蘭州深安黃河大橋主橋頂推施工分析

李涵軍

（宏潤建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，上海市200235）

1 工程概況

蘭州深安黃河大橋主橋采用下承式蝶形鋼拱疊合梁橋，跨徑156 m，橋?qū)?6.5 m，梁高3.5 m，吊索間距8 m，主墩采用V型墩[1]。主橋的效果圖如圖1所示。

圖1 蘭州深安黃河大橋主橋效果圖

根據(jù)施工現(xiàn)場情況，橋址處黃河水流較急，在汛期水位也比較高，而河床以下100 m范圍內(nèi)均為中密～密實(shí)狀態(tài)的③5層卵石，水流對河床的沖刷也相對比較嚴(yán)重，河中成樁比較困難。

一般情況下跨河橋梁鋼結(jié)構(gòu)的施工，可采用先搭設(shè)滿堂支架或少支架、然后在支架上拼裝鋼結(jié)構(gòu)的施工方法；但是，對于該橋，由于特殊的地質(zhì)與水文情況，如采用以上施工方法，水流對支架與河床的沖刷帶來的施工風(fēng)險比較大，施工措施費(fèi)也比較高，必須減少水中支架的施工量。

經(jīng)過詳細(xì)的施工方法比選，蘭州深安黃河大橋主橋采用岸上組拼鋼結(jié)構(gòu)部分（鋼主梁與鋼拱肋），然后采用頂推施工的方法，把鋼結(jié)構(gòu)頂推到位，最后進(jìn)行吊桿和橋面板的安裝[2]。

2 頂推施工方案與計算工況

該方法利用“頂”、“推”的兩個步驟交替進(jìn)行，先將整體鋼箱橋面托起；向前推送；之后將橋體置于臨時墩上；頂推油缸縮缸到底，繼續(xù)實(shí)現(xiàn)下一個循環(huán)。通過往復(fù)頂推步驟的循環(huán)，最終將主橋送到預(yù)定的位置。頂推機(jī)械結(jié)構(gòu)的頂升油缸安裝于下部結(jié)構(gòu)內(nèi)，支撐面在臨時墩上，下部結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)之間通過安裝聚四氟乙烯板和不銹鋼板進(jìn)行滑動，滑動時頂升油缸和下部結(jié)構(gòu)相對于臨時墩不動。

根據(jù)施工方案[2]，在黃河北岸北濱河路以北的拼裝區(qū)將主橋和主拱拼裝完畢，由北向南沿頂推方向布置臨時墩，利用臨時墩和頂推設(shè)備完成整跨的頂推。綜合考慮所處環(huán)境和結(jié)構(gòu)受力等因素，該施工過程共布置8組16個臨時墩。其中，河中布置L8、L9兩組臨時墩，加上位于主承臺PM17外側(cè)的臨時墩L7及岸上的L6，這4組臨時墩采用樁基礎(chǔ)；岸上的L1～L5臨時墩采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。另外，在主承臺PM16處布置一組簡易設(shè)備。頂推時，在橋的頂推方向有前導(dǎo)梁引導(dǎo)橋體的頂推，同時尾部設(shè)有后導(dǎo)梁?？傮w布置如圖2所示。

圖2 拼裝支架、臨時墩立面布置圖

頂推施工專業(yè)單位根據(jù)頂推過程中的不同狀態(tài)列舉了表1中的20種工況[3]。

表1 頂升施工過程的工況說明一覽表

經(jīng)分析比較，該項(xiàng)目保留了大部分的工況，個別未計算和補(bǔ)充計算的工況如下：

（1）取消了工況10、工況15和工況16的計算，因上述工況利用的臨時墩與相鄰工況一致，結(jié)構(gòu)相對臨時墩的位置也變化不大；

（2）工況18后面增加一個繼續(xù)滑移5 m的工況，下文稱為“工況18A”，用于計算前導(dǎo)梁到達(dá)L9后的整體受力情況；

（3）工況19后面增加一個繼續(xù)滑移5 m的工況，下文稱為“工況19A”，用于計算前導(dǎo)梁到達(dá)L10后的整體受力情況。

各計算工況對應(yīng)的支點(diǎn)情況見表2所列。

究其原因，通常地應(yīng)力大小與鉆孔卸壓范圍呈正比例關(guān)系[19]。因此，水平地應(yīng)力較小時，控制孔的卸壓范圍有限，其控制作用不明顯；隨著水平地應(yīng)力的增大，控制孔足以影響到壓裂孔，裂隙定向擴(kuò)展效果明顯。

表2 各計算工況對應(yīng)的支承位置一覽表

3 計算模型及考慮的因素

采用MIDAS軟件建立空間桿系模型，計算模型如圖3所示，模型共劃分3 557個單元，模型考慮了各構(gòu)件相互之間的實(shí)際幾何相對關(guān)系，能夠真實(shí)反映結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度。

圖3 頂推方案計算模型

計算模型考慮結(jié)構(gòu)自重和施工階段風(fēng)載。其中，主橋重量：按設(shè)計圖紙計入隔板、加勁及臨時加固撐桿等構(gòu)件后共3 284 t；導(dǎo)梁重量：按方案設(shè)計圖紙，前、后導(dǎo)梁均按132 t記；風(fēng)荷載：按照施工階段、蘭州地區(qū)10 a一遇風(fēng)速19.5 m/s，風(fēng)荷載按《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》（JTG/T D60-1-2004）計算。荷載組合參照方案設(shè)計要求，縱、橫向風(fēng)按不同方向包絡(luò)疊加后與自重組合。

