福元路湘江大橋梁拱組合橋頂推施工及受力研究

鄭建新，姜紅濤

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430040）

橋梁頂推施工法因其具有安全、優(yōu)質(zhì)、快速、經(jīng)濟、無干擾和場地少等優(yōu)點，已在國內(nèi)外中小跨徑橋梁上得到了廣泛應(yīng)用。長沙福元路湘江大橋主橋采用步履式多點自平衡頂推系統(tǒng)，將滑移面設(shè)置在頂推設(shè)備內(nèi)部，通過頂升、頂推和橫向糾偏油缸實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的頂推，避免了常規(guī)拖拉法以千斤頂通過鋼絞線拖拉（或直接通過頂推梁體上的滑塊）施加作用力，以結(jié)構(gòu)物在墩（臨時墩）滑道上滑移的方式來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)在空間位置上的水平移動的不足，解決了頂推動力和結(jié)構(gòu)物滑道（滑移面）兩種功能。本文結(jié)合工程實際，開展多孔鋼拱—結(jié)合梁組合體系橋帶拱整體頂推施工技術(shù)及受力研究。

1 工程概況及特點

1.1 工程概況

長沙福元路湘江大橋主橋為提籃式鋼拱—結(jié)合梁組合體系拱橋，孔跨布置為3×210 m，主梁連續(xù)，三跨拱肋支承于V墩上，支承跨徑組合為（188＋22＋188＋22＋188）m。主梁為等截面鋼-混結(jié)合梁，梁高4.5 m，全寬38.5 m，兩側(cè)鋼主縱梁間距28.6 m。拱肋截面為矩形，寬2.2 m，高3.2 m，內(nèi)傾12°，立面矢高43.784 m，兩側(cè)拱肋之間設(shè)矩形風撐連接，每跨設(shè)7道風撐。梁拱間按8.5 m間距布設(shè)吊桿。主橋總體布置如圖1所示。

圖1 主橋提籃式鋼拱—結(jié)合梁組合體系總體布置圖（單位：m）

1.2 工程特點

1）主橋鋼拱梁吊裝節(jié)段自重較大（最重達117 t），起升高度高（拱肋合攏段吊裝高度達58 m），對起重吊裝設(shè)備要求高；

2）鋼拱肋設(shè)計為空間扭曲線形，加工制作難度大；

3）拱肋支架高約40 m，在高空進行拱肋節(jié)段的吊裝、定位及精確調(diào)位，安全風險大；

4）永久結(jié)構(gòu)墩在頂推過程中受力非常敏感，為滿足永久結(jié)構(gòu)墩局部受力的要求，擬采用“步履式平移頂推系統(tǒng)”進行頂推施工；

5）三跨鋼拱梁整體頂推其結(jié)構(gòu)剛度變化大，頂推過程受力及變形復(fù)雜，對頂推施工及過程控制要求高；

6）頂推施工最大懸臂達94 m，主梁受力復(fù)雜，各類變形難以有效控制。

2 頂推施工

2.1 頂推線路布置

福元路湘江大橋主橋三跨鋼拱梁為半徑110000 m的豎曲線，因此頂推施工選擇半徑為110000 m的圓曲線為頂推路線。為減少頂推到位后的落梁高度，頂推施工時考慮支座墊石后澆，主墩各墩頂標高加頂推設(shè)備高度即為頂推時梁底標高，拼裝區(qū)頂推墩、岸上臨時墩、水中臨時墩等標高根據(jù)110000 m的圓曲線半徑調(diào)整。

2.2 頂推設(shè)備選型及頂推施工原理

根據(jù)設(shè)計要求，頂推施工時設(shè)備應(yīng)滿足最大豎向荷載1400 t，鋼拱梁順橋向均勻擴散長度不小于2.5 m，頂推施工過程中由主梁腹板受力，底板不受力，具有一定的豎向調(diào)節(jié)能力（不小于30 cm）及水平糾偏能力（不小于5 cm）。綜合考慮設(shè)計、頂推同步性、頂推支撐豎向荷載及不平衡水平力等要求，結(jié)合本橋結(jié)構(gòu)形式，采用步履式平移頂推設(shè)備進行頂推施工，該設(shè)備已在杭州九堡大橋成功實施了鋼拱梁整體頂推施工。

步履式平移頂推設(shè)備進行頂推的工作原理是豎向千斤頂頂起拱梁，水平千斤頂完成向前頂推，落梁后擱置于墊塊上，千斤頂回油完成一個行程的頂推工作，頂推過程是一個自平衡的頂推動作過程。

2.3 總體施工工藝

主橋總體施工工藝為：

1）鋼拱梁在工廠加工后運至現(xiàn)場，在鋼結(jié)構(gòu)拼裝區(qū)組拼成吊裝節(jié)段。

2）在橋位區(qū)搭設(shè)拼裝頂推支架平臺，安裝120 t龍門吊。

3）平板車運輸鋼拱梁吊裝節(jié)段至拼裝頂推平臺區(qū)，120 t龍門吊提升吊裝節(jié)段至拼裝平臺上，按“先梁后拱”的順序分節(jié)段在平臺上拼裝成形，單孔鋼拱梁拼裝主要包括主縱梁、小縱梁、端橫梁、中橫梁、鋼拱肋、風撐。

