钢管混凝土桁梁桥顶推落梁方案比选及过程分析
时间：2023-02-28 20:15:05 来源：千叶帆 本文已影响人
奉思东，杨建平
1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040；
2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430040
在地形条件复杂、施工空间紧张的山区峡谷建设桥梁，需充分利用桥位资源并制订经济可行的工程方案[1-4]。钢管混凝土桁梁桥自重轻、力学性能好，可采用化整为零、集零为整的方式制造、运输和安装，满足结构高效性和施工高效性的要求，可作为山区桥梁建设运营的选择之一[5-9]。
钢管混凝土桁梁桥施工时，通常先完成钢桁架安装，再施工桥面板；
吊设条件允许时，也可将桥面板与钢桁架组合后整体安装[10-12]。顶推方案对钢桁梁桥施工机具的要求较少，主要采用导梁、滑动装置、顶推装置等，但不同于钢板梁、钢箱梁，钢桁架的顶推施工需考虑桁架结构的受力特点，即节点传力，主桁各杆件主要受拉压轴向力，施工时应注意主桁杆件节点间的受力状态[13-14]。
郑州黄河公铁两用大桥顶推法施工的滑道构造设计如图1a)所示[15]，相较于传统滑道，该方案采用较长的滑道，纵桥向长度大于1个节间长度，在钢桁架节点处下方设置滑板抄垫以保证节点支撑受力，施工控制难度较大。四川干海子大桥采用牵引法施工，如图1b)所示。在各支墩设置滑轮和走板，实现下弦杆的支承，千斤顶和钢绞线配合作业，实现钢桁架的前移。此方案没有通过节点支承受力，其支点反力沿下弦杆全长移动，无需设置长滑道，降低了施工难度[16]。在牵引桁架就位后，现场浇筑管内混凝土和桥面板混凝土的浇筑质量较难保证。
预制桥面板可以减少现场工作量，减小引起混凝土板开裂的收缩效应和水化热效应。为改善负弯矩区桥面板混凝土的抗裂性能，通常在该区域配置高强混凝土，加密布置钢筋，优化连接件构造等，合理的施工工艺(包括交替施工、支点位移、张拉预应力等)，对采用阶段组合截面的应力分布也有较大影响[17]。
a)郑州黄河公铁两用大桥顶推滑道构造 b)四川干海子桥牵引法示意图 图1 钢桁梁顶推施工典型案例
本文基于中等跨径钢管混凝土桁梁桥设计钢桁架顶推、桥面板安装的施工方案，分析各结构在施工过程中的受力情况，进行设计方案比选。钢桁架顶推，比选导梁设置、空钢管和钢管混凝土桁架、顶推支撑形式等；
桥面板安装，考虑交替浇筑预制桥面板湿接缝、支点施加纵向预应力(包括支座强制位移法、张拉预应力钢绞线)、延迟连接件结合等方式的单独施工操作和多方案结合施工操作的效果。通过分析施工过程结构受力行为和施工可行性，选择适用于钢管混凝土桁梁桥施工的方案。
以4×80 m标准跨径钢管混凝土桁梁桥为例，结构立面布置为Warren式腹杆桁架体系，桁高5.7 m，为钢桁架和桥面板的总高度，高跨比为1/14.0；
钢主桁设计分为边跨和中跨2种类型，边跨主桁和中跨主桁各有16个节间，每节间长5 m，腹杆与弦杆夹角为63.5°。边跨、中跨立面布置如图2所示(图中单位为mm)。
图2 边跨、中跨立面布置
钢管混凝土桁梁桥主体结构由两榀平行的钢桁架组成，在每个节点处由上平联和下平联将两榀主桁相连[15-16]。80 m跨径钢管混凝土桁梁设计参数如图3所示(图中单位为mm)。
a)横断面一 b)横断面二图3 80 m跨径钢管混凝土桁梁桥设计参数
主桁上弦杆正、负弯矩区分别采用600 mm×600 mm、1000 mm×600 mm的矩形钢管混凝土断面，下弦杆正、负弯矩区分别采用600 mm×700 mm、1000 mm×700 mm的矩形钢管混凝土断面。腹杆正、负弯矩区分别采用600 mm×400 mm、1000 mm×400 mm的空矩形钢管。支点左右2个节间的下弦杆焊接钢板并浇筑混凝土，形成双重组合截面，协助下弦杆承压；
支点断面设置端横联增加抗扭刚度，负弯矩区采用抗拔不抗剪圆柱头栓钉。主桁结构采用Q420D钢材，管内采用C60钢纤维混凝土，桥面板预制部分采用C50钢纤维混凝土，现浇部分采用C50微膨胀混凝土。