計算模型中，臨時墩處的豎向支承按剛性考慮；將水平方向考慮為彈性支承，彈簧剛度按橡膠塊與臨時墩的串聯(lián)剛度取用，L6～L9還同時按m法考慮了樁基的水平彈簧剛度，L10僅考慮橡膠塊的剛度。各臨時墩頂水平向的綜合剛度見表3所列。

表3 臨時墩頂水平剛度一覽表（單位：kN/m）

4 工況分析結(jié)果

由于文章篇幅所限，本文不再列出每個計算工況的結(jié)果（具體計算結(jié)果可參考文獻(xiàn)[4]），下文將頂推過程中的臨時墩最不利反力和鋼結(jié)構(gòu)及導(dǎo)梁各構(gòu)件的應(yīng)力變化趨勢，以及結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行匯總。

4.1 臨時墩最不利反力

根據(jù)頂推過程中各工況的計算，將各臨時墩可能出現(xiàn)的最不利反力進(jìn)行匯總，詳見表4所列。

表4 最不利反力匯總表（單位：kN）

由表4可見，L1～L6臨時墩的最大豎向反力相差不多，L8在工況20下出現(xiàn)最大8 553 kN的豎向力；水平力而言，橫橋向普遍較順橋向大一些，考察計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，橫橋向最大水平力都是支承在導(dǎo)梁上出現(xiàn)的，因?yàn)閷?dǎo)梁主肢間基本無橫向聯(lián)系，建模時按分離的單元考慮，截面橫向抗彎和抗扭剛度都很小，而支點(diǎn)橫橋向位置與截面形心不重合，豎向反力會產(chǎn)生扭矩，需要支座的橫橋向水平力來平衡，在導(dǎo)梁主肢間設(shè)置橫向聯(lián)系、大幅度提高主肢的抗扭剛度后，橫向水平力可明顯減小，因此，可以認(rèn)為臨時墩的設(shè)計仍是受順橋向水平力控制。

4.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力

圖4～圖6所示為主橋鋼結(jié)構(gòu)與導(dǎo)梁各主要構(gòu)件在頂推過程中的應(yīng)力變化情況。

圖4 拱肋應(yīng)力匯總曲線圖

圖5 橋面系應(yīng)力匯總曲線圖

圖6 導(dǎo)梁應(yīng)力匯總曲線圖

由圖4可見，在整個頂推過程中，拱肋及橫向連桿的應(yīng)力水平都不高，拉壓應(yīng)力均在80 MPa以內(nèi)，臨時撐桿在個別工況下應(yīng)力較大，工況19下出現(xiàn)最大壓應(yīng)力158 MPa；由圖5可見，除主梁在工況19A和工況20下出現(xiàn)126 MPa的壓應(yīng)力外，橋面系構(gòu)件的拉、壓應(yīng)力基本在100 MPa以內(nèi)；由圖6可見，導(dǎo)梁主肢在個別工況下出現(xiàn)約200 MPa的應(yīng)力，其原因前文已做分析，提高主肢橫向剛度和抗扭剛度后，應(yīng)力水平會有明顯改善，聯(lián)系桁架主桿壓應(yīng)力水平偏高一些，分析發(fā)現(xiàn)較大應(yīng)力均出現(xiàn)在主肢附近，建議適當(dāng)提高與主肢連接處的桁架桿件規(guī)格。

4.3 結(jié)構(gòu)變形

表5列出了主橋鋼結(jié)構(gòu)各主要構(gòu)件與導(dǎo)梁在頂推過程中的豎向位移變化情況。

表5 結(jié)構(gòu)豎向位移匯總一覽表（單位：mm）

由表5可見，頂推過程中，拱肋變形在37 mm～50 mm之間、主梁變形在13 mm～44 mm之間，變形量和變化幅度都不是很大；導(dǎo)梁懸臂端受支點(diǎn)位置影響較大，變形為32 mm～316 mm。

5 結(jié)語

針對蘭州深安黃河大橋主橋頂推施工方案，頂推施工單位對頂推過程進(jìn)行了詳細(xì)的分析，而工程總包單位在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了仔細(xì)的結(jié)構(gòu)復(fù)核工作，根據(jù)計算復(fù)核結(jié)果，提出了一些關(guān)于導(dǎo)梁設(shè)計的優(yōu)化建議。

在具體的頂推施工過程中，在工程總包單位的協(xié)調(diào)管理下，頂推專業(yè)單位與施工監(jiān)控單位對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了監(jiān)控，以事先的計算結(jié)果為依據(jù)來指導(dǎo)頂推施工，使監(jiān)控實(shí)測結(jié)果和理論分析結(jié)果保持一定的吻合度，確保頂推施工過程中結(jié)構(gòu)的安全。

主橋鋼結(jié)構(gòu)于2013年10月順利地頂推到位，其成功的經(jīng)驗(yàn)可為其它類似橋梁的施工所借鑒。

[1]上海市政工程設(shè)計研究總院.蘭州市深安黃河大橋工程主橋施工圖設(shè)計文件[R].2011.

[2]宏潤建設(shè)集團(tuán)股份有限公司.蘭州市深安黃河大橋工程主橋施工組織設(shè)計文件[R].2012.

[3]上海同新機(jī)電控制技術(shù)有限公司.蘭州深安黃河大橋主橋頂推施工計算書[R].2012.

[4]宏潤建設(shè)集團(tuán)股份有限公司.蘭州市深安黃河大橋工程主橋頂推方案復(fù)核計算報告[R].2012.