大跨钢箱梁桥顶推施工安全控制研究.pdf

总653期2023年第23期（8月 中）收稿日期：2023-02-13作者简介：薛昊玥（1988），男，山西晋中人，工程师，研究方向为道路与桥梁。大跨钢箱梁桥顶推施工安全控制研究薛昊玥（山西交科公路工程咨询监理有限公司，山西 太原 030000）摘要：依托某大跨钢箱梁桥工程，首先阐述了该桥顶推施工方案；然后，采用Midas Civil有限元分析软件，建立了钢箱梁顶推施工仿真模型，以导梁前端挠度及主梁前端挠度为指标，计算分析了弯矩和应力变化对顶推施工安全的影响，分别对该桥主梁及导梁20 m、30 m位置的截面应力状态进行全周期监测，并对比分析了计算值和实测值。结果表明：顶推施工安全控制关键截面为：主梁20 m、30 m及68 m位置截面；通过对主梁及导梁应力和变形进行监测，可以为桥梁顶推施工提供安全保障。关键词：大跨钢箱梁桥；顶推法；施工安全；控制措施中图分类号：U445.4文献标识码：B0 引言大跨钢箱梁桥通常采用顶推法施工，沿桥梁纵向设预制场地，将预制好的梁体连成整体，该施工方法简单方便、工期较短，在大跨桥梁实际施工中应用较为广泛。由于桥梁主梁及导梁的挠度、应力及弯矩变化会对施工安全带来影响，因此，为了保证施工质量、安全及进度，需要控制好桥梁施工安全的影响因素。本文结合具体工程实例，借助Midas Civil有限元软件，计算分析顶推施工过程中钢箱梁的结构力学特征，研究其对施工安全的影响，对其变化情况进行监测，提出应力、变形控制措施，为大跨钢箱梁桥施工安全控制提供技术支撑。1 工程概况以某大跨钢箱梁桥工程为例。该钢箱梁桥共有三联，其中，第一联和第三联采用三跨设计，跨长分别为（38+61+38）m、（48+61+38）m，桥面宽为19.8 m；第二联采用四跨设计，跨长为（38+61+61+48）m，桥面宽为 21.3 m。该桥主梁截面为钢箱梁，其材料为Q345qENH，易受外部环境温度影响。该桥梁体施工采用多点同步法连续顶推，顶推法对施工设备间协同作业要求较高，各主墩位置布设临时垫块，两侧布设临时墩，临时墩顶部布置顶推设备，设备均布有竖向、横向千斤顶。由于该桥顶推施工吨位较大，桥梁总顶推量约5 250 t，第三联顶推施工吨位最高，顶推量达2 262 t，且顶推施工距离较长，该桥梁总顶推距离约368 m；同时，该桥顶推施工跨径较大，梁体最大设计顶推跨径约61 m，实际施工时，最大悬臂长约55 m；导梁实际长度24 m，约为最大顶推跨径的0.4倍，钢箱梁施工时，梁体底板位置支反力较大，存在局部受压的问题，因此，需要采取顶推施工控制措施，以保障施工安全。2 有限元模型的构建建立Midas Civil有限元模型时，应掌握该大跨钢箱梁桥顶推施工流程及重难点，并合理划分施工阶段。计算工况采用桥梁实际运营中的代表性工况条件，同时结合施工现场设备的顶推能力。以0.5 m为标准划分施工阶段，确保各代表顶推工况均纳入有限元模型计算中，并提供支反力、应力、变形等顶推施工安全控制参数。按照顶推施工中结构形式、力学特征、计算精度等要求，对钢箱梁、支撑体系及钢导梁等主体结构建立顶推施工Midas Civil有限元模型，其中钢箱梁通过杆系单元模拟，如图1所示。顶推施工模型中，钢箱梁钢材类型为Q345，其弹性模量、泊松比分别为206 GPa、0.3。横隔板自重按节点荷载施加。3 有限元计算仿真分析3.1 挠度在钢箱梁顶推施工中，以梁体位移包括导梁前端挠度及主梁前端挠度等作为顶推力学特性和施工安全控制的重要指标，并严格监测、把控梁体位移的变化图1 顶推施工模型160交通世界TRANSPOWORLD情况。根据有限元仿真分析结果，关键工况下的导梁、主梁前端挠度随顶推施工进度的变化情况如图2所示。由图2可知，当顶推施工进度达到55 m时，钢箱梁结构处于最大悬臂状态，且导梁、主梁前端挠度也达到最大值，分别为 120 mm、50 mm；当顶推施工进度超过55 m时，导梁前端挠度陡降，且后续各工况条件下的挠度较稳定；当主梁挠度下降至18 mm时，对应主梁前端挠度逐渐减小。