空间双向折线钢桁梁顶推施工过程受力分析

杨部廷

(中铁十二局集团建筑安装工程有限公司 山西太原 030024)

1 引言

随着交通运输业的不断发展，新建桥梁不可避免地跨越既有线路，对施工技术提出了新的要求，特别是对于跨运营铁路的桥梁，其施工与控制难度更大[1-4]。钢桁架天桥顶推是一种较优的跨线施工方法，但在施工过程中常遇到施工空间狭小、顶推距离长、顶推跨径大、天窗时间短等问题，对此，国内外学者进行了几方面的研究:Fontan等[5]提出了一种导梁优化设计的方法，通过与常规工艺比较，得出传统的导梁设计方法没有充分的理论基础，事实证明应用数值优化可以改进导梁设计；Jung等[6]以IIsum桥为工程背景，通过对高跨比、钢导梁长度的优化、施工阶段的详细分析等，验证了顶推施工的安全性；Granata等[7]使用以“传统矩阵法”为基础的程序对直线连续梁和曲线连续梁进行分析，结果表明不论直桥还是弯桥，导梁长度与最大顶推跨径的比值为0.6时最合理，导梁重量的变化对顶推施工悬臂阶段的弯矩和扭矩影响显著；姚志立等[8]通过有限元分析探究了顶推过程中滑道高程差对主梁受力的影响，得出毫米级的滑道高差都将导致应力剧烈变化；杜玉林等[9]研究了某跨密集铁路的小半径顶推钢箱梁主要施工技术方案及关键施工设施，对顶推梁段划分、线形控制等提出了相应的控制措施；夏学军[10]以桃花峪黄河大桥主桥顶推架设为案例，从改善临时墩受力方面、增加临时墩整体性、实现远距离顶推控制要求等方面进行了分析与研究；赵人达等[11]对梁体顶推施工过程的受力分析、局部受力分析及改善措施、顶推法施工控制等研究成果进行了系统总结；孟令强[12]采用数值计算和现场测试相结合的方法，对多跨长联拱形钢桁梁桥进行顶推拖拉施工全过程监控技术研究。

综上所述，大多研究通过数值模拟为桥梁顶推施工提供理论依据，对指导施工有一定的价值。然而，由于空间变轴线桁架桥独有的“弯扭耦合”效应给顶推施工法带来困扰，使顶推过程中主梁受力难以明确，尚未得到充分考虑，因此，本文结合莆田站顶推钢桁梁天桥工程，基于有限元软件对空间变轴线钢桁梁桥顶推过程进行受力分析，并结合现场实测数据，探究桥梁横向偏位引起的斜度在顶推阶段对主梁应力的影响。空间变轴线钢桁梁桥属于一种新型桥梁结构形式，研究此类型桥梁在顶推施工过程中的受力变化规律，对保证桥梁结构施工安全及成桥后桥梁状态具有重要作用。

2 工程概况及重难点分析

2.1 工程概况

莆田站新建天桥位于新建站房候车厅和既有站房候车厅之间，便于两座站房之间的旅客联系和客运组织。天桥采用钢结构形式，共划分为4跨及部分悬挑结构，如图1所示，跨度分别为13.027 m＋34.39 m＋29.6 m＋31.753 m＋3.55 m，总长度112.370 m。钢柱采用P800×20的钢管柱，柱顶最高安装标高为＋7.986 m，天桥自身由2榀平面桁架组成，间距6.9 m，自身高度3.81 m，通过滑动支座支撑于钢柱顶部，天桥杆件主要规格400 mm×400 mm×25 mm、620 mm×400 mm×25 mm以及400 mm×350 mm×20 mm的焊接箱形截面，材质均为Q355B。

2.2 重难点分析

莆田站顶推天桥的重难点是跨越既有高铁线路钢桁架天桥的顶推施工。因为天桥在平、立面都存在弯折线形，顶推时会产生水平力及受力偏心，容易导致支墩失稳；且钢桁架梁顶推过程第一段悬臂端跨度长，最长跨度42 m，协同导梁段共计长度57 m，为跨营业线施工，顶推过程下部为接触网，可控距离短；另外本工程天桥顶推为带屋面顶推，屋面系统为金属屋面系统，顶推过程中下挠深度对屋面材料张拉有严苛的要求。

3 空间双向折线钢桁梁顶推受力分析

钢桁架天桥属于杆系结构，其构件主要是拉、压杆件，受拉时可靠性高，受压时可靠性低，极容易发生失稳破坏，进而导致整个桁架破坏或坍塌。而在顶推施工中，各个杆件的受力状态与工作阶段的受力状态大有不同，一些原本受拉的杆件变成受压杆件，如桁架下弦杆等，在顶推施工过程中存在较大的安全风险。特别是要跨越运行营业线进行顶推施工，必须确保下方铁路线的安全和正常运行，其顶推施工安全将尤为重要。为此，必须进行莆田站新建钢桁架天桥顶推工程的受力分析和研究。

