轴线偏移对多跨钢桁梁顶推施工应力影响分析

王金良,陈士通,陈树礼,冯志超

(1.石家庄铁道大学土木工程学院,石家庄 050043； 2.石家庄铁道大学河北省交通应急保障工程技术研究中心,石家庄 050043)

桥梁顶推施工是我国桥梁建设中常用的施工方法之一[1-2]，具有施工设备简单，施工平稳、高效，不影响既有线路工作等优点[3-7]。但顶推施工过程中梁体空间限位难度较大，左右顶推力的不平衡，滑道的不平顺，支架的变形等因素均可影响梁体的空间位置，需要及时测量与纠偏[8-11]。如今，国内对于桥梁顶推偏移的研究多集中于纠偏技术方面，如陈立锋[12]等提出多向横向旋转法对京港澳高速湾门前中桥进行纠偏；张威振[13]提出 “顶拉结合”的方法对某公路桥进行纠偏；邱金喜[14]提出双幅"类双层"偏重预应力跨河顶推连续梁桥横向千斤顶+导向轮顶推纠偏施工工艺。

施工过程中，轴线偏移引起的桥梁杆件内力变化同样不容忽视。因此，通过对京张高铁官厅水库特大简支钢桁梁桥[15-18]顶推施工过程中的轴线偏移进行研究，为今后类似工程的设计、施工提供参考。

1 工程概况

京张高铁官厅水库特大桥，孔跨布置为8×110 m跨简支拱型钢桁梁桥[19]，如图1所示，上部钢桁梁梁长109.7 m，分为10个节间，节间长度为10×10.8 m，采用变高曲弦拱形桁架。拱形桁架计算跨度为108 m，跨中桁高19 m，桁宽13.8 m，节间长10.8 m，支座距梁端0.85 m，相邻两孔梁支座中心距为2 m。

鉴于“逐孔拼组、分段顶推、整桥到位”的顶推施工指导思想，根据顶推钢梁孔数和质量，基于桥墩水平承载力的限制，采用分节段多系统同步顶推的方式进行施工架设。钢桁梁拼装完成后，进行顶推作业，每顶推1孔钢桁梁为1次顶推施工过程(共9次顶推)，且每次顶推以10.8 m为节段分10次完成。同时，为便于后续分析，按“L-MN”的方式对全桥杆件进行编号，其中，L=D、1～8，分别代表导梁、第1跨～第8跨钢桁梁；M=S、F、D，分别代表上弦杆、腹杆、下弦杆；N=1、2……，分别代表对应位置的第n根杆件，具体如图2所示。

图1 多跨简支钢桁梁桥主体结构

图2 导梁及钢桁梁部分杆件编号

2 有限元建模

利用Midas Civil建立有限元模型，顶推施工模拟分析采用梁体固定而支点移动的模拟方式：利用激活单元来模拟钢桁梁的拼装，利用边界条件的改变模拟施工过程。钢桁梁的主桁架、下平纵联及桥门架采用的是梁单元，上平纵联采用的是桁架单元，横向连接系的上下弦杆采用的是梁单元，横向连接系的竖杆及斜杆采用桁架单元。全桥空间杆系模型共采用了4 622个节点，6 580个单元，包含129个施工阶段。钢桥在顶推过程中的约束采用节点弹性连接(刚性)模拟滑块，仅承受压应力，设置一般支撑。

该桥采用多点顶推的施工方式，滑道布设位置较多，考虑钢桁梁为线弹性结构，故分析时仅假定钢桁梁前端发生轴线偏移。此外，鉴于施工过程中对桥梁轴线采用实时监控及横移纠偏技术进行桥梁形位控制，故分析时轴线偏移取值为2～20 mm，以2 mm为模数调整偏移量，探求轴线偏移对杆件应力的影响。

3 偏移对杆件应力的影响

3.1 偏移对杆件应力极值的影响

顶推施工过程中，为保证钢桁梁顶推就位后的轴线满足要求，需对桥梁中轴线进行实时监控及横移纠偏技术来进行桥梁形位控制。顶推过程中的轴线偏移不仅会导致桥梁形位不满足要求，还会对杆件内力产生影响[20-21]，图3～图5分别给出了第1次、第2次和第3～第9次顶推过程中，杆件(第1孔钢桁梁腹杆、导梁下弦杆D1～D4)的拉应力极值及杆件(第1孔钢桁梁下弦杆D2～D9、导梁末端下弦杆D5)的压应力极值与轴线偏移的关系曲线。

图3 第1次顶推时杆件应力极值与轴线偏移关系曲线

图4 第2次顶推时杆件应力极值与轴线偏移关系曲线

由图3可知，在第1次顶推过程中，轴线偏移量越大，钢桁梁杆件应力值越大。对于不同顶推阶段，轴线偏移对应力的影响程度区别明显，在顶推施工的前期、中后期阶段，轴线偏移量的增加对应力的增幅影响较小，最大幅度在10 MPa左右；在顶推施工的中期、后期阶段，轴线偏移量的增加对应力的增幅影响明显增加，如顶推距离为54 m时，轴线偏移引起的拉应力增幅约为75 MPa。

分析图4可知，在进行第2次顶推时，对于拉应力而言，随着轴线偏移量的增大，钢桁梁拉应力极值出现小幅增加，轴线偏移对钢桁梁拉应力的影响相对较小，拉应力变化幅度约在5 MPa左右；对于压应力而言，同样出现了轴线偏移量越大压应力越大的整体趋势。尽管在第2次顶推过程中，轴线偏移对拉应力和压应力的影响相对较小，但由于第2次顶推时杆件应力水平处于较高水平，尤其是压应力，施工过程中应予以重视。

