钢箱梁步履式顶推过程中的结构行为研究

2022-10-28康长波

山西建筑 2022年21期

康长波，吴超

(中国十九冶集团有限公司湖北分公司，湖北武汉 430000)

0 引言

我国步履式顶推施工方法近几年在国内得以迅速发展，步履式顶推施工法具有占地小，不影响交通，便于跨越深谷、道路等障碍物的特点，在实际应用中可有效地防止“梁体爬行”现象发生。根据《公路桥涵施工技术规范》规定，在顶推施工中，钢箱梁的轴向偏移在10 mm内，如果控制效果不好，则会造成纠偏次数过多，从而增加工程工期和造价，因此分析连续钢箱梁桥步履式顶推施工过程中的结构行为具有重要意义。因此，本研究以沣东立交E匝道桥项目为背景，利用Midas/Civil建立了钢箱梁的结构模型，分析了顶推过程中的支反力的变化，以及对局部产生的影响，其结果可以为步履式顶推施工工程提供参考。

1 步履式顶推施工方法应用现状

从施工角度，顶推施工方式分为两种，即步履式顶推和拖拉式顶推，前者率先应用于我国杭州九堡大桥，后得到广泛的推广与发展。

1.1 步履式顶推施工方法应用现状

连续钢箱梁顶推施工期间[1]，需要做好方案的选择及设计，要预先做好对现场作业情况、顶推作业对象以及对象结构类型等的实际调研，以此来掌握施工方案管控的重要参考信息。同时在施工方案的选择中要充分考虑施工单位实际情况，其包括施工团队的人员配置、设备配置以及施工人员技术水平等，这样才可以有效的做好施工流程推演。

步履式顶推千斤顶装置自成一体，施工步骤为“顶、推”两个步骤交替进行，竖向千斤顶会在竖直方向顶起主梁，水平千斤顶则是顶推滑块，滑块会带动主梁向前移动，竖向千斤顶在回落过程中会将主梁放置于垫梁上，滑块将从箱梁梁底脱落，最终完成一个循环过程，如图1所示。与其他顶推方式有所不同，步履式顶推可以适应不同的桥型结构和桥型曲线，整个施工过程中使用到全液压系统，设备体型较小，顶推力比较强，容易控制，相应的安全性也有所提升。

由于步履式顶推方式采用液压电器控制，在同步性和精准度方面更容易控制，同时也可以调整好墩顶所承受的水平方向的推力，竖直方向调节更加便捷，若是超过箱梁应力，可以通过对竖向千斤顶伸缩量的调节，实现控制好各个支点的反力，目前在我国九堡大桥、绍兴滨海大桥都用到了步履式顶推方法。

1.2 顶推施工中存在技术问题

虽然目前顶推施工技术逐渐成熟，也拓展了应用领域，但是在顶推过程中对桥梁结构存在安全性问题，主要表现在：

1)顶推施工预应力混凝土箱梁[2]逐渐演变后成为顶推施工钢箱梁，在顶推过程中会因为工况变化受力原因影响到结构安全，为此需要强化对整体结构受力问题的分析，集中解决因局部力量较大影响到箱梁出现变形现象，但是目前在这方面的学术研究相对较少。

2)顶推施工期间往往更多的关注主梁结构，反而对下部结构中所使用的临时墩或者是永久墩受力情况分析研究不足，顶推力较大的时候会使得支撑墩出现纵向位移，此时因为墩承受荷载较大，钢结构支墩有安全问题存在，同时混凝土墩也有开裂的风险，这就需要在施工期间强化对下部结构的受力分析。

3)对主梁施加的水平推力在分配时会受到竖向支反力和桥墩刚度以及支撑摩擦阻力影响，但是目前的学术研究中往往只看到了桥墩刚度与桥墩间的正向关系，但是未能充分结合理论来计算出数值范围。

