于进江1 暴艳2
1 京张城际铁路有限公司 北京 100070；2 北京经纬信息技术有限公司 北京 100081
摘要：京张高铁官厅水库特大桥采用一台计算机控制的多点同步顶推施工，为了控制桥梁施工质量及保证桥梁建设安全，在施工过程中进行实时施工监控。首先安装桥梁多点同步顶推和施工监控设备，并建立桥梁有限元仿真模型，模拟顶推施工过程，然后与施工监控实测数据进行对比分析，实时进行桥梁施工安全预警，并指导施工及优化施工方案。结果表明，实时施工监控有助于桥梁多点同步顶推施工的实施，能够准确及时地验证桥梁顶推施工的有效性和安全性。该监控方法具有推广价值，可以供同类型桥梁顶推施工参考。
关键词：京张高铁；官厅水库特大桥；多点同步顶推施工；施工监控；有限元分析
Abstract：The Guanting Reservoir Bridge of Beijing-Zhangjiakou High-speed Railway is constructed by a computer controlled multi-point synchronous jacking. In order to control the quality of bridge construction and ensure the safety of bridge construction，real-time construction monitoring is carried out during the construction process. Firstly，the multi-point synchronous jacking and construction monitoring equipment are installed，and the finite element simulation model of the bridge is established to simulate the jacking construction process. Then，the safety early warning of the bridge construction is carried out in real time by comparing the calculated results with the measured data of the construction monitoring，and the construction scheme is guided and optimized. The results show that the real-time construction monitoring is helpful to the implementation of multi-point synchronous jacking construction of bridge，and can accurately and timely verify the effectiveness and safety of the bridge jacking construction. The monitoring method has popularization value and can be used as reference for the jacking construction of similar bridges.
Key words：Beijing-Zhangjiakou high-speed railway；Guanting reservoir bridge；Multi-point synchronous jacking construction；Construction monitoring；Finite element analysis
北京至张家口铁路位于北京市西北、河北省北部境内，东起北京市，途经北京市海淀区、昌平区和延庆区，由延庆县康庄镇入河北省境内，跨官厅水库，经怀来县、下花园区、宣化区，西迄张家口市，呈东西向沟通两市。线路自北京北站引出，终至既有张家口南站，正线全长173.964km，其中北京市境内70.503km，河北省境内103.461km。
官厅水库特大桥是京张铁路上的重点控制性工程之一，该桥位于张家口市怀来县境内，在官厅水库大坝上游16.7km处跨越官厅水库。新建京张铁路康庄至下花园区段设计速度目标值为350km/h，官厅水库特大桥即位于这一区段内。350km/h速度目标值对官厅水库特大桥提出了极高要求。官厅水库特大桥见图1所示。
图1 官厅水库特大桥
1.官厅水库特大桥施工特点