4）一孔鋼拱梁拼裝完后，安裝拱梁間臨時撐桿，拆除拱肋支架，采用頂推工藝將該孔鋼拱梁頂推出拼裝平臺210 m，然后拼裝、頂推下一孔鋼拱梁。

5）三孔鋼拱梁全部拼裝完成后，整體頂推到位。主橋頂推施工關(guān)鍵步驟如圖2所示。

圖2 頂推關(guān)鍵步驟圖

2.4 施工措施

三跨梁拱組合體系橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為滿足拼裝精度及頂推過程中結(jié)構(gòu)受力要求和控制成橋后變形，可合理設(shè)計拼裝平臺及臨時墩，確保拼裝平臺尺寸及強度、剛度、整體穩(wěn)定性滿足施工要求，確保臨時墩有足夠的安全儲備，并能適應(yīng)主縱梁底線形變化，設(shè)置調(diào)節(jié)系統(tǒng)保證梁底接觸良好及均勻受力。

頂推過程中涉及工況多，施工時制定詳細的監(jiān)控方案，對拼裝平臺、鋼拱梁各部位、鋼導(dǎo)梁等進行詳細的觀測及內(nèi)力測試，確保結(jié)構(gòu)的安全。

對每一跨拱梁尾部可能產(chǎn)生轉(zhuǎn)動變形或下?lián)系默F(xiàn)象，采取在前方頂推墩預(yù)先將拱梁頂升一定高度，使拼接處主梁末端下?lián)虾鬄榱阒c反力。

3 頂推施工全過程計算分析

根據(jù)本橋的結(jié)構(gòu)特點及施工工藝流程，頂推計算主要分析頂推過程中主體結(jié)構(gòu)、臨時結(jié)構(gòu)受力情況，以及各個頂推墩頂推過程中的支反力情況，以確保頂推過程主體結(jié)構(gòu)安全，并為臨時結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。

3.1 計算模型說明

采用midas civil建立空間有限元模型，拱肋、主縱梁、小縱梁、橫梁、橫撐、導(dǎo)梁、臨時撐桿均采用梁單元模擬，各構(gòu)件截面和實際結(jié)構(gòu)相同，臨時撐桿釋放梁端彎矩；前導(dǎo)梁長45 m，重量按每片210 t計算，后導(dǎo)梁長30 m，每片150 t計算，其中導(dǎo)梁前側(cè)5 m與主梁截面形式相同，后側(cè)截面采用線性變截面的方式進行模擬（前側(cè)抗彎慣矩為0.662 m4，后側(cè)抗彎慣矩為0.086 m4）。

根據(jù)計算工況的不同在對應(yīng)位置施加豎向和側(cè)向約束，如計算支點反力為負，則釋放該位置約束。為防止縱橋向計算位移過大，在主梁端部施加縱向約束。

全橋頂推重量為13250 t，主結(jié)構(gòu)按設(shè)計圖紙分配重量，人行道托架、吊桿重量及風撐裝飾模型采用節(jié)點荷載加在梁上。計算模型如圖3所示。

圖3 頂推計算模型圖

3.2 頂推分析結(jié)果

頂推計算基本步長取為8 m，同時在拱梁結(jié)合端過墩、主拱或主梁受力較大、臨時撐桿過墩、支反力較大時，頂推步長均相應(yīng)減小。整個頂推過程共分為222個工況進行計算。

3.2.1 支反力

圖4為主梁（包括導(dǎo)梁）各個斷面頂推過程中所經(jīng)歷的最大豎向反力。表1列出了各頂推墩對應(yīng)最大反力值及工況。

圖4 頂推過程中各斷面所經(jīng)歷的最大豎向反力

表1 頂推過程各墩最大反力結(jié)果

頂推過程主梁上所承受的最大豎向反力為13625.4 kN，位于第一跨距前拱角48 m處主梁位置。前導(dǎo)梁上承受的最大豎向反力為7951.1 kN，位于導(dǎo)梁根部；后導(dǎo)梁上承受的最大豎向反力為6272.6 kN。

主墩所承受最大反力為13625.4 kN，水中臨時墩所承受最大反力為13389.8 kN，拼裝區(qū)臨時墩所承受最大反力為10532 kN。

3.2.2 主梁

1）應(yīng)力

頂推過程主梁應(yīng)力包絡(luò)圖如圖5所示。頂推過程主梁最大組合應(yīng)力為142 MPa（A4到達PM18），出現(xiàn)在距第一跨前端拱角62.25 m處（LS1墩處）主梁截面上緣位置；最小組合應(yīng)力為-175.9 MPa（A5到達PM19西），出現(xiàn)在距第一跨前端拱角24.75 m處（LS1墩處）主梁截面下緣位置。

