時(shí)曉曄， 梁 巖， 萬(wàn)德坤， 陳 淮， 方磊磊

(1.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院, 河南 鄭州 450001；2.光山縣交通運(yùn)輸局, 河南 信陽(yáng) 465450)

0 引言

頂推法在梁橋頂推施工中設(shè)置了鋼導(dǎo)梁和臨時(shí)墩，改善了梁體在頂推過程中的受力情況[1-3]。按照頂推設(shè)備數(shù)量，頂推法[4-5]可分為單點(diǎn)頂推和多點(diǎn)頂推，其中多點(diǎn)頂推可減少梁體對(duì)橋墩的水平作用力，無(wú)須大型頂推設(shè)備，還能有效控制梁體的偏離[6]，因此鋼箱梁橋多采用多點(diǎn)同步步履式施工方法。導(dǎo)梁是臨時(shí)輔助性結(jié)構(gòu)，能適當(dāng)減少梁體懸臂長(zhǎng)度，降低主梁在懸臂狀態(tài)下的最大負(fù)彎矩值[7-8]。此外，頂推過程中導(dǎo)梁與鋼箱梁共同作用，其長(zhǎng)度、高度及截面形式等都會(huì)對(duì)鋼箱梁受力造成較大的影響[9-11]。因此，選擇合適的導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)形式不僅能有效減少鋼箱梁在施工過程中的受力，還能在保證施工質(zhì)量與安全的基礎(chǔ)上節(jié)約成本[12]。本文以某實(shí)際大跨鋼箱梁橋主梁頂推施工為工程實(shí)例，研究大跨鋼箱梁頂推施工導(dǎo)梁的穩(wěn)定性及加固措施。

1 工程概況

該橋位于某雙向4車道二級(jí)公路，主跨采用跨度70 m的鋼箱梁，重953 t(不含壓重混凝土及鋪裝層重量)。下方是車流量較大的高速公路，根據(jù)高速公路管理規(guī)定，不能采用車輛限流或封閉高速公路等措施。為了確保橋梁施工過程安全，采用端部連接工字型鋼導(dǎo)梁的方案對(duì)主梁進(jìn)行頂推施工。

主橋?yàn)閱蜗?室截面的簡(jiǎn)支鋼箱梁橋，頂板設(shè)置雙向2%橫坡，底板水平，中心處梁高3.4 m，采用智能三維千斤頂調(diào)整系統(tǒng)進(jìn)行多點(diǎn)頂推施工，其立面布置圖如圖1所示。導(dǎo)梁采用Q345B鋼板制造，分節(jié)段拼裝，整體頂推，頂推過程中將導(dǎo)梁進(jìn)行分段切割拆除。導(dǎo)梁由2片變截面工字型主梁組成，2片主梁之間有3片圓管組成的橫梁作為橫向聯(lián)系，使導(dǎo)梁形成一個(gè)整體，用以提高導(dǎo)梁的整體穩(wěn)定性。

圖1 頂推施工立面布置圖(mm)Figure 1 Elevation layout of jacking construction (mm)

在頂推支架的分配梁上安裝好智能三維千斤頂調(diào)整系統(tǒng)裝置，頂推時(shí)通過控制系統(tǒng)使千斤頂伸缸到設(shè)定活塞行程，將整個(gè)鋼箱梁頂起，離開墊梁一段距離；然后通過控制系統(tǒng)同步控制頂推千斤頂伸缸，推動(dòng)千斤頂在底座滑移槽中向前移動(dòng)至設(shè)定好的活塞行程位置，完成鋼箱梁推移；當(dāng)鋼梁移動(dòng)系統(tǒng)設(shè)定的位移量后，通過控制系統(tǒng)頂升千斤頂縮缸到設(shè)定回程，使鋼箱梁落在墊梁上，千斤頂收缸回程到原始狀態(tài)，完成一個(gè)行程頂推。

