类双层PC箱梁新型顶推导向纠偏装置设计及配重影响研究

周泽箭

(广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司， 广东 广州 510507)

0 前言

桥梁顶推施工最早来源于钢桥结构的纵向拖拉法，我国于1974年在狄家河铁路桥首次将桥梁顶推法应用于实际工程中[1]。桥梁顶推施工法对顶推过程中的导向及纠偏措施要求较高，准确的导向及纠偏方案可以确保桥梁在顶推过程中始终处于支撑墩柱的中心线上，避免桥梁因较大的横向偏移而发生梁体失稳或局部破坏的现象。对此，专家学者展开了一系列研究。陈立锋等[2]采用旋转法横向顶推纠偏技术实现了对桥梁的顶推纠偏，并保证了施工过程中的安全可靠性；田世清等[3]在研究已有顶推纠偏技术的基础上采用多点数控同步顶推设备对桥梁进行纠偏复位；徐飞等[4]结合工程实际验证了双循环逐级加载顶推技术的效果；许冰等[5]针对连续曲线梁桥顶推中的实际问题，基于仿真计算结果给出了纠偏方案，保证了桥梁顶推纠偏施工的可行性。

以上研究所涉及的桥梁多为对称规则箱梁截面，对不规则类双层PC箱梁顶推施工中的纠偏技术鲜有涉及，本文以双幅类双层PC连续箱梁桥为工程背景，设计了一种针对此类截面形式的新型顶推导向纠偏装置，并通过理论和有限元计算分析了配重效应对支撑墩柱上左右两侧滑道反力的影响，可为今后类似工程提供借鉴。

1 类双层PC箱梁顶推纠偏原因分析

1.1 顶推施工控制点

PC箱梁顶推施工工艺较为成熟，主要施工步骤是在沿桥梁主梁轴线上设置钢导梁、临时墩滑道等限位装置和千斤顶顶推施力装置，分不同节段将已预制的PC箱梁用纵向预应力筋进行连接，采用分段顶推的方式将PC箱梁逐步顶推至预定位置，循环往复直至所有节段箱梁顶推完毕。PC箱梁顶推施工工艺并不复杂，但施工过程中的关键环节控制十分重要,主要有：

1) 临时墩设置。PC箱梁在顶推施工时存在“适用跨度”问题，为保证顶推过程中的支点负弯矩满足设计要求，在梁截面尺寸和预应力钢束强度一定的情况下，需要增设临时墩以确保钢导梁和PC箱梁在顶推过程中的抗倾覆要求。

2) 钢导梁安装。钢导梁的控制内力需要根据导梁与箱梁连接的最大正负弯矩和下缘最大支反力确定，且刚度宜为主梁的1/5～1/9，合理的设置钢导梁的内力及刚度可以有效控制PC箱梁的最大悬臂负弯矩，使其与使用状态负弯矩接近。

3) 顶推导向及纠偏控制。顶推过程中的导向装置和纠偏装置是顶推成功的关键，纠偏装置可以控制梁体在顶推过程中始终处于顶推中线的规定范围内，确保主梁不发生过大横向偏移，保证顶推施工的安全。

1.2 纠偏原因分析

PC箱梁顶推过程中，桥墩的受力如图1所示。主梁在顶推过程中分别承受自重G、启动力P、顶推牵引力T、桥墩支反力N和相对摩擦力f，根据对桥墩的受力分析，PC箱梁在顶推过程中会因如下3个因素造成偏移。

1) 当主梁重心G未作用于桥墩几何中心时，主梁对桥墩产生偏载，同一桥墩上支反力N1≠N2，此时摩擦力计算公式f=μN，同一桥墩上的上下游摩擦力f1≠f2，主梁会发生横向侧移；

2) 当顶推牵引力T未作用于主梁截面中心线上时，牵引力T会对主梁施加一个转动力矩，造成主梁的横向偏移；

3) 当主梁重心G作用于桥墩几何重心，且牵引力T作用于主梁截面中心线上，但同一桥墩上下游截面摩擦系数μ1≠μ2时，同样会造成上下游摩擦力f1≠f2，导致主梁发生横向偏移。

图1 桥梁顶推受力示意

1.3 常用纠偏装置缺陷

目前箱梁顶推施工中常用的导向纠偏装置有导向轮和楔形导向滑板2种。

导向轮导向纠偏装置由型钢反力架和普通平滚组成，通过在主梁和平滚间布置或撤销钢板控制梁体的顶推方向，并达到纠偏效果，其优点为单次纠偏幅度较大，无需对梁体进行频繁导向，缺点为导向轮纠偏装置为被动导向，纠偏过程中会增大顶推摩擦阻力，容易造成梁体的破坏。

楔形导向滑板纠偏装置由型钢反力架和双侧木楔组成，主梁顶推过程中连带木楔向前滑移，梁体随顶推过程按要求进行横向移动，以实现主动导向的效果。其优点为主动导向，且易于实现，缺点为导向过程需要时刻进行，若梁体横向偏移过大则会造成反力架与梁体间距减小，阻碍梁体移动。

2 双幅类双层PC箱梁新型顶推导向与纠偏装置设计

以上纠偏装置仅针对规则截面PC箱梁的直线段顶推施工，无法应用于变截面甚至复杂截面的PC箱梁直线段或曲线段顶推过程，基于此，本文对某类双层双幅PC箱梁顶推施工展开研究，设计了一种适用于双幅类双层PC箱梁顶推的导向及纠偏装置。

