蘭州某跨鐵路橋鋼桁梁頂推施工方案及受力特性分析

王立學(xué)，曾海權(quán)

（蘭州市政建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

在既有電氣化鐵路運(yùn)輸繁忙區(qū)段修建跨鐵路橋梁，車輛行車速度快、間隔短，難以提供鋼桁梁架設(shè)施工的場(chǎng)地、時(shí)間，且存在施工和行車安全等風(fēng)險(xiǎn)[1]。采用鋼桁梁頂推施工技術(shù)，利用場(chǎng)外施工場(chǎng)地，優(yōu)化工藝流程，可以規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，減少施工與運(yùn)輸?shù)南嗷ビ绊慬2,3]。橋梁施工方案的合理性是關(guān)系到工程安全、建設(shè)成本的重要環(huán)節(jié)。頂推施工過程中需要架設(shè)平臺(tái)、安裝鋼導(dǎo)梁等多種臨時(shí)結(jié)構(gòu)[4-6]。由此，本文旨在研究跨鐵路大跨度鋼桁梁頂推施工技術(shù)與工藝流程要點(diǎn)，優(yōu)化施工過程中結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，并節(jié)約工程造價(jià)，做到施工過程安全可控。

1 頂推施工工藝及方案

1.1 工程概況

本項(xiàng)目為蘭州市北環(huán)線西延段工程。采用雙幅鋼桁梁，主梁全長(zhǎng)59.8 m，計(jì)算跨度59 m，簡(jiǎn)支于兩側(cè)橋臺(tái)墩上。主桁桁高8 m，桁寬19.8 m，節(jié)間長(zhǎng)度5.9 m。上下弦弦桿均采用箱形截面，腹桿采用工形截面，平聯(lián)橫撐采用箱形截面，其余平聯(lián)及橫聯(lián)采用工形截面。本次采用端部加裝導(dǎo)梁頂推安裝到位，頂推總重量約為1 389 t，累積頂推距離為94.4 m。鋼桁梁立面布置見圖1，橫斷面布置見圖2。

圖1 鋼桁梁立面圖

圖2 鋼桁梁橫截面圖（單位：mm）

1.2 工程難點(diǎn)

蘭州樞紐組鐵路為電氣化鐵路，車輛行車速度快。工程施工涉及工務(wù)段、電務(wù)段、供電段、通信段、車務(wù)段等多個(gè)部門，協(xié)調(diào)難度大.蘭州北濱河1號(hào)橋跨鐵路60 m先懸臂后簡(jiǎn)支，鋼梁跨度大，重量大，施工難度大。施工設(shè)備鄰近既有線，防止設(shè)備侵限，防止墜物，確保行車安全是本工程的重點(diǎn)。

1.3 鋼桁梁頂推施工工藝

1.3.1 拖拉式多點(diǎn)頂推施工

目前國(guó)內(nèi)橋梁較常用的頂推施工工藝一般采用拖拉式多點(diǎn)連續(xù)頂推法（簡(jiǎn)稱拖拉法），拖拉法通過張拉千斤頂牽拉鋼絞線，拖動(dòng)梁段在臨時(shí)支墩頂設(shè)置的滑道上滑移，牽引梁體安裝就位。

頂推施工需要設(shè)置滑道系統(tǒng)（四氟滑板、鋼墊梁等）、牽引系統(tǒng)（穿心式連續(xù)液壓千斤頂、頂推反力架、牽引索、拉錨器等）和豎向調(diào)節(jié)系統(tǒng)（豎向千斤頂、鋼墊塊）等，見圖3～圖5。

圖3 拖拉法頂推施工圖

圖4 拖拉法施工滑道系統(tǒng)圖

圖5 拖拉法施工千斤頂

拖拉法施工優(yōu)缺點(diǎn)：

（1）通過鋼絞線牽引的方式實(shí)現(xiàn)鋼箱梁的平移，橋墩所受的水平載荷為支反力與摩擦力抵消后的合力，理論上該合力較小，但由于各支點(diǎn)受力不均，存在一定的水平力。

（2）在鋼箱梁的平移過程中，每個(gè)橋墩承受的豎向載荷不斷變化，摩擦力也會(huì)相應(yīng)變化，需要根據(jù)摩擦力的大小來不斷調(diào)整牽引力，以防止水平載荷過大，所以必須嚴(yán)格保證泵站調(diào)壓的獨(dú)立性。

（3）工藝成熟，施工速度較快。

1.3.2 技術(shù)難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施

（1）鋼梁的安裝、頂推線形

在安裝頂推過程中，由于豎曲線的影響會(huì)導(dǎo)致頂推滑道與鋼梁之間出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。通過按鋼梁線形設(shè)置不同高度的滑靴，讓滑靴底面在同一水平高度，使鋼梁在行進(jìn)過程中保持水平，滿足頂推線形。

