梁格法在桥梁顶推施工中的应用

孙昆鹏

摘要：利用梁格法对韶关疏解线跨浈江特大桥的顶推施工过程进行空间分析，对顶推过程中的支承脱离、梁顶抗裂性及应力局部效应进行了评估，总结了顶推跨度大、临时墩布置复杂情况下的计算要点和建模方法。

关键词：刚性梁柔性拱 顶推 梁格法 空间分析

1桥梁概述

1.1桥梁基本概况

新建铁路赣州至韶关线韶关疏解线跨浈江特大桥全桥长2230.25m，位于韶关市区，其中跨越既有线京广铁路的桥跨，为满足桥下净空7.25m的要求，结合线路纵坡，主梁高度控制在2.3m，考虑市区桥型美观需求，采用孔跨布置为1-56m刚性系梁钢管混凝土拱桥，全长58.4m（含两端梁端至边支座中心各1.20m）。该跨位于-5.6‰的坡道及R=800m曲线上，且与京广铁路斜交夹角为60o，为了确保铁路的安全，尽量减少对铁路的干扰与影响，又受桥下净空控制及施工场地影响，故设计采用先梁后拱的施工方法，即系梁采用支架现浇与顶推相结合完成，然后完成钢管拱部分。

拱桥系梁按整体箱形梁布置，采用单箱三室预应力混凝土箱形截面，桥面箱顶宽9.6m，底宽7.2m，梁高2.3m。底板厚度为30cm，顶板厚度为35cm，四条腹板厚度均为35cm。箱梁截面形式如图1所示。吊点处设横梁，横梁厚度为40cm。梁体材料为C50混凝土。

图1 系梁截面形式

拱肋采用圆端型钢管混凝土结构，高1.45m，宽0.85，管壁厚16mm。拱轴线采用二次抛物线，矢高11.2m，矢跨比1/5；两拱肋中心距6.3m，两拱肋之间横向风撑为0.65m直径钢管，中间设一道一字形横撑，两端各设一道K形横撑；梁上吊点间距5.0m，全桥共设9对吊杆。拱肋、横撑、吊杆等采用Q345qD钢材，拱肋内灌C50补偿收缩混凝土。

1.2顶推施工方法

图2 顶推段系梁及临时墩布置

系梁顶推段长45m，两端还有各6.7m及混凝土拱脚在顶推到位后浇注。

首先在临时墩上支架现浇顶推段系梁，并张拉顶推阶段预应力钢束。顶推段系梁纵向顶板设14束17-7Φ5，底板设12束17-7φ5预应力筋，其中顶板8束、底板4束为临时束不灌浆。（开始位置顶推长度）。顶推到位后，拆除临时束，顶板剩余6束-17-7Φ5，底板剩余8束-17-7Φ5。系梁剩余梁段浇筑后，张拉剩余钢束。然后在系梁上安装拱肋支架，安装拱肋，灌注核心混凝土，然后安装吊杆，拆除拱肋支架，对称初张拉吊杆，最后拆除梁部支架，铺设线路设备等成桥。

顶推临时墩上滑道位于中腹板正下方，相距2.4m，临时墩设置从开始顶推的位置，跨度依次是16m+16m+17.55m+13.2m+32m+ 13.2m，最大顶推跨度32m，相对45m顶推段较大。导梁采用两片变高度，工字形的实腹钢板梁，导梁长度为22.0m，导梁刚度为系梁普通截面刚度的1/6～1/10，由两节拼装而成。导梁两片主梁之间的横向中心间距为240cm。为了加强两主梁之间的联系，横向联系及上下平面联系采用20#槽钢来保证钢导梁的整体性，满足受力的要求。

本桥顶推施工阶段的关键是保证在整个顶推过程中的安全性，特别是最大跨越长度时悬臂状态下的梁顶面不开裂，

2顶推施工的空间分析方法

系梁在顶推过程中，随着结构受力状态不断变化，其与各临时墩的接触状态也在变化，即系梁与有些临时墩往往是脱离接触的，必须对顶推过程的每个阶段进行专门分析，针对其实际接触状态进行应力验算。

