探討某小半徑大坡度連續(xù)鋼箱梁頂推施工技術(shù)

鄭 彬

（貴州省公路建設(shè)養(yǎng)護集團有限公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

等高直線正交梁橋是所有梁體形式中最能發(fā)揮頂推法優(yōu)勢的結(jié)構(gòu)形式，變高度梁和曲線梁也可使用頂推法施加頂推力，提高橋梁穩(wěn)定性。某立交橋項目梁體形式為變高度梁，頂推法施工過程中，梁底位置以楔形墊墊平，使其等高度發(fā)揮出頂推法的最佳效果。與此同時，大量施工實踐證實，平面圓曲線彎梁橋、豎向圓曲線彎橋也可應(yīng)用頂推法提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[1-3]。國內(nèi)研究者對頂推法在斜交梁橋、豎向曲線梁、變高度梁中的應(yīng)用進行了大量研究且取得了豐碩成果，而頂推法在小半徑大縱坡連續(xù)鋼箱梁中的應(yīng)用相關(guān)研究不足。頂推施工技術(shù)在跨線橋梁施工過程中具有節(jié)約勞動力、對道路交通影響小、機械設(shè)備簡單、對施工場地要求不高等優(yōu)勢，為提高橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性做出了突出貢獻[4-5]。由此可見，頂推施工在彎橋、坡梁橋的應(yīng)用意義巨大。

1 工程概況

某匝道橋為小半徑、大坡度連續(xù)鋼箱梁橋，橋體跨越內(nèi)環(huán)快速公路，作為城市主干道之一，內(nèi)環(huán)快速公路交通量大，為減小橋梁施工對道路通暢度影響，綜合設(shè)計后擬定頂推法，對F匝道跨越內(nèi)環(huán)高速段橋梁進行施工。F 匝道梁體為等高鋼箱梁設(shè)計，梁體規(guī)格為31 m+39 m+30 m，平面半徑為300 m，豎向縱坡、橫向縱坡坡度分別為5.3%和1.5%。鋼箱梁為斜腹式單箱單室斷面，梁高2 m，總長度100 m，頂板寬6.8 m，底板寬3 m，箱梁總重300 t。為便于施工，結(jié)合現(xiàn)場條件、運輸要求，總長100 m 的箱梁被分解成25 節(jié)長度為3～4.5 m 的節(jié)段分別加工。

該項目箱梁頂推跨徑小、梁體頂推重量輕，為提高施工便捷性，選定拖拉式頂推法。選用型號為ZLD-100的穿心式連續(xù)頂推千斤頂，完成拖拉式頂推工作，該型號千斤頂配備兩臺油缸交替運行，確保其可連續(xù)頂推施工，提高施工穩(wěn)定性。使用工具錨夾將傳力鋼絞線鋼絞絲固定后，箱梁底板處焊接錨扣點與鋼絞絲連接以提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。借助鋼絞絲拉力，將穿心式千斤頂頂推箱梁使其移動。完成施工操作后將固定在箱梁上的耳板切割，使用下一個耳板錨繼續(xù)操作，最終使箱梁頂推到預(yù)定位置。為確保箱梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并降低損害風險，橋梁頂推過程中搭設(shè)臨時支撐體系，避免永久墩受損，也可以根據(jù)項目情況選用逐段焊接的工藝進行頂推，或采用逐段頂推的方式完成箱梁移位。

2 曲率對頂推過程中鋼箱梁的抗傾覆穩(wěn)定性的影響

頂推過程中箱梁處于懸臂狀態(tài)，重力作用下易出現(xiàn)梁體偏離軸心現(xiàn)象，使其抗傾覆穩(wěn)定性降低，線形曲率半徑對鋼梁頂推施工環(huán)節(jié)的抗傾覆穩(wěn)定性影響顯著[6]。

（1）車道荷載在梁體施工中抗傾覆穩(wěn)定性研究中的影響很小，可忽略不計。故此，只需考慮箱梁自重對梁體抗傾覆穩(wěn)定性的影響。為便于計算，假定梁體自重在箱梁頂板均勻分布，箱梁截面中間荷載密度明顯高于兩翼，該簡化模型與實際情況吻合，對抗傾覆穩(wěn)定性的相關(guān)分析有利。