其主要原因在于导梁刚度显著低于主梁刚度，主梁发生较大变形时难以支撑，因此其挠度降速减缓。当钢箱梁结构体系处于最大悬臂状态时，结构整体变形也随之达到最大。顶推施工过程，若导梁前端挠度过大，影响导梁上墩，施工难度加大，同时给施工带来不确定性，施工风险增加。悬臂自由端发生过大变形，会引起悬臂末端出现较大转角变形，导致梁体、滑梁间接触不均匀，导致钢箱梁结构局部产生安全隐患。由于钢材性能受温度影响较显著，施工时应监测其对结构变形的影响，并严格控制结构变形，对自重荷载下的结构挠度和温度变形进行重点监测，确保钢箱梁结构始终处于安全可靠状态。3.2 结构弯矩大跨钢箱梁顶推施工时，主梁各截面内力状态将持续变化。若单独对某工况条件下的内力进行分析，则难以准确反映钢箱梁结构的实际受力状况，因此，本研究对主梁施工全过程的结构弯矩进行模拟分析，计算得到结构弯矩包络图，如图3所示。由图3可知，主梁40 m处截面前，结构弯矩变化较快；主梁20 m处截面，正弯矩第一次达到极值，约为19 175.8 kNm。经 Midas Civil 有限元计算分析可知，20 m处截面的最大正弯矩出现于导梁顶推至最大顶推跨径支点时。在30 m位置截面，主梁负弯矩达到顶推施工全过程的最大值，约为-71 022.4 kNm，此时钢箱梁结构为最大悬臂状态；当施工经过主梁30 m处断面之后，负弯矩快速降低，并在40 m位置截面后基本维持在-23000,-30000 kNm 范围波动。当主梁结构正弯矩首次达到极值后，于68 m位置截面处第二次达到极值，约为21 035.6 kNm，即顶推施工全过程正弯矩最大处，之后，正弯矩变化相对稳定，基本维持在5 800 kNm附近。由上述分析可知，该大跨钢箱梁桥顶推施工安全控制的关键截面为主梁20 m、30 m及68 m位置截面。3.3 结构应力根据Midas Civil有限元模拟计算结果，得到该大跨钢箱梁桥上、下翼缘的应力包络图，如图4、图5所示。导梁前端挠度主梁前端挠度120100806040200-20竖向挠度/mm顶推进度/m020406080100120图2 导梁、主梁前端挠度变化情况20 0000-20 000-40 000-60 000-80 000弯矩/（kNm）主梁位置/m020406080100120图3 顶推施工全过程结构弯矩变化情况负弯矩正弯矩主梁位置/m020406080100120140图4 正弯矩下的应力变化情况2520151050-5-10-15应力/MPa下翼缘拉应力上翼缘拉应力020406080100120图5 负弯矩下的应力变化情况顶推进度/m实测值计算值200-20-40-60-80应力/MPa161总653期2023年第23期（8月 中）由图4图5可知，主梁正弯矩首次达到极值时，即20 m位置截面处，结构上、下翼缘的应力绝对值同步达到最大，上、下翼缘应力水平分别为-15.8 MPa、17.3 MPa；主梁正弯矩达到最大值时，即 68 m位置截面处，结构上、下翼缘的应力绝对值同步达到最大，上、下翼缘应力水平分别为-14.7 MPa、20.5 MPa。在主梁68 m位置后，各截面应力变化快速减小，且均处于较低水平。主梁负弯矩达到最大值时，结构体系为最大悬臂状态，此时30 m位置截面处上、下翼缘的应力绝对值同步达到最大，上、下翼缘应力水平分别为54.9 MPa、-75.2 MPa。在主梁30 m位置后，各截面最大应力变化快速减小，上、下翼缘应力水平分别维持在20 MPa、-30 MPa左右，因此，主梁正弯矩和负弯矩可不作为顶推施工安全控制的主要因素。4 顶推施工监测及控制该大跨钢箱梁桥顶推施工监测应在施工准备阶段明确施工安全的控制目标、预警值及允许值。考虑到不同工程的施工条件、特性，预警值应结合桥梁施工实际情况及工程实践经验，根据允许值及折算系数确定。表1为该大跨钢箱梁桥施工安全控制目标及相应预警值、允许值，其控制内容主要包括结构施工控制及施工调整。