2.1 方案设计
根据钢管混凝土桁架顶推施工的特点，顶推结构为空钢管桁架、钢管混凝土桁架；
施工设备选择设置前导梁、不设置前导梁；
受力方式为桁架下弦杆全长支撑顶推、仅在桁架节点处支撑等。由此提出4种比选方案，如图4所示。
图4 桁架顶推方案示意
1)方案一。顶推空钢管桁架，不设置前导梁，弦杆全长支撑顶推。
2)方案二。在工厂内浇筑完成管内混凝土，顶推钢管混凝土桁架，设置前导梁，弦杆全长支撑顶推，导梁参数通过导梁-主梁相互作用分析优化[18-22]。
3)方案三。在工厂内浇筑完成管内混凝土，顶推钢管混凝土桁架，不设置前导梁，在桁架节点处支撑辅助顶推。
4)方案四。在工厂内浇筑完成管内混凝土，顶推钢管混凝土桁架，不设置前导梁，弦杆全长支撑顶推。此方案作为最不利方案，作为对比方案。
2.2 有限元模型建立
全桥采用MIDAS/Civil软件进行有限元模拟分析，其中桁架杆件及管内混凝土采用双梁单元模拟，桥面板采用2片纵梁单元模拟，通过虚拟梁单元模拟其横向刚度，桁架节点为全焊节点，采用共节点模拟，顶推主桁采用梁不动，支承体系随顶推阶段变化而变化的形式实现。对于方案一、二、四，以主桁每向前顶推1.25 m为1个顶推阶段，模拟节点间受力的状态；
对于方案三，以主桁每向前顶推5 m(1个节间)为1个顶推阶段，模拟仅节点处支撑的工况；
顶推施工阶段共280个。方案二、三、四考虑在工厂浇筑完成管内混凝土，达到设计强度[23]。
3.1 顶推过程应力变化
根据全桥有限元模型，计算方案一中4个位置截面(上弦杆a点、腹杆b点、下弦杆节点c、下弦杆节点间d)最大主应力位置应力随施工阶段的变化，如图5、6所示。
图5 方案一最大主应力的关键位置
a)a点截面 b)b点截面 c)c点截面 d)d点截面图6 方案一弦杆、腹杆4个位置截面最大主应力处应力变化曲线
由图6可以看出：随着顶推施工对应截面正负弯矩的交替出现，弦杆、腹杆的拉压应力均呈周期性交替变化。上弦杆最大主拉应力为204 MPa，在第2跨支点左侧节点位置，该处为上弦杆尺寸变化段；
此时空钢管桁架移出3跨，第1跨为最大悬臂状态。腹杆拉压应力小于90 MPa，最大主应力在第1跨支点右侧位置，此时桁架移出60 m，墩顶位于最大主应力位置附近。下弦杆最大主压应力为283 MPa，在第1跨支点右侧第3节间处，该处为下弦杆尺寸变化段，空钢管桁架移出2跨，该截面处下弦杆位于墩顶位置。
顶推支撑点从节点移动至下一节点时，当前节点间的腹杆拉压轴力存在突变，该过程的结构状态可简化为力学模型，如图7所示。其中，l为钢桁架跨径，x为悬臂段长，q为自重线荷载，R1为顶推支撑点竖向反力，NT为上弦杆轴力，NW为腹杆轴力，NB为下弦杆轴力，MT为节点间上弦杆弯矩，MW为腹杆弯矩，MB为节点间下弦杆弯矩，RB为节点间下弦杆剪力，θ为腹杆与弦杆所成倾角。
图7 顶推支撑点由节点移动至节点间的简化力学模型
取1-1截面右侧部分，当1#支点位于节点处，各杆件主要受轴力作用，弯矩与剪力可忽略不计；
当支点向节点间移动时，位于节点间的下弦杆截面具有较大的弯矩、剪力，弯矩通过节点传递至腹杆、上弦杆，剪力转换为腹杆与上弦杆的轴力。由三弯矩方程可得
式中：M2为2#支点的弯矩，M2>0。
当支点位于节点处时，有：
R1-qx-NWsinθ=0。
(1)
由式(1)可得：
因此，当NW>0时，该腹杆受轴向拉力，右侧腹杆受轴向压力。当支点向节点间移动，且支点位于腹杆截面右侧时，支点所在弦杆截面剪力最大，有：
R1-RB-qx-NWsinθ=0，0≤RB≤R1，
则
-qx≤NWsinθ=R1-RB-qx≤R1-qx。
当支点向节点间移动且支点位于腹杆截面左侧时，有：
RB-qx-NWsinθ=0，RB≤0，
则
NWsinθ=RB-qx≤0。
该腹杆由轴向受拉迅速变为轴向受压。顶推施工中支点移动时，当前所在节点间的腹杆轴力拉压模式转变，其余位置的腹杆基本不变。
