预应力混凝土连续梁桥顶推施工过程仿真分析

严定钰

（江苏东联工程检测有限公司 江苏 21000）

当新建城市桥梁需要用来跨越既有铁路运营线时，为了不中断繁忙的运营线，最大限度减小对既有运营线路的影响，一般会采用顶推法进行施工，即对预制好的梁体，以钢导梁进行导向，在四氟乙烯板的滑块间，采用千斤顶纵或横向推进至设计位置，实现跨越既有路线。在步履式多支点顶推施工过程中，由于主梁在临时墩上的支承约束位置会发生不断的变化，导致顶推梁体的内力与挠度会随着顶推进程不断地发生变化，这种变化使得顶推过程中主梁的受力变得十分复杂[1-5]。因此，对顶推施工进行全过程的计算仿真分析，可为具体工程的顶推施工提供理论指导。

1 工程概况

省道齐富公路嫩通高速至嫩江大桥段跨平齐铁路及哈齐客专分离式立交桥，桥梁全长566.04 m，共7联24孔。其中第4联主桥跨铁路段为（40+60+40）m三跨混凝土连续梁结构，共两幅，主梁为单箱双室预应力混凝土箱梁。桥梁中间80 m梁段要采用顶推法施工，顶推距离99 m，顶推就位后两端剩余30m梁段采用支架原位现浇，进行边跨合龙。按照设计图纸，考虑防撞墙、桥面、导梁等附属结构，单幅顶推理论重量为4500 t。根据顶推重量，拟采用两台250 t和两台350 t连续千斤顶顶推施工，顶推施工需要在铁路封锁时间内进行，主桥顶推梁段立面布置如图1所示。

图1 主桥顶推梁段立面图（单位：cm）

2 顶推施工过程

主桥预应力混凝土箱梁采用顶推法施工，简述顶推施工过程如下：

（1）试顶推

顶推前先进行试顶，顶进距离为6 m。试顶过程中记录顶推力大小、顶推梁前进速度、滑块的工作情况、各种设备的运转情况、结构物关键点的受力情况等相关参数，并与理论参数进行对比，进而调整顶推相关参数为正式顶推做好准备。

（2）正式顶推

正式顶推分三次进行，顶推距离分别如下：

第一次顶推距离为23 m，前导梁顶过L1号临时墩中心线2.34 m，要点时间为60 min，顶进速度为23 m/h。第二次顶推距离为31 m，前导梁顶过11号墩中心线2 m，要点时间为90 min，顶进速度为20.7 m/h。第三次顶推距离为39 m，梁体顶推到位，要点时间为110 min，顶进速度为21.3 m/h，顶推至最后2 m时将顶推速度放慢为2 m/h进行梁体就位调整。顶推结束后，11号墩和12号墩两侧各有10 m的梁长。

3 施工过程仿真分析

由于主梁存在15°的斜交角，模型采用梁格法建立，整个结构分析建模有以下几个要点：每顶推1 m作为个施工阶段，每个施工阶段认为结构一次形成；顶推施工采用墩动梁不动模拟，每顶推一次，支承边界变更一次。导梁与主梁完好的结合在一起共同工作。

3.1 计算参数

（1）结构自重：混凝土容重取值为26 kN/m3，钢材容重取值78.5 kN/m3。

（2）二期恒载：桥面铺装荷载：中梁取值19.73 kN/m；外边梁取值10.76 kN/m；内边梁取值23.26 kN/m。护栏荷载：顶推梁段外边梁取值21.50 kN/m；现浇段内、外边梁取值10.75 kN/m。

（3）混凝土与预应力计算参数的取值见表1。

表1 C50混凝土与预应力钢束参数表

3.2 施工阶段模拟

本项目顶推桥梁施工主要包括：主梁顶推就绪、试顶推、正式顶推、顶推就位、落梁、施工剩余合龙梁段、二恒施工、成桥运营。按施工图所述施工流程，从顶推开始到成桥阶段，本次计算模拟共划分105个施工阶段，各施工阶段内容要点见表2，施工阶段模拟见图3。

