高架橋鋼箱梁頂推施工研究

陳亞娟

（山東高速暢通路橋工程有限公司，山東 高密 261500）

0 引言

20 世紀(jì)60 年代，委內(nèi)瑞拉卡羅尼河橋首次成功利用頂推施工技術(shù)建設(shè)，其技術(shù)優(yōu)勢使該項技術(shù)廣泛應(yīng)用于世界建橋史中。20 世紀(jì)70 年代，我國在延安狄家河橋建設(shè)施工中，第一次使用了頂推施工工藝，該橋跨度為40 m，結(jié)構(gòu)為鋼箱混凝土預(yù)應(yīng)力橋。以此為起點，我國在橋梁施工中，開始了對頂推施工工藝的應(yīng)用，且應(yīng)用技術(shù)實現(xiàn)了快速發(fā)展?，F(xiàn)階段，在城鎮(zhèn)交通設(shè)施建設(shè)中，高架橋越來越多見，很大程度上改善了城市交通。但同時，城市高架橋建設(shè)環(huán)境通常處于交通繁忙地區(qū)，交通網(wǎng)絡(luò)交匯，傳統(tǒng)的施工方法受周邊復(fù)雜環(huán)境限制較大，頂推施工技術(shù)則可以有效解決這方面的難題。近年來，高架橋鋼箱梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛，鋼箱梁具有自重輕、安裝簡便、運輸便利等優(yōu)勢，可以提高高架橋施工效率和質(zhì)量，因此，鋼箱梁頂推施工技術(shù)在高架橋施工中的應(yīng)用具有較高價值。該文以某跨地鐵高架橋工程為例，分析高架橋鋼箱梁頂推施工技術(shù)，為類似工程施工提供參考。

1 工程概況

某高架橋工程位于城市中心區(qū)域，工程線段存在與已建地鐵4 號線重疊，須進(jìn)行跨地鐵施工。高架橋橋墩的Pm45#到Pm48#段為主線橋段，墩柱梁體結(jié)構(gòu)采用鋼墻梁結(jié)構(gòu)，全長為89.9m，孔跨為三跨，分別為23.8m、39.2m、27m。在Pm46#-Pm47#跨部下有地鐵軌道穿過，橋底距離軌道面凈空高度大約為4.25m。鋼箱梁制作選用Q345qD 鋼板，質(zhì)量大約為410t。在該部位鋼箱梁施工中，采用個雙導(dǎo)梁頂推施工工藝。

2 鋼箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

該在該工程中，鋼箱梁結(jié)構(gòu)為單箱四室，具體的結(jié)構(gòu)構(gòu)成部分及組成示意如圖1 所示。中心線梁高2m，箱體寬度13.8m，兩側(cè)挑臂寬度為2m，底板總寬10.6m，并與橋面設(shè)計2%雙向橫坡。鋼箱梁縱向設(shè)計7 段，長度為7.05m～13.7m，橫向六塊，長度為1.9m～3.9m，共42 塊。

圖1 鋼箱梁結(jié)構(gòu)示意圖

3 頂推施工技術(shù)

3.1 頂推施工方案

頂推系統(tǒng)構(gòu)成包括液壓頂推系統(tǒng)、滑移梁及軌道、滑靴等。具體來說，液壓頂推系統(tǒng)主要由以下幾個部分構(gòu)成：液壓頂推器、泵源、檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)?；屏涸O(shè)置：在施工兩側(cè)分別設(shè)置2 個，為箱型結(jié)構(gòu)，發(fā)揮主要承力作用；中間位置設(shè)置2 個，為H 型結(jié)構(gòu)，主要作為頂推器行走用的滑移軌道設(shè)置，不作為承力構(gòu)件?；栖壍涝O(shè)置：軌道材質(zhì)為鋼軌，型號為P43；軌道固定構(gòu)件包括滑移梁、壓板，其中，壓板材質(zhì)為鋼板，大小為20mm×100mm×50mm，，分布在軌道的左右側(cè)，間隔距離為30mm?；ピO(shè)置：頂推施工的重要滑移工具，使鋼箱梁在軌道中順利推進(jìn)，在軌道上要每隔6m 設(shè)置滑靴，其頂板要鋼箱梁底板進(jìn)行連接，采用牢固的焊接方式，操作中焊縫長度應(yīng)當(dāng)控制在50mm，間隔距離為100mm。頂推支墩設(shè)置：其主要作用是縮短頂推跨度，使施工中的正負(fù)彎矩變化可以在可控范圍內(nèi)，是施工過程中的主要承力構(gòu)件，承受力主要是在鋼箱梁本身的荷載以及在頂推過程中產(chǎn)生的摩擦力；該工程中，該部分設(shè)置設(shè)置在Pm46#和Pm47#墩的兩邊，包括鋼管柱、橫向分配梁、滑移墊梁，其中柱為直徑630mm、壁厚10mm，分配梁為三拼40a 工字鋼，墊梁結(jié)構(gòu)為箱型，截面大小為600mm×500mm。在支墩布設(shè)完成后，再鋪設(shè)一層聚乙烯板來減少滑移施工中產(chǎn)生的摩擦力。糾偏裝置設(shè)置：該裝置共設(shè)置3 對，分別在頂推的前部、中部和后部，主要是為了控制施工誤差。