（2）頂推墩水平力控制

初步考慮設(shè)置1個(gè)頂推墩，為1號(hào)主墩處頂推墩。在頂推前一階段，1號(hào)主墩處頂推墩不起作用，拼裝平臺(tái)上的頂推設(shè)備起到水平頂推作用，此時(shí)各個(gè)頂推滑道上均受到大小不一的水平力，需要對(duì)水平力進(jìn)行計(jì)算和監(jiān)控，防止某處承受過大的水平力。在拖拉過程中通過調(diào)節(jié)泵站油壓閥，使油壓控制在安全值內(nèi)，防止壓力過大。

（3）主梁鋼結(jié)構(gòu)局部失穩(wěn)

鋼結(jié)構(gòu)在拖拉施工過程中，鋼梁腹板不僅受彎曲壓應(yīng)力和剪應(yīng)力作用，而且受支承反力的集中的荷載。尤其是59 m跨度的頂推施工，需要對(duì)腹板做屈曲計(jì)算分析。

1.3.3 頂推施工工藝流程

頂推施工工藝流程見圖6。

圖6 頂推施工工藝流程

工序1：安裝拼裝平臺(tái)、滑道梁、墩旁支架。

工序2：拼裝全部鋼桁梁及42 m鋼導(dǎo)梁。

工序3：?jiǎn)?dòng)拖拉設(shè)備試拖拉，正常后開始正式拖拉。拖拉8 m后停止拖拉，過程中割除滑靴1件。此時(shí)進(jìn)入鐵路保護(hù)線內(nèi)導(dǎo)梁重量約24.3 t，外側(cè)重量約791.9 t。

工序4：拖拉16 m后停止拖拉。過程中割除滑靴1件。此時(shí)進(jìn)入鐵路保護(hù)線內(nèi)導(dǎo)梁重量約72.9 t，外側(cè)重量約743.3 t。導(dǎo)梁前端下?lián)霞s71 mm。

工序5：拖拉16 m后停止拖拉。過程中割除滑靴1件。此時(shí)進(jìn)入鐵路保護(hù)線內(nèi)導(dǎo)梁重量約121.7 t，外側(cè)重量約694.5 t。導(dǎo)梁前端下?lián)霞s100 mm。

工序6：拖拉16 m后停止拖拉。通過手搖千斤頂輔助導(dǎo)梁上1號(hào)墩，導(dǎo)梁上墩后即可松開塔架鋼絲繩并拆除。過程中割除滑靴2件。此時(shí)進(jìn)入鐵路保護(hù)線內(nèi)導(dǎo)梁重量約330.1 t，外側(cè)重量約486.1 t。導(dǎo)梁上墩前，前端最大下?lián)?42 mm。

工序7：拖拉16 m后停止拖拉，在1號(hào)墩處利用液壓千斤頂頂升鋼梁，通過人工將隨鋼梁滑移至前端的滑靴拉回滑道梁后端并重復(fù)。過程中割除滑靴1件。

工序8：拖拉16 m后停止拖拉，在1號(hào)墩處利用液壓千斤頂頂升鋼梁，通過人工將隨鋼梁滑移至前端的滑靴拉回滑道梁后端并重復(fù)。過程中割除滑靴1件。

工序9：拖拉6.4 m后拖拉到位，在1號(hào)墩處利用液壓千斤頂頂升鋼梁，通過人工將隨鋼梁滑移至前端的滑靴拉回滑道梁后端并重復(fù)。過程中割除滑靴1件。

工序10：分段拆除導(dǎo)梁（南側(cè)鋼梁進(jìn)入橫移階段，北側(cè)鋼梁進(jìn)入落梁階段）。

工序11：通過落梁千斤頂及鋼墊塊進(jìn)行落梁完成。

1.4 鋼桁梁頂推施工方案

1.4.1 頂推施工總體布置

（1）頂推平臺(tái)縱向長(zhǎng)度確定

該項(xiàng)目需要根據(jù)場(chǎng)地及交通條件，綜合選定頂推平臺(tái)的跨度布置；如果頂推平臺(tái)太短，則需要多次頂推和拼裝施工，鋼梁在鐵路上空懸空的時(shí)間過長(zhǎng)。由于60 m鋼桁梁一次拼完，及導(dǎo)梁長(zhǎng)度42 m，擬設(shè)置拼裝平臺(tái)為104 m。