表2 各施工阶段的内容要点

图2 施工阶段模拟图

4 有限元计算结果

4.1 应力计算结果

通过顶推施工过程的计算分析，主梁在在距梁端10.5 m处（A1截面）及距梁端21m处（A2截面），出现变化幅度较大的弯矩，具体位置如图3、图4所示。

图3 顶推过程中主梁应力最不利位置布置图（单位：cm）

图4 箱梁截面应力测点布置（单位：cm）

根据计算，A1和A2截面从顶推开始到顶推结束的理论应力变化时程图如图4-4和图4-5所示。

由图5、图6可知，整个顶推过程中，主梁A1截面在顶推58 m时，上缘出现最大压应力为-6.67 MPa，下缘出现最小压应力为-0.09 MPa；在顶推就位时，上缘出现最小压应力为-2.35 MPa；下缘出现最大压应力为-5.11 MPa。主梁A2截面在顶推51 m时，上缘出现最小压应力为-0.89 MPa，下缘出现最大压应力为-11.0 MPa，在顶推98 m时，上缘出现最大压应力为-6.51 MPa，下缘出现最小压应力为-3.29 MPa，整个顶推过程中主梁截面未出现拉应力。

图5 A1截面理论应力变化时程曲线

图6 A2截面理论应力变化时程曲线

4.2 挠度计算结果

根据本桥施工阶段仿真模拟计算结果，顶推过程中导梁的前端和顶推梁段前端竖向变形变化幅度较大，具体位置如图7所示。

图7 顶推过程中主梁挠度最不利位置布置图（单位：cm）

根据计算，A-1和A-2截面从顶推开始到顶推结束的理论挠度变化时程图如图8、图9所示。

图8 顶推过程中前导梁梁端挠度变化时程曲线

图9 顶推过程中主梁前端挠度变化时程曲线

由图8、图9可知，前导梁在顶推97 m时即将上10#主墩前，出现最大悬臂状态，最大挠度为70.3 mm；主梁前端在顶推97 m时出现最大挠度为-14.1 mm。

4.3 预拱度计算结果

为保证桥梁成桥后线形满足设计要求，主梁立模标高应考虑预拱度设置，主梁的预拱度主要由以下的几方面的梁体竖向变形组成：（1）顶推到位后梁体竖向变形；（2）边跨现浇后梁体竖向变形；（3）二期恒载施工完梁体竖向变形；（4）考虑10年混凝土收缩徐变效应引起的竖向变形；（5）1/2汽车荷载引起的竖向位移；（6）顶推梁段和边跨现浇段支架的弹性变形按预压实际结果以各跨跨中的最大值按2次抛物线反设。

通过理论计算分析，主梁预拱度设置如图10所示。

图10 预拱度曲线图

主梁的立模标高需在给定的设计高程基础上考虑主梁的预拱度来确保主梁最终的成桥线形。

5 结论

本文以一座三跨预应力混凝土连续梁为工程背景，介绍了连续梁桥的顶推施工步骤，并通过有限元软件Midas/Civil建立该桥的梁格计算模型，对整个顶推施工进行仿真计算分析，得出整个顶推施工过程中的主梁应力、变形最不利位置，并对不利位置进行整个施工过程的计算，计算结果表明：

（1）整个顶推过程中，主梁A1截面的应力变化范围为-0.09 MPa～-6.67 MPa，A2截面的应力变化范围为-0.89 MPa～-11.00 MPa，整个顶推过程中主梁不会出现拉应力。

（2）整个顶推过程中，97m时即将上10#主墩前，前导梁梁端、主梁前端出现最大挠度变形，此变形能够满足正常上墩要求。

（3）主梁立模标高需考虑主梁预拱度，确保成桥后主梁线形满足设计要求。

（4）整个顶推过程的仿真计算可为现场施工提供理论指导。