當(dāng)導(dǎo)梁根部頂推到支架(D1)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)工作人員發(fā)現(xiàn)頂推設(shè)備數(shù)據(jù)異常，觀察到導(dǎo)梁有局部失穩(wěn)現(xiàn)象，如圖2所示。導(dǎo)梁局部失穩(wěn)后立即停止頂推施工并落梁。若繼續(xù)頂推，則會(huì)造成導(dǎo)梁失穩(wěn)范圍增大，整體頂推系統(tǒng)可能發(fā)生突然傾覆，阻斷高速運(yùn)營(yíng)，造成重大交通安全事故。落梁后鋼箱梁重量作用于D2、D3及D4墩。經(jīng)核查，導(dǎo)梁與鋼箱梁焊接牢靠，連續(xù)觀察2 h，導(dǎo)梁未發(fā)生進(jìn)一步變形。對(duì)頂推支架、箱梁及導(dǎo)梁其他部位仔細(xì)檢查，各頂推支架(D1～D6)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明，頂推支架頂部位移及底部應(yīng)力均變化正常，箱梁及導(dǎo)梁其他部位均無(wú)異常情況，初步判斷目前導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)基本穩(wěn)定。

圖2 導(dǎo)梁失穩(wěn)工況Figure 2 Instability condition of the guide beam

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)方案論證，可選兩種加固方案：①退梁，導(dǎo)梁前端退出高速行車邊界，進(jìn)行導(dǎo)梁加固；②基于目前穩(wěn)定狀態(tài)，為避免鋼箱梁縱坡及支架標(biāo)高誤差引起落梁后導(dǎo)梁產(chǎn)生附加內(nèi)力，D2支架起頂一定高度，并墊高臨時(shí)支座后再次落梁，由于導(dǎo)梁失穩(wěn)范圍較小，導(dǎo)梁除自重外仍有一定承載能力，可在導(dǎo)梁失穩(wěn)部位局部加固。經(jīng)專家論證，采用方案2，加固時(shí)采用封閉掛籃提供作業(yè)面，但需保障掛籃底面不能侵入高速通車凈空，另外加固過程中需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)導(dǎo)梁變形，加固方案需進(jìn)一步計(jì)算分析。

2 導(dǎo)梁失穩(wěn)屈曲分析

2.1 導(dǎo)梁有限元模型

在橋梁頂推過程中，主梁的受力隨頂推的進(jìn)行不斷發(fā)生改變，導(dǎo)梁失穩(wěn)是由于變截面處所承受的彎矩過大引起，根據(jù)施工全過程受力分析，當(dāng)鋼導(dǎo)梁前段達(dá)到D1墩，導(dǎo)梁前端荷載突然增大，變截面承受最大彎矩，此時(shí)為最不利狀態(tài)。為模擬此處變形，在有限元軟件ABAQUS中將整個(gè)導(dǎo)梁模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，對(duì)導(dǎo)梁建立平面計(jì)算模型，取三維殼模型模擬導(dǎo)梁實(shí)例，按照詳細(xì)尺寸建模，腹板厚度為14 mm，頂、底板厚度為24 mm，豎向加勁板與橫向加勁板厚度均為12 mm，其他詳細(xì)尺寸如圖2所示。結(jié)構(gòu)部件單元為S4R，導(dǎo)梁端部A-A′截面固結(jié)，根據(jù)導(dǎo)梁重量換算荷載，在導(dǎo)梁底部與D1臨時(shí)墩頂部接觸位置簡(jiǎn)化為一個(gè)沿豎向方向的集中力F=8×105kN以及一個(gè)彎矩M=4×106kN·m，荷載作用位置B點(diǎn)距導(dǎo)梁端部A點(diǎn)5 m，如圖3所示。

圖3 導(dǎo)梁有限元模型(mm)Figure 3 Guide beam finite element model (mm)

2.2 屈曲失穩(wěn)分析

在上述荷載作用下進(jìn)行屈曲特征值分析，由于第1階失穩(wěn)模態(tài)特征值可近似表示導(dǎo)梁發(fā)生屈曲時(shí)的臨界模態(tài)，提取導(dǎo)梁第1階屈曲模態(tài)和3-3截面處變形圖如圖4(a)、4(b)所示，圖4(c)是頂推施工完成后，對(duì)失穩(wěn)斷面切割測(cè)量失穩(wěn)變形量所繪制的截面變形圖。對(duì)比圖4(c)和4(b)可以看出，兩者變形形狀相似且趨勢(shì)十分接近，這也從側(cè)面證明了本文所建立計(jì)算模型的正確性。

