的相对高程，并在落梁过程中加强观测。同时，应对敏感性受力杆件E0A1 进行应力监控。通过标高、应力数据的双重控制做到及时预警，及时处置，保证落梁工作顺利完成。

2.2 监控内容及方法

依据仿真分析结果，确定现场监控内容主要包括应力（温度）监控和变形监控。

1）应力（温度）监控

对主梁和临时支墩同时进行应力（温度）监控，根据仿真分析结果，在主桁杆件和临时支墩上安装应变测试元件以监控危险部位的应力大小，与其他监控指标结合全面判断结构受力状态。采用JMZX-212HAT型弦式应变传感器进行应变和温度监控，同时配套JMZX-256 型自动化综合测试系统实现应力监控数据的实时采集、实时处理和预警。在每孔钢桁梁控制截面对应桁梁上下弦杆、腹杆、斜杆位置对称布置应力测点，每孔钢桁梁16 个测点；在导梁最不利受力杆件上布置测点，共10 个测点；每个临时支墩外侧布置2个测点，滑块上布置2个测点，临时支墩和滑块共布置20个测点。主梁及导梁测点布置如图2所示。

图2 主梁及导梁应力测点布置示意

2）变形监控

变形监控是指采用不同类型仪器设备对各施工阶段的预拱度、挠度、轴线偏位等进行监控，以确保结构实际变形与设计变形之差在容许范围内。针对大桥的结构特点和现场监控要求，拼装过程中主梁预拱度和顶推拖拉过程中临时支墩变形采用精密水准仪进行测试；顶推拖拉过程中的主梁轴线偏位和各控制点挠度采用高精度全自动全站仪进行测试。主梁挠度测点布置在钢桁梁跨中位置、悬臂端和两滑块中间位置，临时支墩挠度测点布置在桥墩顶部。图3为部分变形测点示意。

图3 部分变形测点示意

3 监控结果分析

3.1 预拱度监控结果分析

钢梁拼装阶段进行预拱度监控，分析计算时采用升降温方法调整弦杆的长度设置预拱度。预拱度设置对钢桁梁桥整体拼装、钢桥面板焊接和行车平顺性均有很大影响。现场实测各节点预拱度与数值计算结果趋势吻合良好，且大小基本一致。左幅E5 和右幅E5 测点位置实测预拱度最大值分别为114 mm 和112 mm，与计算值109 mm 基本一致。预拱度最大偏差发生在跨中位置，主要是因为跨中位置预拱度绝对值很大，偏差值对应也较大。钢桁梁各位置实际偏差均小于容许偏差，钢梁整体线形良好。

3.2 应力监控结果分析

对主梁、导梁和临时支墩进行应力监控，涵盖钢梁拼装、顶推拖拉和落梁阶段。在钢梁拼装阶段，实测钢桁梁各杆件应力介于-14.4～13.2 MPa，且实测值与计算值较为接近。实测应力变化规律与数值计算结果相符，杆件应力实测值均未达到其容许应力的80%，杆件受力安全。临时支墩实测应力也均小于计算值，结构处于安全状态。

在钢梁顶推拖拉阶段，导梁及主梁杆件受力较为复杂，各测点应力随着拖拉距离改变而不断变化。导梁实测应力变化规律与数值计算结果基本一致，各测点应力均为交替变化。实测应力最大值为-125.6 MPa，略小于计算值-135 MPa，发生在钢梁整体向北京侧拖拉97.2 m 位置处，此时导梁悬臂长度最大，根部截面应力最大，其他阶段实测应力相对较小。

在顶推拖拉施工阶段，主梁各杆件应力随体系转换而不断变化，各孔上下弦杆、竖杆及斜杆实测应力均小于计算值，且实测应力变化规律与数值计算结果基本一致。相比较而言，下弦杆应力变化最大，第1孔实测最大应力为-144.7 MPa，小于计算值-150.0 MPa，发生在钢桥整体向北京侧拖拉54.0 m 时，此时下弦杆受力最为不利。而第8孔实测最大应力为-149.7 MPa，小于计算值-152.0 MPa，发生在钢桥整体向北京侧拖拉108.0 m 时。拖拉过程中杆件应力实测值均未达到其容许应力的90%，杆件受力安全。

现场落梁工作持续近60 d，落梁时对拱脚处应力进行监控。整个落梁过程中实测各桥跨拱脚应力介于-97.4～-34.0 MPa，均小于数值计算值，且杆件应力均未达到其许用应力的80%，应力水平均在安全范围之内。

3.3 变形监控结果分析

钢梁拼装过程中临时支墩最大沉降为6 mm，发生在整孔钢梁全部拼装完毕时，且拼装过程中沉降值稳定，沉降值随钢梁重量增加而逐渐增大，沉降未对钢桁梁拼装造成安全影响。钢桁梁顶推拖拉阶段主梁、导梁和临时支墩变形较大，表2为顶推拖拉阶段部分变形监控数据。

表2 部分变形监控数据 mm

在顶推拖拉施工阶段，变形最大值一般发生在导梁端部和钢桁梁尾部，当导梁或钢桁梁悬臂长度最大时，对应挠度变形数值最大。顶推拖拉桥跨数量对挠度变形影响不明显，挠度变形与悬臂长度成正比例关系。由表2可知，整个拖拉过程中实测挠度变化规律与数值计算结果相符，且挠度实测值均小于计算值，说明导梁刚度比理论偏大。同时，钢桁梁尾部挠度远小于导梁端部数值，说明钢桁梁刚度远大于导梁，在施工过程中监控重点应集中在导梁位置。

整个拖拉过程中桥梁轴线沿中线左右变化，现场实测钢桁梁尾部最大轴线偏位为+18 mm，对应导梁前端最大轴线偏位为-17 mm。总体表现为导梁前端偏向上游侧而钢梁尾部偏向下游侧，轴线偏位处于可控状态，不影响拖拉施工的安全进行。在整个施工过程中，滑块滑动引起的墩顶纵向水平位移最大值为3.0 mm，钢梁就位后恢复原状态，说明滑行过程中水平支架处于安全工作状态。

4 结论

以我国高速铁路上的第1座采用顶推拖拉施工的多跨长联拱型钢桁梁桥为工程背景，开展了施工全过程数值计算和现场监控技术研究，得到以下结论：

1）大跨度钢桁梁桥拼装、顶推拖拉和落梁施工是一个复杂繁琐的过程，在各个施工阶段均须对关键部位的应力和变形进行监控，测点的选择需根据数值计算结果确定。

2）整个顶推拖拉过程中，当梁底滑块位于无斜杆分担竖向压力的竖杆附近时，该处下弦杆及竖杆应力急剧增加。导梁端最大悬臂时首孔钢桁梁上弦杆A3A4，A4A5拉应力达到最大值；尾孔钢桁梁进入悬臂状态后，悬臂根部处下弦杆及竖杆受力最不利。以上工况在整个拖拉施工过程中需要重点关注。

3）在钢桁梁各施工阶段，主梁杆件、导梁及临时支墩变形和应力变化较为复杂，体系不断转换是各监控参数交替变化的直接原因。而实测各监控参数变化规律与数值计算结果基本一致，且均小于规范规定的容许值，实测数据均在安全范围之内，施工阶段钢桥整体线形和受力控制较好，满足设计要求。