2.1 装置构造

双幅类双层连续刚构桥箱梁外侧为人行道梁板，普通限位装置无安装空间，本文通过以下几步重新设计双幅类双层顶推导向及纠偏装置：

1) 反力架与限位装置设置。由于箱梁侧向无反力架安装位置，将反力架支撑于桥墩外侧，采用将钢板放置于人行道梁板外侧的方式对PC箱梁进行限位固定，双幅梁内腹板外侧用型钢连接，实现左右两幅的横向限位，与其他限位装置不同，本文内侧腹板限位装置为轴向受力构件，避免了悬臂受弯构件因横向力过大产生的破坏。反力架设置如图2所示，内外侧限位装置如图3所示。

图2 反力架安装示意

(a)内侧限位装置

(b)外侧限位装置

2) 横向纠偏力的提供。为避免以往顶推过程中出现的单点横桥向力过大问题，新型纠偏装置采用多点纠偏的方式进行调整，根据“杠杆原理”确定纠偏力的施加位置，改善以往装置纠偏时间长的缺点，提高装置纠偏效率。如图4所示，纠偏控制力分别通过通风口张拉钢束、内侧翼缘千斤顶和底部拉锚器三者共同提供，根据实际情况合理布置纠偏力提供装置可实现对箱梁顶推过程的精确纠偏。

图4 横向纠偏力示意

2.2 配重计算

以某大桥类双层PC箱梁左幅顶推工程为例，计算新型顶推装置下需要的配重力大小。如图5所示，箱梁高3.8 m，顶板悬臂板分别长5.15、3.5 m，端部厚分别为0.3、0.4 m，底板悬臂板长3.97 m，端部厚0.18 m，顶、底板均为0.3 m，腹板为0.85 m。

图5 主梁截面尺寸(单位： cm)

为平衡因类双层PC箱梁非对称形成的重量，采用施加配重的方式确保顶推平衡，根据力及力矩平衡方程有：

(1)

式中：FL、FR分别为左侧滑道、右侧滑道的反力合；dL、dR分别为左、右滑道到质心的垂直距离；G为PC箱梁与钢导梁自重；

平衡箱梁左侧重量，确定配重值，如式(2)所示。

{G1=GA-GB

G2=Gc

Gp=G1+G2

(2)

式中：GA、GB、GC分别为对应部分悬臂板的重量；Gp表示配重重量。

配重后重新建立力及力矩平衡方程，可求得配重前后左右滑道的反力差，如式(3)所示：

(3)

3 配重效应有限元仿真分析

采用Midas Civil软件建立左幅钢箱梁有限元模型，通过两点受压弹性支撑模拟左右滑道，配重以偏心均布荷载的方式施加在主梁上，偏心距为7.77 m，顶推模型如图6所示，临时墩柱布置如图7所示。

图6 有限元模型

图7 临时墩柱布置(单位： m )

图8给出了配重前后两侧滑道的反力及反力合有限元计算结果，配重前有限元计算反力差为7035.5 kN，理论反力差为7 390 kN，相对偏差5.3%；配重后有限元计算反力差为350.8 kN，理论反力差为369.02 kN，相对偏差5.2%；配重前后的左右滑道反力合均与理论值计算相同，综上可知，有限元计算结果与理论计算结果处于合理计算偏差以内，均为有效值。

图8 配重前后两侧滑道反力

为确定各临时支撑所提供的反力对配重的敏感程度，选取6#、8#临时墩和E4桥墩为研究对象，图9分别给出了各临时墩在顶推过程中的滑道反力差，数值为零时表示主梁与滑道之间无相互作用力。由图9可知，配重对不同临时支撑墩柱的作用效应均存在一定差别，分析原因为：① 由于计算方式不同，理论与有限元计算对结构重心的位置计算存在偏差；② 理论计算时考虑全梁段的配重荷载，而有限元计算仅考虑主梁段的配重荷载。

(a) 6#临时墩反力

(b) 8#临时墩反力

(c) E4墩反力

临时墩6在配重前后反力差平均降幅达到75.7%，当主梁顶推至50 m时反力差降幅达到最大，约为3 175.1 kN；8#临时墩配重前后反力差变化最小，且当主梁达部分顶推距离时，出现配重后滑道反力差大于配重前的情况，分析原因可能是8#临时墩与E4桥墩相邻，E4桥墩的存在改变了8#临时墩的受力机理；E4墩对配重效应最为敏感，当主梁顶推至48 m位置时，E4墩左右两侧滑道反力差从配重前的4 025.6 kN降低至45.6 kN，最大降幅为98.9%，且配重后E4墩在整个顶推过程中的反力差都维持在较小水平，配重效应明显。

4 结论

以某双幅类双层PC箱梁顶推施工为工程背景，首先通过分析顶推施工过程中的问题确定纠偏的关键控制点，其次根据梁截面实际情况设计了新型导向与纠偏装置，并分析了配重对顶推过程中两侧滑道反力差的影响，得到如下结论。

1) 对于类双层PC箱梁，传统的顶推导向及纠偏装置很难适应施工需求，新设计的导向及纠偏装置摆脱了传统限位装置悬臂受力的特点，具有更强的可靠性，且横向纠偏装置可以根据实际情况进行合理布置，以实现对箱梁顶推过程的精确纠偏。

2) 配重前后理论值与有限元数值计算结果存在约5%左右的相对偏差，配重效应整体吻合，计算结果表明通过配重方式可以解决非对称箱梁截面因支反力不等而引起的桥梁横向偏位问题。

3) 由于超静定结构内力重分配现象的存在，不同支撑墩柱对配重的敏感程度各不相同，大部分支撑墩柱反力差均有大幅度下降，但个别支撑墩在部分顶推阶段出现了配重后反力差大于配重前的情况，需在工程中引起重视。