圖4 導(dǎo)梁變形圖Figure 4 Guide beam deformation diagram

2.3 導(dǎo)梁加固方案

對(duì)鋼導(dǎo)梁進(jìn)行加固一般有增加縱向加勁肋、豎向加勁肋和斜向加勁肋3種方法，但導(dǎo)梁主要由腹板和翼緣板組成，若采用斜向加固方案，腹板加勁肋在中翼緣板位置處需要打斷，施工復(fù)雜且可操作性不強(qiáng)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況及施工可行性，初步選定4種加固方案，如圖5所示。方案1是在R1節(jié)段1-1截面處(見圖2)加一層縱向加勁肋，高度與R2節(jié)段處縱向加勁肋平齊；方案2是在方案1的基礎(chǔ)上，在1-1截面上方0.5 m處2-2截面位置再加一層縱向加勁肋；方案3是在方案1的基礎(chǔ)上，另外在3-3截面和4-4截面設(shè)置兩列豎向加勁肋；方案4是在方案2的基礎(chǔ)上，另外在3-3截面和4-4截面設(shè)置兩列豎向加勁肋。以上所有加勁肋板厚均為12 mm，詳細(xì)截面尺寸圖如圖2所示。對(duì)4種方案進(jìn)行失穩(wěn)屈曲分析，得到加固模型與原模型的1階失穩(wěn)特征值對(duì)比，見表1，其中優(yōu)化效果指各方案第1階特征值較原模型的增大幅度。

圖5 原模型與加固模型對(duì)比Figure 5 Comparison of the original model and reinforced model

由表1可知，4種方案對(duì)導(dǎo)梁穩(wěn)定性改善均有一定效果，其中方案2、3、4改進(jìn)效果較為明顯，穩(wěn)定性分別增長(zhǎng)了63.8%、26.0%、93.5%。

表1 各方案第1階失穩(wěn)分析Table 1 First order eigenvalue analysis table for each scheme

提取4種導(dǎo)梁加固方案的第1階失穩(wěn)模態(tài)圖(圖6)，以及3-3處截面變形圖(圖7)。分析計(jì)算結(jié)果可知，方案1的1階失穩(wěn)模態(tài)屈曲最為明顯，方案3次之，方案2和方案4屈曲變形最小。此外，由3-3處截面變形可以看出，方案1和方案4屈曲失穩(wěn)變形較大，方案2和方案3導(dǎo)梁截面幾乎沒有發(fā)生失穩(wěn)變形。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，方案2既能滿足穩(wěn)定性要求，又能較快地完成加固施工，可選擇方案2為加固方案。

圖6 1階失穩(wěn)模態(tài)對(duì)比Figure 6 First-order modal of each scheme

圖7 截面變形圖(3-3截面)Figure 7 Section deformation (3-3 section)

為了進(jìn)一步分析4種方案對(duì)導(dǎo)梁的加固效果，使用有限元軟件ABAQUS對(duì)導(dǎo)梁原始模型以及4種加固方案模型進(jìn)行力學(xué)性能分析，原始模型應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖8(a)所示，原方案與加固模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖8(b)所示。對(duì)比原始模型與4種加固方案的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，可以看出方案2、3、4對(duì)應(yīng)的應(yīng)力均有所改善，而方案1局部位置應(yīng)力改善效果不佳。參考失穩(wěn)模態(tài)計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)施工情況，最終選用方案2為實(shí)際導(dǎo)梁加固方案。

圖8 導(dǎo)梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Figure 8 Calculation results of guide beam stress

采取方案2進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)焊加固后，繼續(xù)進(jìn)行頂推作業(yè)并實(shí)施監(jiān)控，施工過程中未發(fā)現(xiàn)異常情況。如圖9所示，頂推施工完成后，對(duì)失穩(wěn)斷面切割測(cè)量失穩(wěn)變形量，對(duì)比加固前變形量可知，加固后導(dǎo)梁失穩(wěn)部位未發(fā)生進(jìn)一步變形，加固效果較好。

圖9 加固前后截面變形Figure 9 Section deformation before and after reinforcement

3 結(jié)論

(1)鑒于頂推施工過程的復(fù)雜性和不確定性，需對(duì)頂推施工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)異常情況時(shí)應(yīng)及時(shí)落梁，并考慮結(jié)構(gòu)縱坡引起的支架受力的不平衡性。

(2)鋼導(dǎo)梁受彎局部失穩(wěn)加固方法，縱向加勁肋優(yōu)于豎向加勁肋的效果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情況，可優(yōu)先選用縱向加勁肋加固。

(3)兩層縱向加勁肋優(yōu)于一層縱向加勁肋的加固效果，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工和結(jié)構(gòu)受力情況，綜合考慮經(jīng)濟(jì)與安全方面，可優(yōu)先選擇兩層縱向加勁肋對(duì)導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。