施工过程中弦杆最不利受力位置在节点间，上弦杆最不利受力位置在节点，上弦杆节点的最大主应力远大于下弦杆节点。支点移动至节点间时，从弦杆、腹杆的轴向拉压变为节点间下弦杆的梁受弯模式，且下弦杆弯矩极少通过腹杆传至上弦杆，只部分传递至相邻的下弦杆杆件。将传递至腹杆的弯矩等效成外力矩，将各腹杆刚度等效成弹簧支承刚度，将整体模型等效为多点弹性支承模型；
通过分析腹杆等效弹簧刚度对弦杆受力的影响，进而简化成多点支承模型，如图8所示。其中，R0为支承处等效反力，k1、k2、k3、k4为各腹杆对下弦杆的等效支承刚度，MW1、MW2、MW3、MW4为各腹杆传递弯矩的等效外力矩。
图8 支点力作用于节点间的下弦杆简化模型
3.2 顶推方案比选
以方案一与最不利方案(方案四)对比为例。在方案四中，选取顶推最不利跨支点e及往跨中方向8个节间的下弦杆截面f，如图9所示。以施工过程中出现的最大主应力分析计算顶推时上弦杆内填混凝土支点和跨中截面的主应力变化，如图10所示，并在相应截面与方案一进行对比，如表1所示(Z0、Z1、Z2、Z3与0#墩分别相距0、5、10、15 m,g为Z0～Z4截面区域)。
图9 顶推方案比选的关键位置
a)支点e的应力变化曲线 b)跨中f的应力变化曲线图10 方案四支点、跨中的应力变化
表1 不同方案下与0#墩不同距离的结构所受应力 MPa
由图9、10和表1可知：方案四作为最不利方案，将顶推至最大悬臂工况的支点附近的下弦杆、墩顶上弦杆内填混凝土作为控制条件，下弦杆最大主压应力为302 MPa，上弦杆悬臂根部至跨中范围管内混凝土均存在应力超限，该区域管内混凝土基本失效。与方案四相比，方案一控制杆件的最大主应力降低5%～18%。顶推结构为空钢管桁架，无管内混凝土，因此无法对比管内混凝土的受力状况。
方案一～三与方案四的最大主应力对比如表2所示，各控制杆件的截面位置编号如图11所示(S1为方案三、四主桁前端到达1#墩时，0#墩对应的上弦杆内混凝土截面；
S2为方案二前导梁到达1#墩时，0#墩对应的上弦杆内混凝土截面)。
表2 各方案最大主应力及控制截面
图11 各杆件截面编号示意
由表2可知：与方案四对比，方案二通过设置前导梁减少了顶推悬臂长度，下弦杆支点附近节间主应力降低41%～73%，管内钢纤维混凝土最大主拉应力为12 MPa，失效范围仅为顶推70～80 m的悬臂工况下支点所在截面。方案三在节点处支撑顶推的方式，避免了顶推过程中弦杆的梁受弯模式，下弦杆对应截面节点间截面的应力降低34%～53%，节点处截面应力及管内填混凝土应力状态无改善，悬臂根部至跨中范围均存在失效。由此推荐方案一、二为施工可行方案。
4.1 预应力施加对比
根据横向全宽预制桥面板分块设计，从全桥桥面板施工过程应力控制角度，拟定交替浇筑混凝土湿接缝作为方案A，并在方案A基础上，分别对比支点位移(方案B)和张拉纵向预应力(方案C)对钢主桁、桥面板混凝土的影响。
1)方案A(交替施工)。吊装各跨跨中预制桥面板→浇筑跨中湿接缝及剪力槽→吊装墩顶范围内预制桥面板→浇筑墩顶区域
2)方案B(支点位移)。浇筑跨中湿接缝及剪力槽→顶升中墩支点→浇筑中墩墩顶区域→混凝土养护，降低支点→完成边墩相应步骤，如图12所示，其中①、②为支点对应的顶升顺序。
图12 方案B支点位移示意
3)方案C(张拉纵向预应力)。在负弯矩区桥面板中性轴处布置纵向预应力钢绞线。浇筑跨中湿接缝及剪力槽→浇筑中墩墩顶区域，预留钢束两端横桥向湿接缝→混凝土养护，张拉预应力→浇筑预留湿接缝→完成边墩相应步骤。
取对称结构(边跨、中跨)，桥面板、上弦杆最大主应力分布如图13、14。
a)桥面板 b)上弦杆图13 方案A、B最大主应力分布对比
a)桥面板 b)上弦杆图14 方案A、C最大主应力分布对比
由图13、14可知：在桥面板施工完成工况下，方案B负弯矩区桥面板有1.0～2.5 MPa压应力储备，该区域内上弦杆拉应力增大25～30 MPa，跨中区域无明显变化；