2 工程背景

本研究主要是以陕西省西咸新区沣东新城沣东立交桥工程为研究对象，沣东立交桥工程共有5条匝道桥，其中E匝道桥第三联采用54 m+65 m+58 m+52 m连续钢箱梁，第1跨和第4跨跨越城市道路，第2跨跨越新西宝高速公路和新建C匝道桥。钢梁位于平曲线与竖曲线双曲线上。梁高采用2.2 m～2.6 m变高设计，桥面宽度为19.5 m，第2跨拟采用步履式顶推法施工。顶推段总质量达到了1 200 t，纵坡为1.8%和-3.47%。E匝道平面图和立体图如图2所示。分别在9号墩、10号墩、11号墩间安装支架，并分别放置了8组步履式顶推装置，墩顶处安装滑道，滑道结构与步履装置结构相同。在钢箱梁的前段安装导梁，导梁使用两根变高H型钢，间距在8.4 m，导梁端部焊接在钢箱梁钢板上，其焊接板的厚度为26 mm。H型变高钢导梁示意图如图3所示。

3 顶推施工关键技术分析

在连续钢梁顶推施工过程中需要结合工程项目选择合适的施工技术以及做好各个环节的把控，确保最终施工安全性和可靠性。顶推法施工核心在于使用千斤顶工具对梁体实施水平方向的推动力，在推力和预先设计好的临时滑道实现最终的推滑，其原理在于梁体以分段或者是全段的方式向前顶推，有效的克服了因特定环境制约施工问题。同时顶推施工期间，需要及时对梁体进行横向纠偏，避免出现较大差距的横向偏移，否则会偏离桥梁中轴线，造成桥梁支点和桥墩受力不均，导致箱梁底部的应力较大，最终出现顶推困难的现象，严重还会出现梁体倾覆，增加施工难度和危险性。

3.1 顶推施工方法优点分析

目前，因为顶推施工的方法种类较多，优势较为明显，因而被广泛推广，其具体的优势在于顶推除了工作平台不需要再进行其他临时支架的搭设[3-5]，这样不会影响到桥下正常的交通秩序，因而非常适合于需要横跨深谷或者是已有路线以及其他障碍物(高压线路)的桥梁施工中使用；顶推所需要使用到的梁体构件都可在工厂进行预制，所耗费的时间周期比较短，质量也相对容易控制，施工现场只需要在工作台上对其进行拼装即可，整体来看可以有效的降低施工成本。顶推施工桥梁中单跨顶推力可以达到梁体总质量的6%～15%，具体数值情况要参考摩擦系数，同时顶推施工期间所使用到的设备相对小巧、轻便，不需要动用较大的吊装运输，更符合需要跨越公路、河流等特殊场景使用。

3.2 顶推施工方法缺点分析

在众多优势当中顶推施工方法对于精准度和施工技术提出了较高的要求，采用顶推方式进行桥梁建设，需要考虑到桥体结构受力，这是因为施工阶段与运营阶段有着非常明显的差距，为此需要在施工中把握好顶推力、摩擦系数等，这些都呈现出动态变化趋势，会影响到临时墩位发生偏移，甚至改变梁体应力与内力参数，这些不确定性的存在会导致顶推施工更为烦琐，不安全因素加剧。

4 顶推施工中钢箱桥梁受力分析

由于顶推施工的方式是一种动态性，与它相关的边界条件和负载情况都会不停地发生改变，不同阶段下顶推部位受力状态存在明显的差异，为此需要对桥梁顶推全过程展开受力分析，避免在施工期间因支座脱落、顶推不同步以及滑块填塞厚度不精准等问题影响到局部受力突出。在关于钢箱梁受力分析中使用Midas/Civil，以此来探究随着顶推工序的进行，梁体前段竖直方向位移情况、桥墩支反力变化规律，分析不同落梁方案对于支反力的影响，确保最终顶推施工的安全性。

4.1 Midas仿真模型搭建

对钢箱梁顶推全过程下受力分析，需要先建立梁体模型，并非常细致的划分出施工阶段，保证实体单元计算数值精准度，若是按照这样的过程进行，需要耗费大量的时间，不易修改，一般项目分析中不会采用这样的形式。为此，利用空间梁单元构建钢箱梁模型，其核心在于用Midas/SPC模拟截面形状，搭建梁单元模型，以及其对应截面，分析每道工序，提取最终计算结果。