3.1 钢桁梁顶推施工方案

根据天桥结构特点，新建天桥采用“厂内分段制作＋现场分单元拼装＋数控液压同步顶推”的整体施工思路。根据构件重量及运输能力合理划分构件分段，构件制作完成后运输至现场。现场采用25 t汽车吊及50 t汽车吊进行天桥桁架拼装，在新建站房侧设置组拼平台和3条顶推轨道，三条轨道之间间距为6.1 m、2.1 m，拼装侧两条顶推轨道的长度为55.00 m，另一条轨道长度37.00 m，每条顶推轨道上布置1组顶推点，每组顶推点配置1台YS-DT-50型液压顶推器，共计3台。顶推轨道采用直线型，为保证天桥一直采用直线型顶推施工，利用型钢构造牛腿结构适应顶推标高要求。主桁架拼装成单元体后和导梁连接，然后利用“数控液压同步顶推技术”、“整体累积顶推”的施工工艺将钢桁架顶推与既有站房连接。顶推施工时，当导梁顶推至临时墩处临时工装时，利用导向装置将其导入该处的顶推工装上，使其继续顶推，直至整个天桥到设计安装位置。

新建天桥顶推施工流程如图2所示。

图2 顶推流程

工序一:新建天桥导梁(长15.5 m)及第1次顶推单元(包含导梁和第一次拼装段)在组拼胎架上分段组拼完成、验收，第1次顶推单元主结构拼装长度42 m，并进行试顶推2 m，顶推重量170 t。

工序二:第1次顶推完成后新建天桥第2次顶推单元(包含导梁、第一次拼装段和第二次拼装段)在组拼胎架上进行组拼，拼装长度25.54 m，总拼装长度67.54 m，组拼后顶推总重量267 t。

工序三:第2次顶推后新建天桥第3次顶推单元(包含导梁、第一次拼装段、第二次拼装段和第三次拼装段)在组拼胎架上进行组拼，拼装长度24.6 m，总拼装长度92.14 m，组拼后顶推总重量359 t。

工序四:第3次顶推后新建天桥第4次顶推单元(包含导梁、第一次拼装段、第二次拼装段、第三次拼装段和第四次拼装段)在组拼胎架上进行组拼，拼装长度10.8 m，总拼装长度102.94 m，组拼后顶推总重量407 t。

工序五:新建天桥第4次顶推单元顶推到位后拆除局部导梁。

工序六:新建天桥第5个天窗点顶推到位后拆除剩余导梁。

工序七:新建天桥第6个天窗点顶推施工，并进行天桥姿态调整，顶推至图2g中位置。

工序八:天窗点拆除顶推施工滑靴，安装新建天桥固定支座并进行天桥卸载施工。

3.2 有限元数值模拟

采用墩动梁不动的思路建立钢桁梁有限元模型，导梁和钢桁梁均采用梁单元模拟，全桥共划分节点572个，单元965个，主要计算模型见图3。

图3 有限元模型示意

考虑到桥梁结构的受力情况变化，将钢桁梁桥的顶推施工划分为5个施工阶段，每个施工阶段按照1 m一个工况进行模拟。

(1)第一施工阶段钢桁梁桥第一次顶推单元顶推27.5 m，钢桁梁桥的前导梁前端落位B临时墩，第一个顶推天窗点总用时4 h；

(2)第二施工阶段钢桁梁桥第二次顶推单元顶推29.5 m，导梁前端落位C临时墩，第二个顶推天窗点总用时4 h，累积顶推57 m；

(3)第三施工阶段钢桁梁桥第三次顶推单元顶推26 m，钢桁梁桥的导梁前端顶推至基本站台上的临时墩，第三个顶推天窗点总用时4 h，累积顶推83 m；

(4)第四施工阶段钢桁梁桥第四次顶推单元首先顶推6.5 m，顶推到位后拆除局部导梁，接着顶推8.60 m，顶推到位后拆除剩余部分导梁，最后顶推9 m，钢桁梁桥前端顶推至设计桥位，总共顶推24.1 m，第四阶段总用时9 h，累积顶推107.1 m；

(5)第五施工阶段顶推设备拆除、落梁施工及落梁设备拆除。

3.3 模拟计算与现场监测对比分析

钢桁梁在设计时使用了多种假设和参量，而实际现场施工状况复杂多变，两者之间存在误差，计算出来的结果和实际施工达到的受力状态并不完全相符，因此有必要实时对钢桁梁的控制截面进行应力监测，从而为施工提供指导。本文通过顶推仿真分析模拟计算，在最不利工况下拟选取4个应力测试截面，如图4所示，每个断面对称布置4个应力测点，上弦杆2个，下弦杆2个，全桥共计16个测点。

