三角變截面輕型桁架導梁設計與頂推施工關鍵技術

李吉勇

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200433

自1959年頂推法施工成功地應用于奧地利Ager預應力混凝土連續(xù)梁橋后，因頂推法施工具有安全、優(yōu)質(zhì)、快速、經(jīng)濟、不需支架和占用場地少等優(yōu)點，在國外的中等跨徑橋梁中被廣泛采用。

我國最早采用頂推法的是1974年狄家河4×40 m的預應力混凝土連續(xù)梁單線鐵路橋。隨著交通工程建設和市政工程建設的發(fā)展，橋梁跨徑不斷增大，向著更長、更寬和更柔的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的混凝土箱梁橋已經(jīng)越來越難以滿足實用要求，鋼箱梁在大型橋梁中的應用日趨普遍。鋼箱梁由于采用高強材料，構件質(zhì)量輕、強度高、運輸安裝簡捷，是大跨橋梁的理想橋型。鋼箱梁用于橋梁的結構形式其主要優(yōu)點有橋式整體性好，外形美觀大方，行車和行走平穩(wěn)，沖擊性小，結構輕巧，跨越能力大，施工便捷，工程造價適中。

目前在頂推施工方法以及相關問題的研究中，對混凝土箱形梁頂推方面做了大量的工作，且取得了相當多的成果；對鋼箱梁的頂推和分析也介紹了一些，但由于鋼箱梁自身的特性（接口連接復雜、無預應力、局部問題復雜），從而使得對鋼箱梁頂推的研究還需進一步探討。

1 工程概況

溫州七都北汊橋工程主橋為（58＋102＋360＋102＋58） m的5跨半漂浮體系的雙塔中央索面鋼混疊合梁斜拉橋，如圖1所示。該橋橋面寬37.6 m，屬于特大型橋梁。

圖1 溫州七都北汊橋工程主橋總體布置

引橋七都側跨徑布置為2×52 m＝104 m（23#～25#墩），如圖2所示。道路平曲線均為直線，最大縱坡3.48%，雙向六車道，單幅橋梁全寬15.95 m（2.7 m人行道＋0.5 m防撞欄＋12.25 m車行道＋0.5 m防撞欄），中央分隔帶寬5.56 m，引橋不通航。七都側鋼箱梁劃分為11個節(jié)段，永嘉為32個節(jié)段，鋼箱梁標準長9 m。節(jié)段最大質(zhì)量 為85 t。

七都側引橋24#～25#墩由于存在防洪堤及該處地貌高地不平，上部結構施工時該跨場地條件受限。故該側引橋采用頂推導梁法進行施工，在22#—24#墩區(qū)域搭設臨時支架，分段安裝鋼箱梁結構。

圖2 七都側引橋立面布置

2 導梁頂推方案比選及設計

2.1 導梁方案比選

目前，實際工程中采用的鋼導梁結構形式主要有以下3種：由桿件拼成的桁架導梁、由翼板和腹板組裝成的箱形導梁、變截面工字形鋼導梁。

其中，桁架導梁自重較輕，鋼材用量少，拆除后可重復利用，利用率高，經(jīng)濟性較好。箱形導梁梁截面的抗彎和抗扭剛度均較大，整體性好，但鋼材用量多，故梁體自重較大，運輸、保存較困難。變截面工字形鋼導梁制作簡單、操作方便，剛度大，可承受較大彎矩，但運輸、保存困難，拼裝及后期拆除時需用大噸位吊車配合，頂推施工完成后導梁無其他用途。結合本橋梁工程施工期間各類型鋼等臨時構件較多，后續(xù)施工過程中各類桿件的重復利用率高，從現(xiàn)場安裝便利性及經(jīng)濟性綜合考慮，本工程導梁采用三角變截面的桁架導梁形式。

2.2 三角桁架導梁尺寸控制要點

結合相關類似工程實踐，導梁的設計關鍵尺寸控制主要包括導梁與頂推跨徑比l0/L[1]、導梁與鋼箱主梁的剛度比（E0I0）/（EI）、最大頂推導梁懸臂狀態(tài)下的抗傾覆性、懸臂段最大位移控制及導梁與主梁的連接接頭處理。

本工程頂推跨徑為52 m，導梁度控制36 m，導梁與頂推跨徑比l0/L＝0.69[1]。為確保導梁最大懸臂狀態(tài)抗傾覆性，采用變截面的三角桁架控制導梁的抗傾覆性安全系數(shù)K＝2.3＞1.3。導梁與鋼箱主梁的剛度比結合相關工程案例一般控制為1/15～1/10，而變截面三角桁架導梁結構因其高度不斷在變化，截面剛度也在變化，為此采用懸臂最大撓度控制法，在最大相等跨度懸臂狀態(tài)下，設置三角桁架導梁的最大撓度與不設導梁下主梁的最大撓度比為1/9進行 控制。