（2）頂推施工對(duì)鋼主梁的影響

在頂推施工過程中，當(dāng)導(dǎo)梁即將上到1號(hào)墩時(shí)，此時(shí)懸臂最大。主梁承受最大的負(fù)彎矩和剪力。需要對(duì)主梁，尤其是腹板的屈曲進(jìn)行分析和計(jì)算。

1.4.2 頂推施工關(guān)鍵工藝流程

（1）橫移主要流程

南側(cè)鋼梁因?yàn)槠囱b場(chǎng)地原因，需在拖拉到位后進(jìn)行橫移使鋼梁到達(dá)設(shè)計(jì)位置。橫移與縱向拖拉方法一致，利用橫向滑道梁、滑靴及拖拉千斤頂將鋼梁橫向移動(dòng)。

步驟1：通過豎向千斤頂將鋼梁頂起，取出縱向滑靴，并在橫向滑道梁上放置橫向滑靴，落下鋼梁在橫向滑靴上并焊接固定。

步驟2：分別安裝0號(hào)臺(tái)和1號(hào)墩兩側(cè)拖拉千斤頂及鋼鉸線并預(yù)緊。

步驟3：同步啟動(dòng)千斤頂開始拖拉2.7 m。

步驟4：拖拉到位后拆除千斤頂及鋼鉸線進(jìn)入落梁階段。

（2）卸載落梁主要流程

利用單液壓頂落梁施工，須根據(jù)墊石支座高度、梁底部標(biāo)高，配置合適的裝備。在鋼桁梁完成所有拼裝和拖拉后進(jìn)行整聯(lián)落梁。鋼桁梁在落梁前需完成支座的安裝，利用墩蓋梁放置落梁千斤頂進(jìn)行落梁。用高度為YS-DS-350型超高壓千斤頂進(jìn)行落梁。其本體高度為285 mm，行程50 mm，能滿足落梁要求。

步驟1：桁頂推滑移到位后在距離支座1.3m位置橫梁處（橫梁此處提前加固）安裝卸載墊塊和4臺(tái)卸載油缸。

步驟2：利用4臺(tái)卸載油缸將桁頂推頂起，脫離滑道，拆除滑道和臨時(shí)支架。

步驟3：安裝支座，在主梁起頂鋼墊板下方放置鋼墊板。

步驟4：利用鋼墊板和卸載油缸下兩組墊塊交替抽取將桁頂推落梁到位。

（3）導(dǎo)梁拆除主要流程

鋼梁頂推到位后，需要對(duì)導(dǎo)梁進(jìn)行拆除。導(dǎo)梁的拆除采用75 t汽車吊吊裝，分節(jié)段拆除的方法。每一吊裝分段重約20 t。

導(dǎo)梁拆除步驟如下：

步驟1：利用汽車吊吊裝節(jié)段一上下平聯(lián)、橫聯(lián)，將平橫聯(lián)與主桁架焊縫割開后吊至地面。

步驟2：利用汽車吊吊裝節(jié)段一主桁架，將節(jié)段一與節(jié)段二焊縫割開后吊至地面。

步驟3：利用汽車吊吊裝節(jié)段二上下平聯(lián)、橫聯(lián)，將平橫聯(lián)與主桁架焊縫割開后吊至地面。

步驟4：利用汽車吊吊裝節(jié)段二主桁架，將節(jié)段二與主梁焊縫割開后吊至地面。

2 鋼桁梁頂推施工受力特性分析

2.1 計(jì)算荷載

荷載：軟件自動(dòng)計(jì)算自重，通過修改容重使模型重量與實(shí)際鋼梁重量相符。

荷載組合：1.2自重+1.0風(fēng)荷載（按該處常年風(fēng)速27 m/s計(jì)算）。

2.2 計(jì)算模型

采用有限元進(jìn)行建模計(jì)算[7]，具體模型和計(jì)算如下所述。

（1）主梁

全橋?yàn)殍旒苁浇Y(jié)構(gòu)，主梁全長(zhǎng)59.8 m，計(jì)算頂推跨度57 m，簡(jiǎn)支于兩側(cè)橋臺(tái)墩上。主桁桁高8 m，桁寬19.8 m，節(jié)間長(zhǎng)度5.9 m。上下弦弦桿均采用箱形截面，腹桿采用工形截面，平聯(lián)橫撐采用箱形截面，其余平聯(lián)及橫聯(lián)采用工形截面。其計(jì)算模型見圖7。

圖7 主梁計(jì)算模型

（2）導(dǎo)梁

導(dǎo)梁由2片變高度H形鋼主梁桁架組成，橫向中心距19.8 m，導(dǎo)梁縱向長(zhǎng)41.3 m，尾端高度與鋼桁梁上下桁對(duì)應(yīng)一致。前端設(shè)置臺(tái)階逐級(jí)抬高300 mm，便于導(dǎo)梁上墩。兩片主梁之間設(shè)有圓管組成的橫向聯(lián)系和上、下平面聯(lián)系，將整個(gè)導(dǎo)梁形成整體。其計(jì)算模型見圖8。

圖8 導(dǎo)梁計(jì)算模型

（3）計(jì)算工況

臨時(shí)墩及滑靴主要為主橋頂推時(shí)，用于支撐主橋、滑移施工的臨時(shí)支撐體系。根據(jù)臨時(shí)墩及滑靴布置情況,進(jìn)行以下七種工況計(jì)算.

