单点顶推施工支撑墩受力分析及优化研究

陈双庆，谭光耀

(湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南 长沙 410004)

1 工程概况

长沙市湘府路某跨线桥，上部结构采用(40+50+40)m 预应力混凝土连续箱梁，为在施工过程中不影响铁路运营，铁路上方的预应力混凝土箱梁采用满堂支架异位预制，预制梁长为70 m，预制完成后采用单点顶推法顶推就位，其余主梁采用满堂支架现浇施工。梁段划分如图1。

箱梁顶推纵坡为0.3%，顶推装置安装在E4 墩顶顶部。在主墩E4 后侧设置临时墩1#～临时墩8#，在主墩 E3～E4 墩中间设置临时墩9#，在主墩E2～E3 墩中间设置临时墩10#～临时墩12#。顶推过程如图2所示。

图1 梁段划分图(单位:m)

图2 顶推过程示意图(单位:m)

2 单点顶推施工支撑墩有限元模型建立

2.1 单元离散

支撑墩仿真模型采用有限元软件MIDAS CIVIL 2012 建立，有限元模型如图3所示。模型中临时墩和主墩均采用空间梁单元模拟44，各墩均划分11个梁单元，单元长1 m，模型共有108 个节点，99 个梁单元。

图3 支撑墩柱有限元模型图

2.2 计算荷载

1)自重:临时墩、主墩的重量由程序根据毛截面计算;

2)墩顶竖向反力:在顶推过程中，主梁对墩柱产生的竖向压力;

3)水平力:箱梁与桥墩相对运动产生的动摩擦力f，大小为墩顶竖向反力(N)×摩擦系数(μ)，即f=N×μ，方向与顶推前进方向一致，摩擦系数根据实测取 0.065;作用于 E4 墩的启动力大小为1 229.1 kN，方向与顶推前进方向相反。

2.3 边界条件

墩底边界条件按固结模拟，即约束墩底节点的DX、DY、DZ、RX、RY、RZ。

2.4 计算工况

根据本桥顶推施工工艺流程，支撑墩柱仿真计算工况以1 m 为一个计算步长，共顶推86 m，划分97 个计算工况。

2.5 计算结果分析

由于本文篇幅有限，支撑墩柱的承载力和抗力效应图不一一列出，仅列出受力最不利的支撑墩。经仿真分析可得，下部支撑墩柱中临时墩4 受力最不利。图4列出了临时墩4 在最不利弯矩作用下的承载力和抗力效应。由图4可得，临时墩4 的承载力不能满足要求，须采取措施对其进行受力改善。

根据顶推过程中下部支撑墩柱的受力特性，经分析可得，临时墩4 受力超标主要是因为其所受水平力较大。为改善临时墩4 的受力，将临时墩1～E4 墩用钢管“串联”。

3 单点顶推支撑墩钢管“串联”改善方案模型建立

改善方案仿真有限元模型如图5所示。在模型中，临时墩、主墩均采用梁单元模拟，钢管采用桁架单元模拟。各墩均划分为11 个单元，其中最底部单元长度0.5 m，其余单元长度均为1 m，计算荷载、边界条件、计算工况与上述有限元模型相同。

图5 临时墩1～E4 模型图

3.1 改善方案模型计算结果

3.1.1 轴心受压计算结果

各墩最不利轴力，如表1所示。

表1可得，在顶推过程中，临时支撑中临时墩4轴力最大，主墩支撑中E4 墩轴力最大，故选择临时墩4 和E4 墩进行正截面轴心抗压承载力验算。

表1 支撑墩柱最不利轴力汇总表

3.1.2 偏心受压计算结果

各墩柱底截面边缘的最不利拉应力，如表2所示。

表2可得，在顶推过程中，支撑墩柱中临时墩4拉应力最大，故选择临时墩4 进行正截面轴心抗压承载力验算。如图6。

表2 临时墩1～主墩E4 墩最不利拉应力情况汇总表

图6 临时墩4 最大弯矩工况偏心受压承载力图(单位:kN)

4 单点顶推施工支撑墩受力优化研究

尽管采用钢管将下部支撑墩柱“串联”起来，可改善其受力，但各墩的受力并不是最优。目前，对临时墩的受力改善，在下部支撑墩柱之间施加水平拉索研究较多，但现有研究成果均没有提出如何确定各墩之间拉索的索力大小。为研究下部支撑墩柱之间施加水平拉索的索力求解，采用“影响矩阵法及最小二乘法原理”求解张拉索力。

4.1 临时拉索索力求解

1)在上述模型基础上，将钢管单元更换成拉索单元。临时拉索采用只受拉桁架单元，共9 个单元，如图7。索号以临时墩1 向主墩E4 墩方向递增，起点编号为1 号索。

图7 临时墩受力优化模型图

2)以 索力列阵 { X }为被调向量，借助Midas Civil2012 有限元模型求出索力影响矩阵［A］18×9，及荷载影响列阵 {b}18×1。

矩阵［A］中aij为单位力X =10 kN 在墩底截面产生的应力，单位为MPa。

3)根据力法建立力法方程可得:

式(1)为矛盾方程组，利用最小二乘法求解可得 {: X} =(［A］T［A］)－1［A］T{( D}－{ b} )，计算流程见图8。

图8 求解流程图

4.2 优化计算结果

优化计算结果见表3～表5。

表3 调值向量{D} MPa

表4 临时拉索张拉力向量{X} kN

表5 调值前后各墩墩底截面左侧和右侧边缘处应力MPa

5 小结

1)采取改善措施前，临时墩4 偏心受压承载力不满足要求;

2)采用钢管将临时墩1～E4 墩“串联”的改善措施后，下部支撑墩柱的(临时墩+主墩)轴心及偏心受压承载力满足要求。

3)根据顶推施工的特点，提出增加拉索来优化临时墩受力。在此基础上，运用“影响矩阵法及最小二乘法原理”，以墩底截面的内力作调整值，求解出了最优的张拉索力。

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