官厅水库特大桥全长9077.89m，其中主桥采用8孔110m简支曲弦钢桁梁。每孔钢桁梁支点跨度108m，结构总长109.7m。主桁采用变高的曲弦桁式，跨中桁高19m，宽13.2m，节间长10.8m。桥面系采用正交异性钢桥面板，钢桥面板上挡砟墙内侧铺设20cm厚混凝土道砟槽板。该桥首次在350km无砟轨道线路中采用多孔大跨度简支钢桁梁的桥梁结构形式。
本线在施工图设计阶段采用有砟轨道，后变更为无砟轨道。而此时主梁结构已经部分施工完成，故主梁主体结构未做大的调整。本次官厅主桥8孔110m简支钢桁梁上铺设CRTSⅠ型双块式无砟轨道。时速350公里的多孔大跨度简支钢桁梁上应用无砟轨道在国内外尚属首例。
由于官厅水库是北京市的一级备用水源地，环保要求高，库区无大型运输船舶和浮吊，支架法、浮拖法、浮运法、整孔吊装法不适用于本桥；简支拱型钢桁梁桥上部结构纵桥向的高度、刚度变化大，桁架顶面难以布设架梁吊机和吊索塔架，后端配重悬臂拼装法、吊索塔架辅助悬臂拼装法等方法也不适用于本桥。因此，本桥施工采用钢梁计算机控制多点同步顶推法，即由一个主控制柜控制钢梁顶推施工，以确保钢梁顶推的整体性、同步性，保证钢梁顶推施工时主墩受力均衡、不超限，同时使钢梁施工更加安全、可控。
2.桥梁顶推施工法
2.1桥梁顶推施工法
桥梁顶推施工原理是沿桥纵轴方向的台后设置预制场，分阶段预制梁体，通过水平千斤顶施力，借助滑道、滑块，将梁逐段向前顶推，就位后落梁，更换正式支座。
桥梁顶推施工可以分为单点顶推和多点顶推两种方法[1]。官厅水库特大桥采用多点顶推法，其优点是任何阶段都能提供必须的顶推动力，在顶推过程中水平千斤顶对墩台的水平推力同梁体作用在墩台上的摩擦力相平衡，有利于桥墩安全。但是必须保证多台千斤顶同步工作，而且可以分级调压，使作用在墩顶的水平力不超过设计允许值。
国内很多学者对桥梁顶推施工进行了研究，通过有限元仿真分析了桥梁顶推施工的受力特点。
冯祁[2]对官厅水库特大桥主桥的顶推施工进行了模拟验算，采用单桁平面模型和双桁空间模型两种不同的模型模拟钢梁施工过程。对比两种模型验算结果，最大应力值相差不大，主桁杆件在顶推过程中强度和稳定性均满足规范要求。
张培炎[4]对顶推施工法的几个关键问题进行了探讨，并对钢箱梁在顶推施工过程中的关键部位受力进行了详细分析研究。采用ANSYS建立空间梁-壳-实体-接触混合有限元计算模型，对某桥梁顶推过程中最不利工况进行空间应力分析。将计算结果与现场实测值对比，结果吻合良好。
刘川[5]基于大型通用有限元软件Ansys和Midas对顶推施工的过程进行仿真计算，以此方法对国内某自锚式悬索桥钢箱梁顶推施工阶段做了仿真分析，结果表明该方法对顶推过程进行仿真具有较好的精度和可靠性。
白烜宁[3]以某主跨156m的铁路钢桁梁桥为背景，对该桥顶推法施工过程的应力及变形的监控工作进行研究。通过使用MIDAS有限元分析软件对桥梁顶推施工过程各阶段的应力和变形状态进行了数值分析。同时采用应力传感器对桥梁顶推施工过程进行了应力测量。通过对MIDAS计算结果和实测值的分析比较，二者数据基本保持一致。通过比较，达到了施工监控的目的，从而保障了该大跨度桥梁的安全施工。
官厅水库特大桥采用多点同步顶推法施工，并进行了施工监控。下面首先介绍顶推施工过程，并通过有限元仿真分析和监控实测值对比，说明采用的多点同步顶推法的有效性和安全性。
2.2官厅水库特大桥顶推施工
京张高铁官厅水库特大桥钢梁采用单向顶推施工方案。在张家口侧设置拼装支架，拼装支架可同时设置导梁+2孔钢梁，钢梁由张家口侧向北京侧顶推，钢桁梁顶推施工时前端设置长度为57.2m的桁架式钢导梁。
首先在拼装支架上利用1台80t龙门吊机和2台50t汽车吊，向张家口侧拼装导梁及第1孔钢梁，拼装完毕后，向北京侧顶推该孔钢梁至设计位置，在拼装支架空出位置继续拼装第2孔钢梁，拼装完成后再顶推，待两孔钢梁顶推至设计位置后，在支架空出位置依次拼装第3、4孔钢梁，拼装完成后再顶推，如此两孔依次循环，完成8孔钢梁的顶推。铁路道碴槽板及桥面系施工在主桥钢梁架设完毕后进行。
钢桁梁顶推过程中，采用计算机控制多点同步顶推技术，利用油管、电线、数据线将多台泵站、千斤顶、传感器和主控制柜连接，实现一台主控制柜内的计算机同步控制布置在多个墩顶的多套顶推系统，主控制柜控制多台千斤顶同步施加顶推水平力，实现钢梁顶推前移就位。
控制系统能够实现多点或单点控制，每台千斤顶设置水平力限制，当水平力超过限值时控制系统自动启动溢流阀泄压，从而实现墩身水平力不超限。
桥梁8孔顶推时，一台计算机控制布置在5个墩顶的10台250t水平连续千斤顶，主墩、边主墩墩顶连续千斤顶分别设置170t、120t水平荷载限值，实现钢梁稳步顶推前移的同时墩身水平荷载不超限，将钢梁顶推稳步顶推至设计平面位置。官厅水库特大桥计算机控制多点同步顶推施工如图2所示。
图2 官厅水库特大桥计算机控制多点同步顶推施工
3.桥梁顶推有限元模型分析
3.1有限元模型