顶推施工中常用的两种模拟形式即“墩动梁不动”和“梁动墩不动”，结合项目具体情况，考虑本项目中所使用的梁单元较多，若是采用对固定单元节进行编号的方式更容易进行数据提取，钢箱梁与支撑体系采用分开建模的方式，对钢箱梁模型分析时可以引入约束模拟支撑体系。综上，最终选择使用“墩动梁不动”的模拟计算方式。

该过程需要假定梁体位置不改变，每次进行顶推，就需要变换一次边界条件和支座信息，在梁体与墩顶空隙处使用弹性链接，这样当支座表现出拉力时，需要解除该工况状态下支座连接后，再重新迭代计算，以此模拟脱空现象，具体模拟过程如图4所示。

4.2 钢箱梁施工阶段划分

在本次钢箱梁施工深化设计中使用工厂预制的方式，直接将成型的钢箱梁运输到施工现场，通过吊装设备将其吊到顶推平台上，完成线性拼装、焊接以及焊缝检测等多重工序，待焊缝检测合格后方可将梁体顶推出工作台，本项目中具体的顶推流程为：

1)顶升竖向千斤顶，使钢箱梁竖向上升并脱离支座平台。

2)调整竖向千斤顶方位高程，使梁体纵向保持水平。

3)移动纵向千斤顶，使梁体进行纵向前移。

4)调整横向千斤顶，使梁体达到预定平面位置。

5)下降竖向千斤顶，使得钢箱梁落在预定垫块上方。

按照上述流程执行，完成一个顶推环节。在完成顶推循环，梁体会在水平方向前进0.5 m，由于一次顶推距离相对较小，整个结构受力状态差异并不是很大，为此本文按照每顶推1 m进行施工阶段的划分。

4.3 钢箱梁竖向位移情况

考虑整个装置的自重，悬臂一端会在竖直方向产生向下的位移，若是摆动幅度过大，将会影响到导梁上墩，进而影响到整个项目的施工进程，为此需要先对顶推过程中的箱梁结构位移情况展开分析，随着顶推进行，梁体前段的竖向位移变化如图5所示。

本项目施工采用先拼接再顶推再拼接的方式，因此顶推平台上方梁体长度相对较大，从而整体结构的自重比较大，需要保证与支座良好的接触。随着顶推距离的加深，梁体的移动使得更多的自重荷载移向前端，随着前端悬臂段长度增加的同时，下挠也会因此增大，这使得整个梁体的后方出现了上翘问题。遵循导梁前端下挠位移规律变化，在n墩到n+1墩的过程中，下挠位移也从0开始增大，当导梁到n+1墩的时候，竖直方向的位移又恢复到最初的0，当工况从导梁前端到10号墩，竖向位移数值在1.3 mm，因为跨中下挠原因，导梁前段有上翘的趋势，持续的顶推，当整个过程达到最大悬臂状态时，导梁前端竖向位移在-6.6 mm，向前再推1 m，此时的前端位移又恢复到了4.6 mm。按照上述过程，顶推的最大竖向位移可以达到11.4 mm，此时的形变也达到了最大，若是持续这样会影响到整个结构的受力与梁体上墩，为此需要不断地对施工过程进行健康监测，确保装置结构受力在安全范围内。

在顶推施工至45 m～49 m的时候，在导梁的前端下挠最大可以达到49.4 mm，在模型中可以发现处于该工况状态下导梁根部与钢箱梁连接处正处于10号墩上方，观察模型，导梁和钢箱梁的链接采用了刚性连接法，导致此刻的刚性达到了无限大。导梁越逼近9号墩时，在自重的作用下下挠达到了最大，导梁的根部正处于9号墩正上方，在连接处出现了转角现象，导梁自重与刚度数值相对较小，因而会出现上翘的现象。

但当梁体被推出平台后，由于中心发生了改变，梁体尾部开始出现了上翘的趋势，上翘现象越明显，相应的拼装难度会增大，甚至存在拼装错误的问题，同时顶推平台无法提供足够大的摩擦力，很可能出现无法推动的现象，或者是滑块出现打滑等，这需要在施工过程中加以注意。需要强调的是当完成下一阶段梁体吊装后再进行拼接，最终梁体尾部恢复到原有的状态，然后再进行新的循环。