西溪河大跨径钢管混凝土拱桥连续梁顶推法施工过程受力分析

樊开盼，黄 欣，陈国胜

（1.天津城建大学，天津 300384；2.中铁十八局集团有限公司，天津 300222）

西溪河大跨径钢管混凝土拱桥连续梁顶推法施工过程受力分析

樊开盼1，黄 欣2，陈国胜2

（1.天津城建大学，天津 300384；2.中铁十八局集团有限公司，天津 300222）

以西溪河大跨径钢管混凝土拱桥为工程依托，研究了拱上钢箱连续梁基于无导梁和临时墩的顶推法施工技术，确定了合理的顶推力及顶推量.通过建立MIDAS有限元数值模型，研究了不同顶推施工阶段中各不利工况下各墩柱处的支反力最大值，得到了顶推施工过程中主梁的弯矩包络图.

顶推法；连续梁；不利工况；支反力最大值；顶推量

随着桥梁高度和跨度的不断突破，顶推法施工得到了广泛的推广应用.所谓顶推法，即沿桥梁纵轴方向在桥台的后方开辟预制场地，设置拼装平台，分节段预制、拼装梁段，并通过纵向预应力筋将各节段梁体与已完成的梁段连成整体，通过液压千斤顶施力，将梁段向对岸推进，待全部梁段顶推就位后，进行整体顶升，拆除滑道、落梁，最终完成桥梁施工的方法［1］.顶推法施工具有节省大量脚手架、临时设备少、高空作业少、安全可靠、平稳无噪声、施工速度快等诸多优点［2-3］，在桥梁施工中发挥出了显著优势.顶推法的分类方法有许多，若按其工艺可分为：单向顶推和多向顶推、单点顶推和多点同步顶推、步距式顶推和连续顶推、垂直+水平千斤顶法和拉杆千斤顶法.

闫林栋以郑州黄河公铁两用桥的第一联钢桁梁施工架设为工程依托，采用有限元数值模拟方法，对第一联钢桁梁的施工阶段进行力学分析，校验导梁、设计杆件等临时构件的应力及稳定性，论证了结构的安全性及施工方法的可行性［4］.秦林、陈进芬等研究了北盘江大桥的合龙顶推方案，综合考虑该桥合龙的合龙温度及后续混凝土的收缩徐变，确定了合理的顶推力及顶推量，并根据不同顶推方案对各主墩的扭转、合龙口标高及顶推量的影响，确定了合理的合龙顶推方案［5］.

在已有的文献中，大多是研究设有导梁和临时墩的桥梁的顶推法施工，或是研究基于合龙温度及后续混凝土收缩徐变效应的顶推方案［6-11］.本文以西溪河特大拱桥为研究背景，基于无导梁和临时墩，研究了拱上钢箱梁的顶推法施工技术，确定了合理的顶推力及顶推量.通过建立空间有限元数值模型，研究了顶推施工阶段中各不利工况下各墩柱处的支反力最大值，得到了顶推施工过程中主梁弯矩包络图，从而可以有效地指导施工.

1 工程概况

成贵铁路西溪河大桥是一座钢管混凝土提篮拱桥，跨越深切河谷西溪河，中心里程DK417+ 141.00，起始里程DK416+910.55，终止里程DK417+404.15，全长493.60，m，轨面至河面高差255.7，m，主跨240，m.孔跨样式为3×32.7，m简支箱梁+240，m上承式钢管混凝土提篮拱桥+4× 32.7，m简支箱梁，拱肋内倾角7.5°拱轴系数m= 2.2，矢跨比约为1/4.364.西溪河大桥为双线桥，直线，平坡，线间距4.6，m.主跨及引桥共338.1，m，采用顶推法施工，用红色、绿色、蓝色区分三联段.西溪河大桥布置示意图如图1所示.