該工程吊裝施工機(jī)器選型為汽車吊，施工方式為分段吊裝，實際施工中，吊裝施工最大施工幅度可達(dá)到14m，最小在7m，施工作業(yè)最高可承受30t 的吊裝質(zhì)量。在實際施工條件下，同時分析吊裝起重作業(yè)量、吊機(jī)工作臂回轉(zhuǎn)范圍、起吊高度等因素，確定吊機(jī)選型。具體如下：單機(jī)作業(yè)能夠滿足工程需求，鋼箱梁、索具以及其他質(zhì)量總質(zhì)量大約在31t 左右，因此單機(jī)起重量不能小于這一質(zhì)量值；分析現(xiàn)場平面布置，并綜合分析吊機(jī)站位及吊裝順序，起重機(jī)回轉(zhuǎn)半徑為14m；吊裝為四點起吊法，吊索與水平面夾角60°，起吊時仰角70°，起重機(jī)高度大于30m。根據(jù)工程實際需求，該工程采用220t 汽車吊，起吊能力為71.5t～46.5t，主臂長30.8m，作業(yè)半徑7m～14m，類型為單機(jī)吊。

鋼箱梁各段中均在主隔板上方設(shè)置吊耳，其制作選用Q345 鋼板，共設(shè)置4 個，如果施工中需要在其他位置設(shè)置，則通過焊接連接使其牢固。

根據(jù)公式（1）計算扣體。

式中：代表扣體直徑，單位mm；取值12.8t，取值22.5mm，取值500MPa，取值45mm（D 型卸扣取值90mm）取值90mm。最終計算得出為28.7mm。

根據(jù)該工程實際，共配備2 臺液壓泵站，泵站型號規(guī)格選擇TX-80-P-D，液壓設(shè)置的額定壓力在31MPa，流量為每分鐘80L；功率設(shè)置在50kW 以上。

鋼箱梁提升過程中，各個點位都需要設(shè)置千斤頂，該工程中共設(shè)置4 臺，350t。設(shè)備型號選用YA-350-J，荷載額定值為3500kN；千斤頂?shù)母叨葹?.77m，直徑為0.635m，質(zhì)量為2000kg，共32 根鋼絞線設(shè)置的0.27m 直徑孔。

導(dǎo)梁設(shè)置成鋼桁梁結(jié)構(gòu)，位置設(shè)置在主梁前部，二者連接構(gòu)件為預(yù)應(yīng)力鋼筋。導(dǎo)梁的關(guān)鍵作用是能夠有效降低頂推中在主梁前部處在最大懸臂狀態(tài)時的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，避免影響主梁的安全性。該工程中，導(dǎo)梁總長20m，材質(zhì)為Q345 鋼，總質(zhì)量約26t，前端上翹方便上頂推支墩。

為防止頂推初期梁體傾覆，將臨時墩布置在第一跨內(nèi)；同時，為降低頂推跨度，提高頂推適用跨徑，設(shè)置臨時墩降低頂推中的梁體內(nèi)力。該工程中設(shè)置2 個臨時墩，并采用斜拉索與相鄰永久墩或制作平座連接加固。

主要是進(jìn)行鋼箱梁現(xiàn)場再次制作的平臺，包括梁體預(yù)制平臺和平臺內(nèi)滑到支撐蹲。該工程制作平臺采用剛性設(shè)計，整體框架結(jié)構(gòu)，剛度、強(qiáng)度滿足施工要求，高程準(zhǔn)確、平臺平整度良好，能夠保證鋼箱梁生產(chǎn)質(zhì)量。