当监测指标超出预警值时，应及时反馈给施工单位，并提醒施工管理人员制定安全预警方案，避免偏差增大产生安全问题，保证顶推施工的顺利进行；当监测指标超出允许值时，应立即停工，分析指标出现误差的原因，并在后续顶推施工中合理调整相关参数，观测调整后的施工效果，做好及时反馈、台账完备，确保桥梁结构始终处于安全可靠状态。表1 顶推施工安全控制目标控制要素控制应力超理论值（%）导梁挠度超理论值（%）横向偏位/mm预警值6610允许值101020顶推施工控制主要通过调整滑梁标高、横向侧移等结构线形，从而保证桥梁结构应力、线形满足技术要求。1）应力控制该桥顶推施工过程中，对主梁及导梁20 m、30 m位置截面应力状态进行全周期监测，基于施工控制方案和流程对顶推施工全过程进行监测和控制，对比各控制截面顶、底板应力的实测值和计算值，如图6图9所示。020406080100120图6 20 m位置截面的顶板应力顶推进度/m20100-10-20实测值计算值应力/MPa20100-10-20-30应力/MPa020406080100120图7 20 m位置截面的底板应力顶推进度/m实测值计算值020406080100120图8 30 m位置截面的顶板应力顶推进度/m6040200-20应力/MPa实测值计算值020406080100120图9 30 m位置截面的底板应力顶推进度/m200-20-40-60-80应力/MPa实测值计算值162交通世界TRANSPOWORLD由图 6图 9可知，通过施工现场及时采取控制措施，主梁结构的应力实测值与计算值基本一致，且误差满足表1要求，因此，可判定本次顶推施工过程中，该大跨钢箱梁桥结构受力安全、可靠。2）变形控制顶推施工过程中，对该桥导梁前端及主梁前端挠度值进行监测。导梁挠度过大不仅影响桥梁结构的安全性，还会导致施工进度延迟。因此，在顶推施工完成后，应及时测量并调整挠度指标。经实测，该钢箱梁桥最大悬臂状态对应的结构挠度为212 mm，与模拟计算值243 mm相比，存在一定偏差。产生偏差的主要原因在于：结构拼接产生的偏差及环境温度导致的结构变形，按照表1中的限值，对比分析后，判定本次顶推施工过程中，该桥结构的挠度指标满足安全施工的技术要求。通过对该大跨钢箱梁桥顶推施工过程中的应力、变形进行监测和控制分析，根据制定的调控流程及控制目标进行顶推施工，保障了该桥施工的安全、可靠。5 结束语综上，本文基于某大跨钢箱梁桥工程，借助MidasCivil建立了顶推施工有限元模型，确定了顶推施工全过程中各截面控制的工况条件，得出了挠度、弯矩、应力等安全控制指标，分析了上述指标对顶推施工安全的影响，结合安全控制目标，对顶推施工全过程进行监测和控制，保证了该桥顶推施工过程的安全性。参考文献：1 黄景新.大跨度无推力拱桥钢箱主梁顶推施工关键技术J.安徽建筑，2022，29（12）：161-163.2 孙杰.典型箱梁在顶推施工过程中的局部受力研究J.大众标准化，2022（23）：94-96，99.3 黄浩，吴志刚.高墩大跨径顶推施工钢箱梁桥方案设计J.工程与建设，2021，35（6）：1171-1173.4 夏学军.宽幅钢箱梁大跨高位顶推施工关键技术J.世界桥梁，2019，47（3）：15-19.（上接第159页）5）通过对盾构施工相关参数的计算，得出盾构总推力为21 990.6 kN；在常规转速下，岩土层掘进刀盘总扭矩为 4 181.03 kNm，卵石层掘进刀盘总扭矩为 2393.3 kNm；计算结果表明，本文涉及工况采用的盾构机能够满足施工要求。参考文献：1 邓颖聪.盾构推进系统的分区建模与性能评价D.上海：上海交通大学，2010.2 王瑶.复合地层大直径盾构刀盘及扭矩计算J.城市轨道交通研究，2010，13（11）：74-76，81.3 黄圣，杨泰春，陶建峰.土压平衡盾构机刀盘扭矩分析与计算J.地下空间与工程学报，2020，16（S2）：710-714.4 张凤祥，朱合华，傅德明.盾构隧道M.北京：人民交通出版社，2005.163