为了准确模拟官厅水库特大桥在顶推施工过程中的受力状态，采用MIDAS Civil对桥梁进行有限元建模。模型共有节点4622个，单元6580个，采用梁单元模拟桥梁桁架。钢桁梁材料为Q370qE，屈服强度为370MPa，弹性模量为2.1×105MPa，泊松比为0.3[6][7]。官厅水库特大桥单跨立面见图3，桥梁有限元模型见图4。
图4 官厅水库特大桥有限元模型
3.2桥梁有限元分析结果
以桥梁第一跨顶推过程为例，对桥梁有限元模型进行分析计算。桥梁第一跨和导梁结构模型见图5所示。
图5 官厅水库特大桥第一跨和导梁结构模型
对桥梁第一跨的整个顶推过程进行模拟分析，顶推过程包括10.8m、21.6m、32.4m、43.2m、54m、64.8m、75.6m、86.4m、97.2m和110m共10个工况。各工况的结构应力见图6所示，图中所示桁架为变形后的结构。在顶推施工过程中，桥梁第一跨桁架最大应力为102.9MPa，发生在顶推10.8m时，位于E4’E3’杆件的跨中端。顶推中的桁架最大应力未超过屈服强度370MPa，满足规范要求。
（i）顶推97.2m （j）顶推110m
图6 桥梁第一跨各顶推工况应力图
4.桥梁顶推实测数据分析
为了保证桥梁顶推施工的安全可靠，在顶推施工过程中，对桥梁的拼装应变、顶推挠度、顶推应变、临时墩沉降和临时墩应变进行了监测。其中，顶推应变是影响桁架安全的最重要参数。
经有限元分析可知，桥梁顶推过程中最大应变发生在桁架的1/2下弦杆右幅E5E4’、左幅E5E4’、1/2竖杆右幅A5E5、左幅A5E5、1/2斜杆右幅A5E4’、左幅A5E4’、左幅E3’E2’、1/4竖杆右幅E3’A3’、左幅E3’A3’、1/4斜杆右幅A3’E2’、左幅A3’E2’、1/4上弦杆右幅A3A4、左幅A3A4处，对这些桁架杆件进行顶推应变监控。将实测顶推应变与有限元模型计算结果进行对比，可以实时监控桥梁顶推施工的状态，避免发生危险。这里仅对1/2下弦杆右幅E5E4’、1/2竖杆右幅A5E5和1/2斜杆右幅A5E4’进行顶推施工各阶段的应力对比，见图7所示。
（c）1/2斜杆右幅A5E4’
图7 桥梁顶推施工有限元理论值与实测值对比
由数值对比可知，桥梁第一跨桁架顶推施工过程中，有限元分析理论值与应变片实测值基本吻合，趋势一致，说明顶推施工过程符合理论情况，结构状态良好。小部分实测值与理论值差异较大，甚至有数值符号相反的情况。这是由于桥梁顶推施工过程复杂，有限元模型的边界条件与实际顶推过程并不完全相符所致。
所有应变片实测值均小于钢桁架屈服强度370MPa，满足规范要求，桥梁在顶推施工过程中始终保持安全状态。
5.结论
（1）京张高铁官厅水库特大桥钢梁采用计算机控制多点同步顶推施工方案。其优点是任何阶段都能提供必须的顶推动力，在顶推过程中水平千斤顶对墩台的水平推力同梁体作用在墩台上的摩擦力相平衡，有利于桥墩安全。但是必须保证多台千斤顶同步工作，而且可以分级调压，使作用在墩顶的水平力不超过设计允许值。
（2）桥梁第一跨桁架最大应力为102.9MPa，发生在顶推10.8m时，位于E4’E3’杆件的跨中端。顶推中的桁架最大应力未超过屈服强度370MPa，满足规范要求。
（3）桥梁顶推施工过程中，有限元分析理论值与应变片实测值基本吻合，趋势一致，说明顶推施工过程符合理论情况，结构状态良好。小部分实测值与理论值差异较大，甚至有数值符号相反的情况。这是由于桥梁顶推施工过程复杂，有限元模型的边界条件与实际顶推过程并不完全相符。
（4）所有实测值均小于钢桁架屈服强度370MPa，满足规范要求，桥梁在顶推施工过程中始终处于安全状态。
（5）通过桥梁多点同步顶推施工监控，能够有效实时监控桥梁结构在施工中的状态，及时发现并纠正出现的问题，保证桥梁多点同步顶推施工的有效性和安全性。该监控方法具有推广价值，可以供同类型桥梁顶推施工参考。
参考文献：
[1] 张晓东.桥梁顶推施工技术[J].公路，2003，9.
[2] 冯祁. 官厅水库特大桥拱形钢桁梁顶推主桥应力控制技术[J].铁道勘察，2016，6.
[3] 张培炎. 桥梁顶推施工过程受力分析及关键问题研究分析[D].西南交通大学，2014.
[4] 刘川. 钢箱梁顶推法施工过程仿真分析[J]. 交通世界，2013，4.
[5] 白烜宁.大跨钢桁梁桥顶推施工过程受力分析及控制技术研究[D].兰州交通大学，2014.
[6] 桥梁用结构钢GB/T 714-2015 [S].中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会，2016.
[7] 铁路桥梁钢结构设计规范TB 10091-2017/J 461-2017[S].国家铁路局，2017.
论文作者:于进江1,暴艳2
论文发表刊物:《建筑细部》2019年第13期
论文发表时间:2019/12/3
标签：桥梁论文; 官厅论文; 水库论文; 多点论文; 大桥论文; 桁架论文; 钢梁论文; 《建筑细部》2019年第13期论文;