該工程共設(shè)置四道滑移梁，分別為箱型梁和H 梁，主承力構(gòu)件為箱型梁，H 梁作用是為頂推器提供行走軌道。

3.2 頂推施工工藝

該工程中，由于上跨地鐵軌道，因此選用頂推施工技術(shù)。鋼箱梁頂推節(jié)段是第3-5 節(jié)，橋墩號從Pm46#到Pm47#。施工中，先用汽車吊對其他鋼箱梁節(jié)段進(jìn)行吊裝施工，然后再進(jìn)行滑移設(shè)備等設(shè)備的拼裝，以及導(dǎo)梁、鋼箱梁頂推段等，最后涂裝防護(hù)設(shè)施；相關(guān)準(zhǔn)備工作完成后，則開始進(jìn)行頂推施工，完成高架橋的架設(shè)，避免在地鐵軌道上部作業(yè)可能對其造成的不利影響。施工步驟如下。

首先進(jìn)行頂推裝置及臨時設(shè)施的安裝。滑移胎架分別設(shè)置在Pm41#到Pm43#兩墩中間的梁上，以及Pm44#到Pm45#中間的地面上，根據(jù)實際需求設(shè)置臨時支架。然后，在Pm41#墩到Pm43#墩的兩邊，進(jìn)行頂推段鋼箱梁的拼裝，并完成導(dǎo)梁拼裝；拼裝完成后，進(jìn)行防護(hù)措施安裝，在Pm44#墩和Pm45#墩中間的支架上也進(jìn)行導(dǎo)梁的安裝，并與前部的鋼箱梁焊機(jī)固定，然后再鋼箱梁前后設(shè)置防護(hù)設(shè)施；降液壓頂推系統(tǒng)、限位裝置等設(shè)置在Pm41#墩的鋼箱梁后端。

借助液壓滑移系統(tǒng)，進(jìn)行鋼箱梁頂推，注意頂推施工時間需要在地鐵運行的“天窗”期，即晚23：00 至次日凌晨5：00，頂推施工用時兩個“天窗”期，去除清理時間后，每次施工時間限制在5h 內(nèi)。在第一期施工中，頂推距離39m，導(dǎo)梁需要跨過Pm47#墩的支墩。在第二期施工中，繼續(xù)頂推距離32m，與前期相加頂推距離總長度在71m，鋼箱梁位置與設(shè)計相符。同時，在這一階段施工中，須測量放樣，并提前設(shè)置好限位擋板，在實際施工中，導(dǎo)梁達(dá)到限位擋板后則立即停止頂推。

頂推完成后，落梁系統(tǒng)主要是為了將導(dǎo)梁拆除，其安裝位置在鋼箱梁兩邊并將其提起；拆除滑移設(shè)施并清理干凈，通過落梁系統(tǒng)，將鋼箱梁落至設(shè)計位置完成施工。

在Pm45#-Pm46#、Pm47#-Pm48#墩之間安裝臨時墩，并將剩余鋼箱梁第2-1 節(jié)段、第6-7 節(jié)段吊裝施工。吊裝施工完成后，拆除所有支架、安裝剩余挑檐、防撞墻、防護(hù)罩等。

4 頂推施工關(guān)鍵部位安全分析

4.1 有限元計算

利用有限元軟件Midas 進(jìn)行安全計算，建立施工關(guān)鍵部位有限元模型，計算分析各部位施工受力變化，得到在最不利狀態(tài)下的各項受力值，同時對比分析施工中監(jiān)測值。頂推施工設(shè)計方案見表1。

表1 頂推施工設(shè)計方案

整理鋼箱梁、導(dǎo)梁、支架系統(tǒng)相關(guān)材料參數(shù)，計算構(gòu)件質(zhì)量結(jié)果為鋼箱梁412t、導(dǎo)梁28.5t、防護(hù)罩88.8t、防護(hù)欄199.8t。