图1 西溪河大桥布置示意图（单位：cm）

2 顶推法施工

2.1 基于不设导梁和临时墩的连续梁顶推法施工技术

以往的顶推法施工，一般单独设置独立的钢导梁.导梁虽然可以改善顶推过程中梁体受力状态，但后期拆除较困难.临时墩的后期拆除量也相当大，尤其是在超高空作业时危险性较大.相比而言，本文是在不单独设置导梁和临时墩的基础上，对顶推法施工过程中的钢箱连续梁进行受力分析.“无导梁”施工，即用钢箱梁自身作为导梁，当梁体前端即将到达墩柱时，为消除悬臂段自重而引起的下挠，在墩柱上布设竖向千斤顶，将梁前端顶起略高于滑道，当梁体前端到达滑道上方时再徐徐落梁，使之在正式滑道上就位.由此悬臂端在千斤顶作用下即可顺利上墩.因成贵铁路西溪河大桥跨越深切河谷西溪河，轨面至河面高差255.7，m，采用不设导梁和临时墩的顶推技术，可大大减少超高空作业，保障生产安全，减少后期拆除工作量.

2.2 顶推力的控制

本工程大里程两联连成一体整体顶推，第三联与引桥混凝土梁连接，作为引桥梁体的导梁，与引桥连成一体整体顶推.采用多点顶推法对钢箱连续梁进行顶推.梁体被推动，顶推力需满足如下公式

式中：

Fi—第i墩柱处顶推设备的顶推力；

Ni—第i墩柱处的支反力；

fi—第i墩柱处的摩擦系数，最大静摩擦系数取10%，动摩擦系数取6%，；

ai—第i墩柱处的纵坡率，“+”表示上坡顶推，“-”表示下坡顶推，因本工程全桥设计为平坡，故ai取值为0.

主桥单次顶推质量为8，600，kN，引桥顶推总质量为26，500，kN（22，200，kN+4，300，kN）.计算所得主桥及引桥顶推时所需牵引力和相关系数如表1所示.

表1 主桥及引桥顶推时所需牵引力及相关系数

2.3 顶推量

因在西溪河大跨径钢管混凝土拱桥主梁的顶推法施工过程中没有单独设置导梁及临时墩，为使主梁不发生倾覆，根据“弯矩最小原则”，本文经计算所确定的合理顶推量如表2所示.

表2 顶推量汇总

3 有限元模型及数值分析

3.1 有限元模型

成贵铁路西溪河大桥的孔跨样式为3×32.7，m简支箱梁+240，m上承式钢管混凝土拱桥+4× 32.7，m简支箱梁.采用Q345qE钢结构，ML15剪力钉，M22高强度螺栓，C50混凝土.图2为1/2主桥横截面示意图.运用MIDAS/CIVIL建立空间有限元仿真模型进行数值计算，主梁简化为空间梁单元，利用“顶推法桥梁施工阶段建模助手”作施工阶段分析.部分有限元模型如图3所示.

图2 1/2主桥横截面示意图

图3 部分有限元模型

3.2 最不利工况下的最大支反力

钢梁集度取平均值51.16，kN/m.顶推施工阶段中钢箱梁在各不利工况下于各支撑位置处的支反力最大值及水平抗推刚度如表3所示.

表3 各不利工况下各墩柱处支反力最大值

随着顶推过程的不断推进，各支撑位置处的支反力也在不断发生变化.由表3可知，在各顶推施工阶段中梁体所受的最大支反力为8，151.3，kN，发生在3，4联到达4#柱时1#墩位置处，此时的最大摩擦力为489.1，kN，所需的牵引力最小为489.1，kN.此时可通过调整顶推千斤顶的油压来控制顶推力.在1，2联到达4#墩时，4#墩处的支反力为419.1，kN，且为各墩处支反力最大值中的最小值.墩顶处的支反力最大值明显比拱上立柱处的支反力最大值要大，约为拱上立柱支反力最大值的2～4倍.而拱上各立柱间的支反力最大值相差不大.0#墩的水平抗推刚度为最大值94，428.7，kN/mm，从0#墩到3#墩水平抗推刚度依次减小.拱上立柱的水平抗推刚度以6#柱为对称点，向两侧对称分布.1#柱与11#柱的水平抗推刚度最小，其值均为2.7，kN/mm，5#柱和7#柱的水平抗推刚度达到各拱上立柱中水平抗推刚度的最大值2，787.1，kN/mm.拱上1#柱、2#柱、10#柱、11#柱水平抗推刚度较小，需增加其与相临墩柱间的纵向联系，建议各墩柱之间通过钢绞线串联连接.

