单主缆悬索桥主梁在顶推施工中的局部受力特征

2021-09-09黄宗光

公路交通技术 2021年4期

黄宗光，罗天

(1.南宁城市建设投资集团有限责任公司，南宁 530033； 2.四川省公路规划勘察设计院有限公司，成都 610041)

20世纪70年代顶推施工方法在我国开始应用，1977年建成的狄家河桥是我国首座应用顶推法建成的桥梁，之后随着我国桥梁的大量建设，顶推法施工技术快速发展。顶推法早期仅应用于PC梁，但随着桥梁建设设备和施工工艺的发展，顶推技术在大跨桥梁的建设中显示了较大优势，已在桥梁建设中占据了极其重要的地位[1-4]，各种类型的桥梁中均有成功使用该施工方法的工程案例[5-6]。随着建设设备的进步，顶推法施工技术在效率和精度上均有了质的飞跃[7-9]，逐渐形成了拖拉式多点连续顶推、楔进式多点连续顶推、步履式多点连续顶推等方法。在顶推法施工过程中，结构和部件局部受力反复变化，需确定最不利状态是否满足受力要求。为确保施工安全，许多学者进行了研究。姚志立等[10]针对不同高程滑道结构受力的问题进行有限元模拟分析，发现高程对结果影响很大。卫星等[11]通过有限元模型对W型槽梁在顶推施工中的时变剪力滞效应进行深入分析，给出了最大剪力滞系数范围和影响因素。董创文等[12]给出了连续梁顶推导梁关键系数的确定方法并进行了验证。张华平等[13]针对斜度在顶推施工中对结构受力的影响进行了研究，得出了应力影响规律。夏学军等[14]通过桥梁整体和构件进行受力分析，给出了顶推施工过程中通过合理设置临时墩等措施改善构件受力的建议。

南宁英华大桥是首次利用顶推技术施工的大跨单索面悬索桥，本文通过有限元分析，针对单主缆悬索桥的顶推施工技术进行了详细研究，模拟了顶推法施工的详细施工过程和主梁局部受力特征，得到了不同施工技术参数对施工阶段应力的影响规律，并对最不利工况提出设计建议，成果供同类型桥梁顶推施工参考。

1 工程概况

英华大桥位于南宁市，承接起江南片区与琅东区的联通任务，为多个区域的经济、社会发展起到重要作用。英华大桥为双塔单主缆钢箱梁悬索桥，桥跨布置为351 m +390 m +209 m，桥塔为混合式桥塔，下塔柱为预应力混凝土结构，上塔柱为钢结构。桥梁矢跨比1/9，吊索间距10 m，如图1所示。主梁为流线型钢箱梁，梁宽37.7 m，高3.5 m，如图2所示。

单位：cm

单位：mm

2 英华大桥顶推施工技术的原理和实施方法

2.1 顶推施工技术工法

顶推施工法是在沿桥纵轴方向的台后设置预制场地，分节段或全部预制上部结构，并将预制节段与施工完成的梁体联成整体，然后通过水平千斤顶施加力将梁体向前顶推出预制场地，之后继续在预制场进行下段梁的预制，循环操作直至施工完成。这种技术适用于桥梁跨越深谷、不可间断交通运输线、难以拆迁的建筑物以及对施工噪音有严格限制的地区。

英华大桥顶推系统采用集中控制系统，并依靠电液比例控制技术，有极高的施工精度。考虑到英华大桥的通航需求、现场环境、经济效益等综合条件，采用步履式顶推法进行施工。为了适应英华大桥临时墩高差的特殊性，确保顶推过程安全平稳，共采用20套步履式顶推系统多点顶推，每2套对称布置在箱梁底部，整个过程分为顶、推、降、缩4个工作阶段，确保每个阶段都能达到很高的精度，从而保障施工的质量。

2.2 顶推法施工过程

由于现场条件受限，钢箱梁在工厂加工后运输至现场进行拼装，过程如下：1) 在箱梁加工的同时在边跨设置顶推平台，在主跨之间搭建7个临时墩，临时墩跨距为30 m+40 m+5×60 m+40 m，如图3所示；2) 临时墩最大间距为60 m，为保证主梁能安全的进行顶推施工，避免过大的挠度，必须设置导梁。根据该桥结构特征和周围环境要求，导梁设计长度为40 m，分4个节段，总重约125 t；3) 临时支墩上安装3层分配梁，高度调整垫座、顶推装置等； 4) 前期准备工作完成后，按顶推施工步骤进行施工。