2.3 三角桁架導梁結構尺寸確定

結合上述導梁設計控制要點及原則，本工程導梁采用變截面的三角桁架導梁。鋼導梁材質(zhì)采用Q235，導梁下弦桿主梁采用H700 mm×300 mm×13 mm×24 mm型鋼，上弦桿主梁采用H588 mm×300 mm×12 mm×20 mm型鋼，后端焊接到橫隔板上，長度36 m。豎向支撐桿為H588 mm×300 mm×12 mm×20 mm，為保證橫向連接穩(wěn)定，每隔4 m設置橫向連桿，連桿為22a#工字鋼及雙拼22a#槽鋼。因主梁設有2%橫坡，為方便導梁與主梁連接，將導梁末節(jié)段上翼緣板也設置2%橫坡。導梁主要結構如圖3、圖4所示。

圖3 導梁前立面

圖4 導梁底平面

主梁與導梁的端口連接處是導梁最大負彎矩處，為保證端口的強度，導梁與主梁橫隔板縱向加勁肋采用全斷面實腹鋼板連接，并增設橫向加筋板，側向鋼板和主梁腹板封閉以確保穩(wěn)定。由于端口連接復雜，加工前采用BIM進行三維實體1∶1建模，進行各細部尺寸的放樣。連接構造具體如圖5所示。

圖5 導梁連接端口三維

3 三角桁架導梁頂推施工關鍵控制技術

3.1 臨時支架設置

導梁臨時支架設置在22#～24#墩之間，鋼箱梁拼裝過程中用鋼支架作為豎向支撐。臨時支架主要由φ700 mm@10 mm的鋼管、三拼45a#工字鋼橫向分配梁、雙拼HN700 mm×300 mm設備平臺、雙拼HM600 mm× 300 mm拼裝縱梁組成。由于本導梁施工過程中支架需承受頂推過程中的推力，故臨時支架上下設置2道橫向連桿，橫向連桿采用雙拼16#槽鋼。

3.2 頂推支座設置

導梁頂推共設置4個頂推點[2]，其中3個頂推點設置在永久墩23#墩、24#墩、25#墩墩頂，另外1個頂推點設置在23#～24#墩之間的臨時鋼管支墩上，具體布置如圖6所示。頂推支座采用步履式千斤頂。

圖6 頂推支座布置示意

3.3 頂推施工主要流程

頂推主要施工流程為：支架搭設完成→鋼箱梁運輸就位→依次吊裝鋼箱梁（22#—24#）→焊接導梁→頂推約17 m→25#接收墩接收→二次吊裝→焊接→二次頂推到位（約52 m）→落梁→澆筑23#、25#墩頂混凝土塊→橋梁上部結構施工。

3.4 導梁頂推施工控制要點

3.4.1 導梁頂推大坡度縱向標高控制

本工程引橋鋼箱梁有約3.48%的縱坡，大坡度的縱向頂推控制是施工控制的關鍵。在施工前，先對頂推施工的受力情況作理論分析，確保施工的可行性及安全性，同時，在箱梁后端設置縱向限位系統(tǒng)，每次頂推完畢后，除鎖定千斤頂以外，利用限位系統(tǒng)確保鋼箱梁結構的穩(wěn)定。

根據(jù)導梁設計計算，導梁處于最大懸臂狀態(tài)時，最大撓度為400 mm，因此導梁加工時，底部主梁設置400 mm的反向預拱度。迎墩時，先將迎墩千斤頂縮缸到底，根據(jù)迎墩高差設置對應的墊梁，再利用迎墩千斤頂將鼻梁頂起，越過步履頂推滑箱后，將滑箱行程回位，卸掉迎墩千斤頂荷載，將力轉(zhuǎn)移到滑箱，迎墩完成以后，把墊塊恢復到頂推狀態(tài)，并投入該墩的步履頂推設備。

3.4.2 控制臨時墩等結構水平載荷

在頂推施工過程中，整套設備順橋方向和橫橋方向的水平推力均來自液壓油缸推力，其反作用力與上下部的摩擦力大小相等，方向相反，正好抵消。在計算機的控制下，步履式頂推設備可以調(diào)節(jié)頂推加速度大小，從而使頂推過程極其平穩(wěn)，減少慣性載荷。施工間歇靜止過程中，鋼箱梁結構長度長，易受溫度變化的影響，熱脹冷縮產(chǎn)生的伸縮量較大。在長時間靜止時，除最前端支點外，其他全部落在頂推設備上，利用步履式頂推設備的上下部滑移結構，消除溫度引起的水平載荷。

3.4.3 步履頂推設備頂舉千斤頂?shù)耐叫?/p>

豎向頂舉頂活塞伸出時，頂推滑箱和梁被頂起，此過程主控臺除了控制集群頂舉千斤頂?shù)慕y(tǒng)一動作之外，還要通過安裝在滑道和墊梁之間的位移傳感器監(jiān)測頂升的高度，保證各頂舉頂?shù)耐健?/p>

頂舉采取位移控制為主、壓力控制為輔的同步控制。豎向頂舉頂將主梁頂離墊梁、回縮時將主梁下降回落到墊梁的過程保持同步。每套頂推裝置安裝4套位移傳感器，同一墩臺以一側為基準，位移傳感器安裝在滑道和墊梁之間以監(jiān)測頂升的高度，此過程同步精度控制在4 mm之內(nèi)。