方案C钢束锚点侧拉应力较小，其余截面均受压，负弯矩区桥面板有1.0～3.0 MPa压应力储备，该区域内上弦杆拉应力减小10～15 MPa。支点位移和张拉预应力束对钢主桁结构的成桥受力状态产生影响，说明在支点回落、张拉预应力前，负弯矩区桥面板现浇混凝土达到设计强度，通过剪力钉群与钢主桁形成组合截面，支点回落、张拉预应力在组合截面中重新分布应力，并施加到钢主桁上；
方案B中上弦杆拉应力增大，方案C中上弦杆拉应力减小。取不同参数计算方案B、C对负弯矩区桥面板的压应力储备，发现支点顶升100～200 mm与张拉8束12Φs15.2 mm预应力钢绞线的效果一致。
4.2 桥面板方案拟定
综合各方案的应力比对结果，将方案B、C结合，采用抗拔不抗剪连接技术以提高预应力施加效率[24]，并调整相关施工顺序，拟定桥面板施工步骤为：吊装各跨跨中预制桥面板、浇筑跨中湿接缝及剪力槽→顶升中墩支点→吊装中墩区域预制桥面板、浇筑中墩墩顶区域，预留钢束两端横桥向湿接缝→混凝土养护，张拉预应力→浇筑中墩预留湿接缝→降低中墩支点→顶升边墩支点→吊装边墩区域预制桥面板、浇筑边墩墩顶区域，预留钢束两端横桥向湿接缝→混凝土养护，张拉预应力→浇筑边墩预留湿接缝→降低边墩支点，如图15所示。
图15 墩顶区域桥面板施工步骤
关键工况下桥面板边跨、中跨截面最大主应力分布如图16所示。图中工况1～6分别为：工况1为顶升中墩支点；
工况2为张拉中墩预应力；
工况3为回落中墩支点；
工况4为顶升边墩支点；
工况5为张拉边墩预应力；
工况6为回落边墩支点。
图16 关键工况下桥面板截面最大主应力分布
由图16可知：顶升工况下，相邻跨跨中靠近该支点区域的桥面板拉应力增大，除该支点外相邻跨的跨中桥面板压应力增大，顶升高度宜控制在200 mm范围内，此时该处跨中拉应力增幅小于2.0 MPa；
张拉预应力工况下，张拉区域桥面板压应力增大1.5～3.0 MPa，其余区域桥面板拉应力稍微增大；
支点回落工况下，该区域内桥面板压应力增大，相邻墩墩顶区域桥面板压应力减小。
综合钢桁架顶推方案B并进行局部设计优化[25-27]，得到施工完成工况下桥面板、管内混凝土最大主应力分布范围及弦杆、腹杆最大主应力，如表3所示。该工况下的墩顶上弦杆管内混凝土和跨中下弦杆管内混凝土受拉，不再考虑该部分与弦杆的组合作用，只计算腹杆的最大拉、压应力。
表3 施工完成工况下混凝土杆件最大主应力 MPa
由表3可知：综合钢桁架顶推方案B和桥面板施工优化方案，施工完成工况下各杆件、混凝土板、管内混凝土的应力均在规范允许范围内，且各杆件最大拉压应力绝对值差较小，桥面板混凝土存在压应力储备。
以4×80 m标准跨径钢管混凝土桁梁桥为例，对钢桁架顶推、桥面板安装的施工方案比选和过程进行分析。
1)与钢板梁、钢箱梁不同，中等跨径钢管混凝土桁梁桥的顶推施工需考虑桁架结构节点传力，全长支撑顶推过程中，桁架结构的2种受力模式，即节点传力和各杆件受轴力、受节点间支承时下弦杆的梁受弯交替循环。当支点经过节点间时，该节点间的下弦杆弯矩极少通过腹杆传至上弦杆，只部分传递至相邻的下弦杆杆件，可以简化为多点连续梁模型。
2)采用仅节点处支撑顶推的方式可避免下弦杆的梁受弯模式，下弦杆对应截面的应力降低，但节点处截面、管内填混凝土应力均无改善，悬臂根部至跨中范围均存在失效。
3)通过设置前导梁减少钢管混凝土桁架的顶推悬臂长度，下弦杆支点附近节间主应力降低41%～73%，管内混凝土失效范围为顶推70～80 m的悬臂工况下支点所在截面。因此，施工可行性方案为空钢管桁架全长支撑顶推就位后浇筑管内混凝土、钢管混凝土桁架前置导梁全长支撑顶推。
4)综合墩顶纵向预应力束、支点位移法、墩顶延迟连接等措施，可有效减少桥面板施工应力。施工完成工况下，墩顶区域桥面板混凝土压应力储备为2.8～4.3 MPa，支点顶升高度宜控制在100～200 mm，顶升效果与张拉8束12Φs15.2 mm预应力钢绞线一致。
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