2.3 顶推施工步骤

英华大桥利用顶推施工技术，其顶推过程可分为4个步骤：1) 启动各墩上的顶推设备；2) 顶升千斤顶通过控制系统伸缸到设定活塞行程，将整个顶推装置和钢箱梁顶起，离开垫梁一段距离；3) 通过控制系统同步控制顶推千斤顶伸缸，推动上滑块带动钢箱梁向前移动至设定好的活塞行程位置，钢箱梁前移，当钢箱梁移动到系统设定的位移量后(500 mm)，顶升千斤顶活塞缩缸回程，使钢箱梁落在垫梁上进行力系转换，水平千斤顶回行程到原始状态，完成一个行程顶推,如此反复，直至完成整个主梁的架设；4) 进行全桥线性调整，保障桥梁线性达到设计要求。顶推设备及步骤如图4所示。

(a) 立面

(b) 构造

3 英华大桥顶推过程的有限元分析

在顶推施工过程中,随着钢箱梁顶推长度的增加，箱梁每个截面的内力呈现出正、负弯矩的交替变化，需对整个顶推过程钢箱梁的受力进行分析，确保结构受力在容许范围内，保障施工安全。本文采用Ansys软件对单主缆悬索桥主梁在顶推施工中的局部受力特征进行研究。

3.1 建模及参数选取

钢箱梁局部实体模型采用板单元，实体部分为一个标准节段；其余位置(顶推支架、上方横梁、分配梁等)采用梁单元建模。在实体模型底部有支撑的位置，用弹性支撑，模型中采用弹簧单元模拟，弹簧单元的刚度由橡胶垫的尺寸决定，尺寸为1 600 mm×900 mm×100 mm。钢箱梁材料性能参数如表1所示，部分部件有限元模型如图5所示。

3.2 边界条件

边界条件设置在滑块支承点处，约束竖向位移。计算荷载包括自重+临时施工荷载+风荷载+步履机荷载。其中，自重荷载按照中桁重量取值，临时施工荷载按2 kN/m均布荷载，施工阶段风荷载按8.85 kN/m计算，步履机荷载按步履机竖向限压荷载的0.3倍考虑。

(a) 开启顶升千斤顶，钢梁脱离垫梁

(b) 开启顶推千斤顶，钢梁前移

表1 钢箱梁材料参数

3.3 模拟工况

根据施工流程和最不利条件选择4种工况：1) 工况1：顶推最大悬臂35 m，导梁25 m，此时导梁前进处无支撑；2) 工况2：顶推最大悬臂35 m，导梁25 m，此时导梁前进处有支撑；3) 工况3：1跨完成时，导梁悬臂25 m；4) 工况4：2跨完成时，导梁悬臂25 m。

(a) 箱梁实体模型

(b) 箱梁底板模型

4 计算结果及分析

4.1 主梁局部部件受力对比分析

根据划分的典型模拟工况，利用Ansys对不同工况下箱梁的局部受力情况进行计算，并提取各工况下箱梁局部受力最大值，其结果如表2所示。

从表2可以看出，在各工况下，各部件Mises应力极值和剪应力都在材料强度允许范围内。一般横隔板的Mises应力极值在工况1最大，工况3最小。其余各部件的Mises应力极值在工况2下最大，在工况3最小。同时，一般横隔板Mises应力极值高于其他部件(工况2除外)，而纵隔板Mises应力极值低于其他部件(工况3除外)。

吊点横隔板、一般横隔板和纵隔板的剪应力变化趋势大体一致。一般横隔板和纵隔板的剪应力均是在工况2最大，工况3最小；吊点横隔板剪应力在工况2最大，工况4最小，如图6所示。由图6可见，与其他部件相比，吊点横隔板在各工况下剪应力最小。纵隔板较其他部件，剪应力最大(除工况4)。

4.2 主梁最不利工况分析

从表2可以看出，在4种工况中，工况2(即顶推最大悬臂35 m，导梁25 m，此时导梁前进处有支撑)时各部件所受应力最大，是最不利工况。在这种工况下，最大应力位置出现在纵隔板横向加劲肋与底板横向加劲肋相交处，如图7所示。在这种情况下，尽管应力值在规定限值内，但设计和施工时也应充分重视，对受力较大的构件和部位在设计阶段应进行适当加强。

表2 各工况下的计算结果 MPa

(a) 局部部件 Mises应力极值

(b) 局部部件剪应力

单位：MPa

同时，在顶推过程中，步履机支点的反力也是控制节点之一，可作为最不利工况选取的参照。支点反力可按下式计算：

式中:F为支点反力；N为竖向限压值；f1为步履机与箱梁间的摩擦系数；f2为滑道与滑块间的摩擦系数。当竖向限压值N确定时，f1/f2越大，支点的反力F越大，可实现更大的顶推重量，顶推能力越强。在实际工程多利用垫橡胶和增加润滑剂等方法调整摩擦系数，以实现更大的推力，不同工况下的支点反力如表3所示。从表3可知，支点反力在工况2时最大，但远小于设计容许值。这说明顶推跨度布置合理，顶推过程中各结构及设备均安全可控。