施工過程中：每套頂推裝置（2臺豎向頂舉千斤頂）上安裝2個壓力變送器，計算機可監(jiān)測各受力點的荷載變化情況，準確地協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的載荷分配。每個受力點的最高壓力、同一橋墩上各受力點之間的最大壓差可通過現(xiàn)場控制器、主控臺設定。當荷載達到設定值時，系統(tǒng)會自動停機，并報警示意。

3.4.4 步履頂推設備頂推過程中的糾偏

由于存在荷載分布不均和摩擦力大小不一的客觀情況，故當頂推過程中產(chǎn)生偏移現(xiàn)象時，可通過設置在滑箱側面的糾偏千斤頂實行糾偏。對于大跨度的箱梁來說，難免會出現(xiàn)懸臂端偏差不可控的情況，因此在實際施工過程中通常采用靜態(tài)糾偏的方式，在條件允許的情況下，采取主動限位的方式是最直接有效的方法。

3.4.5 落梁施工

落梁作為導梁頂推施工過程中的一個重要環(huán)節(jié)，頂推時梁體標高及線形盡量與成橋狀態(tài)接近，以減少起落梁高度，盡量使起落梁高度在一個千斤頂行程范圍內(nèi)，避免多次抄墊時因高差不一造成受力不均。

落梁千斤頂?shù)念~定能力控制不小于其設計承受荷載的1.5倍；并在梁體與橋墩間設置保險支墩。在千斤頂行程高度內(nèi)設置鋼墊塊。

梁體兩端落梁千斤頂采用單泵多頂方式并聯(lián)，并在每個千斤頂上設置截流閥，與油泵上的截流閥共同對落梁過程進行雙控。并聯(lián)千斤頂?shù)囊?guī)格、油管的長度及規(guī)格均應相同，確保梁體一端千斤頂終端壓力和頂升力相同且同步運行。

4 三角桁架導梁頂推各工況安全分析驗算

鋼箱梁頂推過程中施工工況較多，頂推階段各截面及支點受力也在不斷變化。為確保橋梁頂推施工過程中的安全，需對整個頂推過程各工況進行逐步計算。除考慮頂推過程中主梁內(nèi)力變化外，還需考慮各臨時墩支點反力變化[3]。

4.1 三角桁架導梁三維建模

采用Midas Civil軟件建立導梁施工各工況分析三維模型。為分析鋼箱梁局部節(jié)點應力，鋼箱梁采用梁板單元建立。導梁屬于桁架體系，模型建立采用梁單元方式建模。三維分析模型如圖7所示。

4.2 三角桁架導梁頂推各工況的變形、應力及支座反力分析

圖7 箱梁及導梁三維模型

對鋼箱梁導梁頂推關鍵工況下的導梁、鋼箱梁及頂推支座受力進行分析，根據(jù)有限元計算結果可知，溫州七都大橋引橋鋼箱梁采用三角桁架式輕型導梁頂推施工，最不利工況為導梁接收前最大懸臂狀況，此時導梁撓度為413 mm，對應工況導梁最大應力為161.4 MPa，鋼箱梁最大應力為115.2 MPa，各結構受力狀態(tài)良好。頂推過程中，各頂推支座豎向反力也不斷變化，支座最大反力為2 210 kN。

5 實施效果及實際變形對比分析

本工程采用三角桁架輕型導梁，施工過程嚴格按照既定導梁結構設計尺寸及施工工況，于2019年5月鋼箱梁頂推施工完成。在實際頂推施工過程中，當導梁達到最大懸臂狀態(tài)時導梁撓度最大，實測最大撓度為486 mm，與理論計算較為吻合?，F(xiàn)場施工效果如圖8所示。

6 結語

本文以溫州七都北汊橋引橋鋼箱梁導梁施工為背景工程，對多跨鋼箱梁三角變截面桁架輕型導梁頂推設計與施工關鍵技術進行研究，主要成果如下：

圖8 導梁頂推最大懸臂狀態(tài)工況

1）總結了三角桁架導梁結構設計參數(shù)控制要點，提出了三角桁架導梁懸跨比、變形比等參數(shù)設置建議。

2）形成了導梁頂推過程中各工況分析和節(jié)點分析的計算思路，確保了各工況頂推過程安全。

3）總結了多跨鋼箱梁三角變截面桁架輕型導梁的頂推施工、臨時支架設置、頂推支座布置等施工控制要點，為類似工況提供了借鑒。

[1] 李二偉,楊威.桃花峪黃河大橋鋼箱梁頂推施工鋼導梁設計[J].現(xiàn)代 交通技術,2011(3):30-32.

[2] 申超.鋼筋混凝土箱梁頂推施工工藝控制[J].建材技術與應用,2006 (6):31-33.

[3] 潘博.大跨度鋼箱梁頂推施工計算分析[J].價值工程,2015(10):149- 150.