共選擇5 個重要階段工況，見表2。

表2 鋼箱梁頂推施工工況

各構(gòu)件模型均采用桿系單元模擬，如圖2 所示。

圖2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件模型

頂推施工中，支墩頂部承受荷載力最大，其所產(chǎn)生的墩頂支反力如果過大，則會直接造成施工安全風(fēng)險。同時，千斤頂?shù)氖┝σ残枰鶕?jù)墩頂支反力來控制。在施工中，Pm46#墩和Pm47#墩承受了主要荷載，在頂推施工中，支墩墩頂支反力同樣處于動態(tài)變化過程中。結(jié)果顯示，工況1 向工況2 過渡中，Pm46#墩的墩頂支反力處于上升狀態(tài)，并且在達(dá)到工況2 時達(dá)到最高值，為1492.5kN；此時，導(dǎo)梁部分尚且沒有到達(dá)Pm47#墩，其與主梁形成的結(jié)構(gòu)狀態(tài)達(dá)到了最大懸臂狀態(tài)；工況2 向工況3 過渡中，Pm46#墩的墩頂支反力持續(xù)在一個較高的水平中，并且在工況3 中，Pm47#墩開始受力，其所承受的支反力呈現(xiàn)出上升趨勢，在工況4 達(dá)到了最大值1552kN。施工結(jié)束后，2 個主承力墩的墩頂支反力達(dá)到平衡狀態(tài)。

工況2 中，導(dǎo)梁以及鋼箱梁前部的撓度達(dá)到了最高水平，最大值分別為65.1mm、67.8mm；工況3 中，導(dǎo)梁、主梁的撓度開始呈現(xiàn)出向下趨勢。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范要求其撓度值最大不能超過/400，其中，表示結(jié)構(gòu)長度。以此為依據(jù)，該工程中的導(dǎo)梁撓度應(yīng)當(dāng)控制在75mm 以內(nèi)，鋼墻梁撓度應(yīng)當(dāng)控制在97.88mm 以內(nèi)。根據(jù)實際數(shù)據(jù)與允許數(shù)值對比可知，在該施工中，導(dǎo)梁與主梁最大懸臂狀況下的撓度值可控。

當(dāng)頂推施工在工況2 時，導(dǎo)梁應(yīng)力達(dá)到最高，最高值部位在導(dǎo)梁根部，應(yīng)力值為102.4MPa；在施工到達(dá)工況4 狀態(tài)時，鋼箱梁應(yīng)力值最高，最高值部位在鋼箱梁中部119.8MPa。二者設(shè)計允許數(shù)值最大為210MPa，因此均為超出允許值，施工安全。

5 監(jiān)測結(jié)果分析

該工程中，由于施工環(huán)境及場地等各方條件限制，將應(yīng)變片布設(shè)在鋼箱梁上部。監(jiān)測點布置：導(dǎo)梁根部2 個，鋼箱梁上部3 個，并每距離4m 布置3 個，共3 排；在鋼箱梁中跨截面25.2m 處布置3 個，共14 個。

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，與有限元模型計算結(jié)果對比，見表3。

表3 有限元模型計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比表am

從表3 可知，鋼箱梁頂推施工中導(dǎo)梁、鋼箱梁在現(xiàn)場實際監(jiān)測中的所得數(shù)據(jù)均比模型計算所得結(jié)果數(shù)據(jù)更小，這表明現(xiàn)場實際施工能夠控制各項應(yīng)力值在規(guī)定范圍內(nèi)，保障施工安全。同時，在現(xiàn)場撓度監(jiān)測中，在最不利工況中的導(dǎo)梁撓度最大為68.8mm，鋼箱梁最大撓度為66mm。與模型計算相比，導(dǎo)梁的實際撓度要大，但在允許最大值范圍內(nèi)；鋼箱梁撓度要小于模型計算結(jié)果，同樣滿足施工安全要求。

6 結(jié)語

高架橋鋼箱梁施工是一項非常復(fù)雜的施工工藝，需要各方協(xié)調(diào)配合、精準(zhǔn)控制，才能保障施工安全。在該工程中，由于工程跨城市地鐵軌道，施工限制條件較多，對施工安全穩(wěn)定提出了更高的要求。通過合理制定頂推施工方案，優(yōu)化施工設(shè)計及施工設(shè)備選用，有效保證了頂推施工的順利進(jìn)行。同時，通過有限元分析及現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果顯示，頂推施工中導(dǎo)梁、鋼箱梁應(yīng)力、撓度等相關(guān)安全指標(biāo)均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，表明該工程采用頂推施工具有較高安全性、穩(wěn)定性，鋼箱梁頂推施工優(yōu)勢顯著。