图5 第3～9次顶推时杆件应力极值与轴线偏移关系曲线

由于顶推施工的周期性，第3～第9次顶推施工过程中杆件应力极值随轴线偏移量的变化趋势基本相同。分析图5可知，对于钢桁梁的拉应力，随着轴线偏移量的增大，钢桁梁拉应力同样出现了小幅增加。当顶推距离在54.0～97.2 m施工阶段时，轴线偏移对拉应力的影响相对较为明显，拉应力变化幅度约为5 MPa；对于压应力而言，压应力随轴线偏移量的增加而增大，但变化幅度较小，且在顶推施工的各个阶段变化趋势相同。

3.2 轴线偏移引起的杆件应力增幅

在总体了解轴线偏移状态下杆件应力极值水平后，为进一步明确轴线偏移对顶推施工过程中钢桁梁杆件应力的影响程度，图6～图8分别给出了第1～第9次顶推过程中，相对于正常的顶推施工，由于轴线偏移引起的应力增幅曲线。

图6 轴线偏移下钢桁梁应力极值差值曲线(第1次顶推)

分析图6可知，相对于正常的顶推施工作业，第1次顶推时出现轴线偏移，对杆件的拉应力和压应力均会产生明显的影响，且轴线偏移量越大，引起的应力增量越大。对于不同的顶推阶段，应力差值对轴线偏移量的敏感程度不同，如在顶推施工的前期10.8～32.4 m、中后期64.8～86.4 m，轴线偏移量的增加对钢桁梁腹杆(F2、F6、F12、F14)的拉应力差值影响较小，而在顶推施工的中期32.4～54 m和后期86.4～108 m，轴线偏移量的增加对腹杆的拉应力差值影响更为明显。对于不同施工阶段，应力差值随轴线偏移量的增加呈现出了不同的变化规律，如在顶推距离为10.8 m时，腹杆(1-F13)的拉应力应力差值随轴线偏移量的变化基本呈现线性变化；在顶推距离为32.4，54.0 m时，拉应力应力差值随轴线偏移量的变化速率出现了先增后减的现象；对于压应力而言，应力差值基本随轴线偏移量的增加而线性增加。

图7 轴线偏移下钢桁梁应力极值差值曲线(第2次顶推)

分析图7可知，相对于正常的顶推施工作业，第2次顶推时出现轴线偏移时，钢桁梁上弦杆(1-S5、1-S6)的拉应力及下弦杆(1-F6、1-F16)的压应力产生的增幅在7 MPa左右，且轴线偏移量越大，引起的应力增量越大，应力增量随轴线偏移量增大的变化速率基本相同。对于拉应力而言，当顶推距离为10.8 m、54～97.2 m时，端腹杆(1-F2、1-F16)及导梁下弦杆(D2～D4)的应力对轴线偏移量的变化较为敏感；而压应力在顶推距离为10.8～43.2 m、75.6～108 m时，第1孔钢桁梁下弦杆(D2～D5、D7、D8)的应力对轴线偏移量的变化较为敏感。

图8 轴线偏移下钢桁梁应力极值差值曲线(第3～第9次顶推)

分析图8可以看出，与正常的顶推施工作业相比，第3～第9次顶推时出现轴线偏移时，导梁下弦杆(D-D4)的拉应力增幅在4 MPa以内，导梁下弦杆(D-D5)的压应力增幅在7 MPa以内，且轴线偏移量越大，引起的应力增量越大，应力增量随轴线偏移量增大的变化速率基本相同。当顶推距离为54～108 m时，第1孔钢桁梁腹杆的拉应力和导梁端部下弦杆(D-D5)的压应力均对轴线偏移量的变化较为敏感，其他顶推阶段杆件应力随轴线偏移量的增加变化较小。

3.3 轴线偏移量与最大应力状态

为进一步明确轴线偏移对杆件应力极值的影响，结合前述杆件最大应力在顶推过程中的出现时段，图9给出了第2～第9次顶推过程中的最大拉应力状态(顶推距离86.4 m)下，轴线偏移量与导梁末端下弦杆(D-D4)的应力对应关系曲线及最大压应力状态(顶推距离97.2 m)下，轴线偏移量与导梁末端下弦杆(D-D5)的应力对应关系曲线。

图9 轴线偏移与钢桁梁杆件应力对应曲线

分析图9可知，在整桥的9次顶推施工过程中，最大拉应力和最大压应力均出现在第2次顶推过程中，且均在导梁的下弦杆中出现，因此，第2次顶推过程的应力监控尤为重要。在应力水平较大的第2～第9次顶推过程中，拉应力和压应力均随轴线偏移量的增大呈现递增变化，且基本为线性关系，根据上述分析，考虑到施工安全，宜将轴线偏移控制在16 mm以内，必要时应当对末端导梁下弦杆进行临时加固。

4 结论

(1)顶推施工过程中，轴线偏移对于第1次顶推过程中钢桁梁腹杆(1-F2)的应力影响最大，拉应力极值增加约240%左右。对第2～第9次顶推应力极值影响虽不及第1次顶推施工，但第2～第9次无偏移应力极值较大，设计施工过程中依旧不容忽视。

(2)轴线偏移对单次顶推过程中期和后期的影响更明显，由于顶推施工后期钢桁梁杆件的整体应力较高，发生轴线偏移更加不利于施工安全，故施工作业时，顶推施工后期的轴线控制更加重要。

(3)杆件的最大拉压应力均出现在第2次顶推过程中，且均出现在导梁的下弦杆，并随着轴线偏移量的增加呈线性递增的趋势，为保证施工安全，轴线偏移量应小于16 mm，同时应对导梁下弦杆采取临时加固措施。