3.3 主梁弯矩包络图

在主梁的顶推过程中，随着跨数的逐渐增多，结构体系不断转换为高次超静定结构.钢箱连续梁内各个截面在移动过程中所承受的正负弯矩交替出现，不断发生变化.在顶推施工过程中钢箱连续梁的弯矩包络图如图4所示.

图4 顶推过程中主梁弯矩包络图

由图4可知，钢箱梁各个截面在顶推过程中都要经历正负弯矩的频繁交替，施工过程中主梁最大负弯矩与使用状态的支点负弯矩较接近，且在顶推过程中钢箱连续梁在墩顶处的最大负弯矩值（-49，783.5，kN·m）的绝对值要大于最大正弯矩值（36，927.41，kN·m）.两联主梁全在拱上立柱上进行顶推时的弯矩值要比在墩上顶推时的弯矩值小.此弯矩包络图不仅为西溪河钢管混凝土拱桥的施工控制提供可靠的理论依据，还对今后该类桥梁的施工控制具有一定的借鉴意义.

4 结 论

本文以西溪河大跨径钢管混凝土拱桥为研究背景，通过建立有限元模型，对基于无导梁和临时墩的顶推法施工过程进行模拟，研究了顶推施工阶段中各不利工况下各个支撑位置处主梁的最大支反力及顶推过程中主梁的弯矩包络图，得出如下结论：

（1） 为保证顶推过程中主梁不发生倾覆，确定了各工况下的合理顶推量，以便于更好地指导施工，且为今后无导梁、无临时墩的顶推法施工提供有效参考.

（2） 钢箱梁在顶推施工阶段中所受的最大支反力为8，151.3，kN，发生在3，4联到达4#柱时，于1#墩位置处.墩顶处的支反力最大值约为拱上立柱处支反力最大值的2～4倍.拱上各立柱处的支反力最大值相差不大.

（3） 拱上1#柱、2#柱、10#柱、11#柱的水平抗推刚度较小，需增加其与相临墩柱间的纵向联系，建议各墩柱之间通过钢绞线串联连接.

（4） 在顶推法施工过程中，钢箱连续梁各个截面的正负弯矩频繁交替，主梁最大负弯矩与使用状态的支点负弯矩接近.

［1］张晓东.桥梁顶推技术［J］.公路，2003（9）：46-51.

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［4］闫林栋.郑州黄河公铁两用桥第一联钢桁梁顶推法施工技术与工艺研究［D］.长沙：中南大学，2009.

［5］秦 林，陈进芬，胡海洋，等.北盘江大桥合龙顶推方案研究［J］.世界桥梁，2013，41（3）：43-46.

［6］张培炎.桥梁顶推施工过程受力分析及关键问题研究［D］.成都：西南交通大学，2011：19-51.

［7］王卫锋，林俊锋，马文田.桥梁顶推施工导梁的优化分析［J］.工程力学，2007，24（2）：132-138.

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Stress Analysis on Incremental Launching Construction Process of Continuous Beam of Long-span Concrete-filled Steel Tube Arch Bridge over Xixi River

FAN Kaipan1，HUANG Xin2，CHEN Guosheng2
（1.Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China；2.China Railway 18th Bureau Group Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China）

With the long-span concrete-filled steel tube arch bridge over Xixi River as the project background，this paper researched on incremental launching construction technology of steel box continuous beam above the arch without launching noses and temporary piers and determined the reasonable incremental launching force and amount.By the establishment of the finite element numerical model，this paper studied the maximum bearing reaction of each pier column in adverse conditions at different stages of incremental launching construction，and got the bending envelope diagram of the main beam in the process of incremental launching.

incremental launching method；continuous beam；unfavorable working condition；maximum bearing reaction；incremental launching amount

U448.215

A

2095-719X（2016）04-0278-04

2015-06-26；

2015-07-08

住建部科学技术项目（2015-K3-021）；天津市自然科学基金项目（13JCYBJC19600）；天津市交通运输委员会科技项目（2014-23）

樊开盼（1989—），女，山东滨州人，天津城建大学硕士生.