怒江特大桥基于拱上顶推钢梁仿真分析研究

贺常松

(中铁十八局集团第二工程有限公司 河北唐山 063000)

1 引言

随着中国经济的快速发展，国家对交通运输方面也越来越重视。 我国在近年来提出了“一带一路”发展战略，并大力推广，旨在以交通运输为媒介加强与世界的联系；之后又公布了“十三五现代综合交通运输体系发展规划”，旨在建成高效、安全、便捷、绿色的现代化综合性交通运输体系，基本实现现代化交通运输；在党的中共十九大报告中提出“交通强国”的建设要求，以高速铁路为重点发展方向[1]。 对于交通运输系统来讲，桥梁是一个重要的控制点。 其安全、质量、环保对整个交通运输体系的发展起到至关重要的作用。 而在我们所知的诸多桥梁型式中，钢桁拱桥独特的跨越能力大、承载力高、工厂化作业程度高、施工便捷、可装配式施工等优点，越来越受到设计者的青睐。 在施工方法中，顶推施工成本低、设备轻便、不影响通航或通车等优点，现已成为一种桥梁施工的重要方法。

目前国内外的研究多是针对于混凝土桥的顶推施工技术，有关钢拱桥顶推施工的相对较少，特别是对于利用拱上平台作为拼装场地进行顶推施工的先例更是为数不多。 本文以大跨度上承式钢桁架拱桥为研究对象，对基于拱上平台的顶推施工法进行钢梁支反力变化趋势进行研究，得出钢梁支反力变化趋势[2]，这对同类型桥梁顶推施工具有一定指导作用和日后相关钢拱桥顶推施工研究提供参考依据。

2 顶推施工方案探讨

2.1 工程背景

本文以大瑞铁路怒江特大桥为研究对象。 大桥主桥为跨度490 m 上承式钢桁架拱桥，为四线车站桥，线间距均5 m。 桥梁全长为1 024.2 m，主桥梁部为(14×37.2)m 连续钢箱梁；引桥为(7 ×41)m 和(5×41)m 连续钢混结合梁，钢梁材质为Q345qD。 桥梁布置详见图1、图2。

图1 大桥总平面图

图2 大桥立面图(单位:cm)

主桥钢箱梁全长520.8 m，钢箱梁分两幅设计，每幅桥面板宽12.45 m，全桥宽24.9 m。 纵向分为14个节段，每个节段长度37.2 m。 总重量7 265.6 t。 钢箱梁断面如图3 所示。

图3 主桥钢箱梁横向截面图(单位:mm)

边跨钢混结合梁布设于拱上钢箱梁两侧，瑞丽侧钢梁长度205 m，大理侧钢梁长度287 m。 钢混结合梁横向分为左右两幅，两幅总宽度23 m；纵向分为7 个节段(大理侧)和5 个节段(瑞丽侧)，每个节段长度41 m。 总重4 922.9 t。 钢混结合梁横向截面图如图4 所示。

图4 引桥钢混结合梁横向截面图(单位:mm)

2.2 顶推方案探讨

常见的顶推施工通常是沿桥纵轴方向借助于钢导梁向前顶推。 对于预应力混凝土桥梁，通常需在桥台后方路基段设置桥梁预制场，待混凝土梁体达到设计允许强度并完成预应力张拉后再进行顶推作业。 本阶段梁体顶推完毕后预留出底座空间继续下一个梁段的施工，后续施加预应力与前次梁段联结，循环此工序直至将全部梁段浇筑顶推完成。 最后进行体系转换，接着进行主桥连续钢梁的施工。 对于钢梁，在桥台后侧设置拼接平台，顶推一节段完毕后，在拼接平台预留出后续接长空间，拼接(栓接或焊接)后续节段，直至完成整座桥梁梁段。

本工程采用缆索吊装先实现拱桥主桥的安装架设，然后作为探讨的方案之一利用拱上钢箱梁桥面作为长平台进行顶推施工[3]。 引桥部分组合梁钢梁分两幅，以大理岸侧为例，在虚拟的桥面长平台上对边跨主梁进行顶推，且每次只顶推单幅，顶推完成后，再顶推另一幅。 施工过程中先在主梁桥面架设好滚轴支座，把大理一侧边跨主梁吊装到钢箱梁桥面上并与滚轴支座连接，然后施加纵向水平推力，从大理侧7＃交界混凝土墩一直顶推到0＃台顶，多点步履式顶推装置依据平移千斤顶行程每次同步步进约0.45 m，一次顶推的控制阶段长度为10.25 m，随着施工进程，不断重复顶推长度10.25 m，直到一次完成既定的工程量。 累计39 个施工阶段可完成全部进度，直至将整个引桥钢梁顶推至设计位置，顶推步骤如图5 所示，步骤中没有示出导梁的安装和拆除。

图5 顶推施工步骤图(仅以大理岸半拱跨结构示意)