本桥滑道是在系梁中腹板正下方，相距2.4m，本桥顶宽9.6m，因此在一些不利状态下，比如最大悬臂状态，较大的反力更多是被中腹板部分来承受，边腹板相应的截面及预应力钢束对抵抗开裂贡献较小，同时因为设计时各因素综合考虑的原因，顶推时预应力钢束及临时钢束不能更多的布置在中腹板附近，这就有可能是中腹板附近截面部分有可能会拉应力过大而开裂，在施工前应该进行空间分析以确保安全性。

分析这种局部效应有多种方法，一般可采用实体分析和梁格法，前者分析准确、可计算很多细节部位及多种应力效应，但由于需要同时考虑非线性支座和多达上百的施工阶段，建模及计算量会非常大，一般不用来做施工计算。梁格法力学概念清楚、建模简单，对顶推施工计算，只要计算正应力验算抗裂性，不必计算主应力的情况是符合要求的，因此采用梁格法来建模计算。

梁格法的关键是对截面正确划分梁格，可按照参考文献1中剪力柔性梁格法进行划分，同时考虑到顶推施工和评估中腹板局部效应的计算目的，中梁部分横向偏心应尽量接近中腹板中心线。故梁格划分的原则可总结为：

每条腹板对应一个纵梁，每个纵梁的形心应在一条水平线上，且该水平线应通过全截面形心；

中纵梁形心在横向应尽量接近中腹板中心线；

横梁包括现有横隔板和顶底板构成二字型截面；

计算全截面的抗扭刚度，并按比例分配到每个纵梁；

横梁的两个方向的剪切面积和抗扭刚度同样需要按文献1正确计算。

图3 梁格划分示意图

划分后的各纵梁横梁特性如下表，单位厘米，完全能满足上面的要求。预应力钢束则按照梁格划分的范围分别绑定到相应的纵梁，即边纵梁顶板1束、底板3束，中纵梁顶板6束、底板3束。

表1 截面特性

面积 竖弯Iy 扭转Ix 形心到梁底 形心到全截面中线

全截面 83665 6.07E+08 1.76E+09 127.33 0

中梁 22923 1.69E+08 1.48E+08 127.37 120.16

边梁 18927 1.34E+08 2.84E+08 127.38 335.8

3建模计算及结果分析

按上文的空间计算方法，在Midas Civil 7.80中建立计算模型。总共742个节点、721个梁单元，其中系梁单元360个、钢导梁88个，均为0.5m一个单元，其他单元为梁单元。各梁与临时墩支承均为只受压弹性连接。计算共121个施工阶段，每前进0.5m为一个阶段。

图4 Midas计算模型

结构所受荷载主要是系梁、导梁自重、横隔板自重、预应力荷载、施工临时荷载等。混凝土容重为26kN/m3，钢导梁容重76.98kN/m3，预应力控制应力1302MPa。

施工过程分析加载考虑非线性分析。最后结果见图6~图7.

图5上缘最大应力

图6下缘最大应力

从本桥的应力和反力结果可以看出：

在顶推过程中，系梁和导梁往往只于其中两个临时墩接触，其他的均脱空，因此计算中应采用只受压弹性连接模拟支承；

边梁与中梁应力有较大差别，造成这种差别的原因一个是预应力在横向布置不均匀，另外则是滑道支撑在中腹板处造成的局部效应，总的来说，中梁应力更为不利；

下缘最不利应力为-2.25MPa（以拉为正），最大压应力为-19.5 MPa。

上缘最不利应力为-0.57MPa，最大压应力为-16.9 MPa。

四、结束语

随着铁路建设的发展，要求对桥梁所跨越的公路铁路的运营影响尽量小，且保证其安全，顶推方法也越来越多的采用。对于顶推跨度大或者斜交角度大、临时墩布置复杂的情况有必要进行空间分析。采用梁格法进行顶推施工过程的空间分析，力学概念清楚、建模快速、结果查看方便，是一种适合设计施工中实际运用的方法。

【参考文献】

1.桥梁上部构造性能 E.C.汉勃利

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。