工況1：主桁梁及導(dǎo)梁拼裝完；

工況2：導(dǎo)梁完全懸臂；

工況3：導(dǎo)梁即將上1號(hào)墩；

工況4：導(dǎo)梁完成上1號(hào)墩；

工況5：主梁即將上1號(hào)墩；

工況6：主梁完成上1號(hào)墩；

工況7：導(dǎo)梁完全拆除。

（4）各工況計(jì)算結(jié)果

各個(gè)工況下，主梁及導(dǎo)梁應(yīng)力及變形計(jì)算結(jié)果見圖9～圖22。

圖9 梁?jiǎn)卧獞?yīng)力計(jì)算

圖10 變形計(jì)算

圖11 梁?jiǎn)卧獞?yīng)力計(jì)算

圖12 變形計(jì)算

圖13 梁?jiǎn)卧獞?yīng)力計(jì)算

圖14 變形計(jì)算

圖15 梁?jiǎn)卧獞?yīng)力計(jì)算

工況1：主桁梁及導(dǎo)梁拼裝完

工況2：導(dǎo)梁完全懸臂

圖16 變形計(jì)算

圖17 梁?jiǎn)卧獞?yīng)力計(jì)算

圖18 變形計(jì)算

圖19 梁?jiǎn)卧獞?yīng)力計(jì)算

圖20 變形計(jì)算

圖21 梁?jiǎn)卧獞?yīng)力計(jì)算

工況3：導(dǎo)梁即將上1號(hào)墩；

工況4：導(dǎo)梁完成上1號(hào)墩；

工況5：主梁即將上1號(hào)墩；

工況6：主梁完成上1號(hào)墩；

工況7：導(dǎo)梁完全拆除。

（5）各工況計(jì)算結(jié)果分析

各工況應(yīng)力及位移計(jì)算結(jié)果匯總見表1。

由表1分析可得如下結(jié)果：

（1）導(dǎo)梁最大應(yīng)力184.1 MPa（工況六）；導(dǎo)梁最大位移：142.3 mm（工況三導(dǎo)梁聯(lián)接系）。

（2）主梁最大應(yīng)力94.4 MPa（工況四）；主梁最大位移：38.7 mm（工況五）。

（3）主梁、導(dǎo)梁主桁架材質(zhì)為Q345，其容許應(yīng)力為210 MPa，導(dǎo)梁聯(lián)接系材質(zhì)為Q235，其容許應(yīng)力為160 MPa，均滿足要求。

3 結(jié)論

（1）針對(duì)跨既有鐵路蘭州市北濱河西延段工程，采用大跨度鋼桁梁頂推施工技術(shù)，有效的利用場(chǎng)外施工場(chǎng)地，優(yōu)化工藝流程，較大程度的規(guī)避了風(fēng)險(xiǎn)，減少施工與運(yùn)輸?shù)南嗷ビ绊憽?/p>

（2）通過對(duì)頂推施工技術(shù)與工藝流程的詳細(xì)分析，確定了重點(diǎn)和難點(diǎn)，抓關(guān)鍵工序，做到施工過程安全可控。

（3）基于對(duì)頂推結(jié)構(gòu)施工過程中各工況受力計(jì)算分析，對(duì)主梁和導(dǎo)梁布置及結(jié)構(gòu)局部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。計(jì)算結(jié)果表明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足需要，并相對(duì)節(jié)約了工程造價(jià)。

（4）由于施工過程相對(duì)復(fù)雜，在總體施工方案確定的情況下，還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)各個(gè)具體施工環(huán)節(jié)的檢查和監(jiān)測(cè)，尤其注意以下關(guān)鍵問題，如：頂推過程中頂推力監(jiān)控；梁體的中線偏移和墩頂?shù)乃健⒇Q向位移，在頂推過程需用千斤頂及時(shí)調(diào)整；墩頂位移觀測(cè)；鋼梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異響或者明顯變形情況；頂推速度控制，以便糾偏及縱移到位。