2.3 拟采用顶推系统

鉴于怒江特大桥拱上立柱较柔，立柱顶部空间有限，采用多点顶升步履式顶推全套施工设备，便于及时对施工过程中梁体线形进行纠偏和控制。顶推设备运行系统由顶推机械升降前进系统、顶推液压驱动系统和顶推数控系统三大部分组成[4]。其中顶推机械升降前进系统是直接作用于梁体实现顶推过程的装置；顶推液压驱动系统是为顶推机械升降前进系统提供动力的装置；顶推数控系统是顶推进行数字化集中控制，保证顶推施工同步性，并采集施工信息。 步履式顶推施工时以顶升、前进、降落、回缩四步组成一个循环工作，以此为一个工作节点不断循环，实现钢梁体的顶推平移前进，工作流程如图6 所示。 另外，为保证钢梁顶推过程中各顶推设备的同步性，减少钢梁轴线位移偏差满足连续梁整体线性控制，采用顶推数控系统中位移传感器、压力传感器数据传输到电脑终端实时对顶推设备油缸、支撑顶升油缸、横向调整油缸的受力和行走状态进行监测，并根据检测数据及时调整油缸压力，确保各支墩顶推设备的支反力最大可能达到均衡状态，便于将顶推过程中梁体的轴线偏差控制在施工设计允许范围内，保证钢梁平稳推进至设计位置。

图6 步履式顶推设备施工流程

3 顶推施工建模计算及分析

3.1 有限元模型建立

选梁格法模拟钢主梁，采用专业桥梁计算软件建立引桥的顶推施工模型[5]，顶推施工计算的施工阶段拟分为39 个步骤，共计37 178 个单元，顶推施工阶段拟定见表1。

表1 计算模型中对施工阶段的划分

续表1

3.2 顶推钢梁支反力变化趋势分析

相较于在桥台后设置预制场浇筑梁段，利用拱上钢箱梁作为顶推平台，除了考虑顶推时各墩顶的支反力，还要注意顶推钢梁对拱圈的支反力影响。 因此，需从各墩顶和拱圈桁杆所承受的内力两方面来探究顶推钢梁支反力变化的趋势[6-7]。 在顶推过程中，由于边跨主梁不断移动到边跨，拱圈主梁上的滚轴支座逐渐减少，定义拱圈主梁上滚轴支座编号从大理至瑞丽方向依次定义为支座F1 ～支座F16。 对于一幅箱梁而言，每排滚轴支座横向分布4 个，以顶推前进方向为正方向，各支座从右往左分别编号为1 号支座(H1)、2 号支座(H2)、3 号支座(H3)、4 号支座(H4)。 由于每幅箱梁左右对称，故仅研究每排滚轴的1 号支座和2 号支座的支反力即可[8]。

在实际顶推施工过程中，第一排支座处承受较大的支反力，也是最容易出现问题的地方[9]。 为此我们以第一排支座F1 和第九排支座F9 为研究对象就支反力变化趋势进行探究[10]。

从图7 可知：在CS06 阶段，即顶推41 m，顶推钢梁第一次达到最大悬臂状态时，支座F1 支反力达到峰值1 398 kN。 在整个顶推过程中，支座反力呈现明显的周期性变化，这与每一跨顶推过程都是周期性重复的情况相符合[11]。

图7 支座F1 支反力变化

根据图8 可知：支座F9 支反力变化呈现于支座F1 类似的周期性变化，这说明确实是由于顶推过程周期性重复，导致支座反力变化呈现周期性的特性[12]。 从H1 支座来看，支反力变化幅度在200 kN以内，在第一跨顶推过程中，支反力达到峰值时处于CS05 阶段，即最大悬臂阶段CS06 的前一个阶段，在钢梁顶推至跨度中间位置处，支座反力达到最小。 之后顶推过程中，支反力变化与第一跨情形类似。

图8 支座F9 支反力变化

对于墩顶支反力变化趋势研究，怒江特大桥中7＃墩高度最高，其稳定性及受力特性问题最为关键，因此选取7＃墩为研究对象。

从图9 中可知：墩顶支座H1 和H2 的支反力呈现同步变化，支反力变化呈现周期性的特点[13]。 在CS06 阶段，即顶推41 m，顶推钢梁第一次达到最大悬臂状态时，墩顶支座反力达到峰值1 082 kN。 在CS03～CS08 阶段，可以看出支座反力变化幅度较大，这说明当导梁距离该主墩较近时，该主墩顶支座反力随施工过程变化较大；当导梁距离某一主墩较远时，该主墩的支座反力随施工过程变化较小[14]。

图9 7＃墩顶支座反力变化

4 结论

(1)由于顶推过程的重复性，可以明显发现顶推钢梁的支反力变化趋势呈现周期性的特点。

(2)对于墩顶支座反力来说，当导梁距离该主墩较近时，该主墩顶支座反力随施工过程变化较大；当导梁距离某一主墩较远时，该主墩的支座反力随施工过程变化较小。