图4 应力测点位置示意

梁顶推施工时，主梁在自重、施工荷载、温度等作用下，会产生应力，随着顶推距离变化，应力大小和属性(拉、压)也会发生改变。实际施工时全桥各构件均进行监控分析，由于每个测试截面测点对称布置，故本文选取 1、4、5、8、9、12、13、16 号测点的监测值与理论值进行对比分析，其中压应力为负，拉应力为正，如图5所示。

图5 应力监测结果

图5c表明累积顶推第57～80 m时，9号和12号测点所在的测试截面由于一直在拼装胎架上，故应力变化很小；累积顶推第81 m为第三跨最大悬臂时，该测试截面离开拼装胎架，因此9号和12号测点应力发生突变；累积顶推第81～101.1 m时，该测试截面仍处于第一跨，故下弦杆为拉应力，上弦杆为压应力；累积顶推第102.1～107.1 m时，该截面逐渐靠近B临时墩，下弦杆为压应力，上弦杆为拉应力，同时上弦杆拉应力逐渐增大，在累积顶推第105.1 m，下弦杆应力突然减小到-5.75 MPa，这是因为B临时墩靠近折线处，而测试截面距折线处有1 m，由于折线的作用，下弦杆压应力突然减小，累积顶推第106.1～107.1 m，B临时墩已过折线处，逐渐靠近测试截面，故下弦杆压应力逐渐增大。

分析结果表明:各测点应力实测值与理论值变化的趋势相同，从而验证了顶推过程中钢桁梁采用数值分析方法进行计算的合理性，同时保证了莆田站新建天桥完成了顶推施工。个别工况出现理论值与实测值偏差较大:1号测点应力在累积顶推第53.656 m为第二跨最大悬臂时，理论值21 MPa，实测值15.418 MPa，误差率为36%；在累积顶推第68 m时，5号测点应力理论值11.8 MPa，实测值18.168 MPa，误差率为35%，8号测点应力理论值-64.6 MPa，实测值-48.069 MPa，误差率为34%，这是由于在第68 m时，该测试截面落在B临时墩上，而导梁根部处于C临时墩上，在第三跨悬挑出了11 m，第一跨和第二跨之间只有B临时墩支撑天桥；累积顶推第73 m时，12号测点截面在拼装胎架上，应力理论值-2.31 MPa，实测值 -5.19 MPa，误差率为55%。由图中可以看出，个别工况误差较大，但是测点应力最大值均未达到其容许应力的80%，顶推施工过程中钢桁梁是安全的。

理论值与实测值相差较大的原因有施工过程中传感器位置变动以及顶推施工过程中主梁可能出现偏位等，鉴于该桥是空间双折线钢桁梁，在顶推过程中主梁偏位对内力的影响目前研究较少，接下来主要探讨顶推施工过程中偏位引起的斜度对主梁应力的影响。

3.4 空间双折线钢桁梁非对称顶推影响分析

为分析非对称顶推过程中对主梁应力的影响，假定桥梁顶推施工时有一定的偏位，以0°应力为基准，考虑不同斜度(1°～10°)自重作用下顶推过程的应力变化情况。由于天桥在平、立面都存在弯折线形，故本文选取折线段下弦杆的16号测点进行分析，如图6所示。

图6 16号测点应力变化

由图6可以看出:16号测点的应力基本上随着斜度的增大而增大。根据图6可以拟合观测应力与斜度关系的表达式:

根据公式可以总结出顶推过程中桥梁发生横向偏位对主梁内力影响的规律:与0°时的测点应力相比，桥梁偏位斜度为10°时，应力增加为110%；当斜度为20°时，应力增加为147%；当斜度为30°时，应力增加为209%；当斜度为40°时，应力增加为298%。分析表明:随着斜度的增加即天桥发生偏位，结构受力是非常不利的，因此需要采取措施防止天桥发生偏位，而根据应力比结果也可以推测顶推前进方向，从而达到控制施工风险的目的。

4 结束语

本文以莆田站新建天桥为工程背景，采用数值模拟和现场监测的方法进行对比，研究了空间双向折线钢桁梁桥顶推施工的受力过程，得到以下结论:

(1)通过对比，显示理论值与实测值变化趋势较为一致，且钢桁梁的最大应力皆在允许应力范围之内，强度满足要求，表明空间双折线钢桁架桥梁顶推施工方案是可行的，可为同类工程施工提供参照。

(2)通过探究非对称顶推过程中偏位对钢桁梁桥顶推的受力影响，总结出不同的倾角在顶推阶段对主梁应力的影响规律，结合施工监控，可控制非对称顶推施工过程的风险。