圖5 頂推過程中主梁應(yīng)力包絡(luò)圖

2）變形

頂推過程主梁變形包絡(luò)圖如圖6所示。頂推過程主梁最大撓度為-226.5 mm（第二跨尾部與PD2脫離），出現(xiàn)在第二跨尾部；最大上拱為20.0 mm（單跨頂推48.75 m），出現(xiàn)在第一跨尾部。

圖6 頂推過程中主梁變形包絡(luò)圖

3.2.3 主拱

1）應(yīng)力

頂推過程主拱應(yīng)力包絡(luò)圖如圖7所示。頂推過程主拱最大組合應(yīng)力為169.5 MPa（后導(dǎo)梁與PM18脫離），出現(xiàn)在A1、B1型臨時撐桿對應(yīng)主拱截面上緣位置；最小組合應(yīng)力為-145 MPa（后導(dǎo)梁與PM18脫離），出現(xiàn)在A1、B1型臨時撐桿對應(yīng)主拱截面下緣位置。

2）變形

頂推過程主拱變形包絡(luò)圖如圖8所示。頂推過程主拱最大撓度為-186.5 mm（后導(dǎo)梁與PM18脫離），出現(xiàn)在第三跨后拱角位置；最大上拱為6.6 mm（C5到達PM20東），出現(xiàn)在距第一跨后拱角7.5 m位置。

圖7 頂推過程中主拱應(yīng)力包絡(luò)圖

圖8 頂推過程中主拱變形包絡(luò)圖

3.2.4 臨時結(jié)構(gòu)

1）導(dǎo)梁

在頂推施工中，導(dǎo)梁的參數(shù)對于鋼拱梁的受力有很大的影響，合理確定導(dǎo)梁的設(shè)計參數(shù)，能夠減小主梁在施工過程中的內(nèi)力。結(jié)合本橋梁—拱組合復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系頂推，避免頂推過程前（后）端導(dǎo)梁在滑道上出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，使導(dǎo)梁均勻受力，盡量減小鋼拱梁的內(nèi)力與變形，導(dǎo)梁剛度宜大，長度宜長。

頂推過程中導(dǎo)梁應(yīng)力、變形及極值對應(yīng)工況如表2所示。

表2 頂推過程中導(dǎo)梁應(yīng)力及變形結(jié)果

從表2可知，導(dǎo)梁應(yīng)力較大，且最不利位置均出現(xiàn)在根部截面。前導(dǎo)梁前端下?lián)狭枯^大，施工時可通過各豎向支撐油缸的調(diào)整將梁體頂起使導(dǎo)梁上翹，待導(dǎo)梁完全架在前方墩頂?shù)捻斖蒲b置上后，通過調(diào)整支撐油缸將鋼拱梁標高調(diào)到規(guī)定值。

2）撐壓桿

鋼拱梁結(jié)合體在頂推施工過程中，作用在墩身及臨時墩上的支點反力較大，為保證鋼拱梁在頂推過程中支點處不至于撓曲變形過大而損壞，保證在頂推過程中拱肋和主縱梁共同受力，在拱梁拼裝完成后，在拱肋與主縱梁之間安裝臨時撐壓桿，臨時撐壓桿與拱肋和主縱梁之間采取鉸接。頂推過程中各撐壓桿最大軸力如表3所示。

表3 撐壓桿最大軸力kN

從表3可知，A型撐壓桿最大軸壓力為11256 kN，最大軸拉力為4472 kN；B型撐壓桿最大軸壓力為5562 kN，最大軸拉力為5039 kN；C型撐壓桿最大軸壓力為2267 kN，最大軸拉力為864 kN。

4 結(jié)語

本文結(jié)合長沙福元路湘江大橋主橋工程，分析該工程的特點及頂推施工相關(guān)問題，對頂推施工全過程進行了計算分析，可以得出以下結(jié)論：

1）可通過拼裝平臺縱向長度、橫向?qū)挾?，基礎(chǔ)、立柱及上部縱橫梁強度、剛度、整體穩(wěn)定性的合理設(shè)計來保證鋼拱梁拼裝精度的要求。

2）拱梁結(jié)合段前端靠近墩頂或后端脫離墩頂時、導(dǎo)梁及撐壓桿過墩時，主體結(jié)構(gòu)及臨時結(jié)構(gòu)受力和變形均較為不利，施工時應(yīng)加強這些工況的監(jiān)測。

3）通過臨時墩、撐壓桿及導(dǎo)梁等的合理設(shè)置，可確保頂推過程中梁拱組合體系結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形在容許范圍內(nèi)。

4）采用步履式多點自平衡頂推系統(tǒng)，可實現(xiàn)三跨梁拱組合體系頂推施工，為步履式平移頂推系統(tǒng)的推廣應(yīng)用起著重要作用。

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