（2）采用模型簡化后，箱梁荷載可以頂板面積代替，采用穩(wěn)定性系數(shù)代替抗傾覆穩(wěn)定性，并以下列公式進行計算：抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)=抗傾覆力矩/傾覆力矩。根據(jù)該項目實際情況，選定頂推力最大懸臂24.8 m，箱梁長度與寬度分別為101 m 和6.9 m，固定上述參數(shù)不變，同時保持臨時支架、臨時墩的軸線距離固定，選定曲率半徑為100 m、200 m、300 m、400 m、500 m、600 m、700 m、800 m、900 m、1 000 m，對不同條件下的鋼箱梁抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)進行測量。計算機模擬的橫向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)和縱向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)如圖1 和圖2 所示。

圖1 橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)

圖2 縱向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)

（3）對圖1 分析可知，保持其他條件不變的情況下，曲率半徑大于400 m 時，頂推懸臂下鋼箱梁橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)基本保持穩(wěn)定，當曲率半徑增加時，橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)略微增加，梁體與直梁水平接近時，橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)小范圍內(nèi)減小。曲率半徑小于400 m 時，鋼箱梁橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨著曲率半徑減小而下降，曲率半徑取值為100 m 時對應(yīng)的橫向穩(wěn)定系數(shù)不足曲率半徑為300 m 橫向穩(wěn)定系數(shù)的一半。

（4）對圖2 分析可知，保持其他條件不變，曲率半徑大于300 m 時，頂推懸臂下鋼箱梁縱向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)不變，基本上呈現(xiàn)為直線，隨著曲率半徑減小，鋼箱梁縱向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)略有減小。

綜上可知，曲率半徑較小時，鋼箱梁橫向抗傾覆系數(shù)隨曲率半徑變化明顯，而鋼箱梁縱向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)基本保持不變，曲率半徑大于400 m 時，鋼箱梁橫向抗傾覆穩(wěn)定性降低明顯[7]。

3 縱坡對頂推力的影響

頂推作用下單個作用點的力學原理如下：

頂推力F滿足下列標準時，鋼箱梁才會在力的作用下向前移動。

式中，Gi——第i個滑道受到的瞬時重力；μi——最大靜摩擦系數(shù)，ii——箱梁縱坡。一般情況下，ii取值較小，即上坡時取值為正，下坡時取值為負。

由此可知，鋼箱梁的∑iG值相對固定時，摩擦系數(shù)μi與縱坡ii取值決定了頂推力大小。為便于計算，假定目標橋梁為直線坡橋且不同滑道的縱坡值一致，取所有滑道的最大摩擦系數(shù)值為0.1，按照從上向下頂推的原則，鋼箱梁的∑iG相對于箱梁重力的“頂推力系數(shù)”來反映推力大小。

選定軸線縱坡值分別為1.3%、2.3%、3.3%、4.3%、5.3%、6.3%，對應(yīng)的頂推力系數(shù)值如圖3 所示。

圖3 摩擦力系數(shù)為1 時頂推力系數(shù)

對圖3 分析可知：

（1）滿足上述條件時，隨著縱坡坡度增加，頂推力水平減小，兩者之間具備線性關(guān)系。

（2）頂推力與縱坡值密切相關(guān)，縱坡取值為5.3%時，頂推力不足無坡度時頂推力一半，表明縱坡坡度值越大，頂推力指標越小。

（3）聚四氟乙烯材料的摩擦系數(shù)為0.04，該數(shù)據(jù)小于動摩擦系數(shù)，荷載水平增加，摩擦系數(shù)減小，而頂推過程中不銹鋼鋼板的使用，進一步降低了摩擦系數(shù)，施工的過程中由于選取的材料表面平整度不足，加之長期使用，表面可能存在坑洼或油污等影響摩擦系數(shù)，結(jié)合實際情況選定滑倒摩擦系數(shù)最大值為0.05。在上述情況下，縱坡與頂推力關(guān)系如圖4 所示。

圖4 摩擦力系數(shù)為0.05 時頂推力系數(shù)

對圖4分析可知，將鋼箱梁滑道摩擦系數(shù)確定為0.05，縱坡坡度值為5.3%情況下，頂推力系數(shù)為負值，即在此情況下箱梁于縱坡上的重力分量大于摩擦力，無其他外力施加的情況下，鋼箱梁將向下自由滑落，引發(fā)重大安全隱患，對橋梁頂推施工產(chǎn)生威脅[8]。

4 頂推施工防滑移措施

由此可見，箱梁頂推施工中，大縱坡橋梁施工環(huán)節(jié)，需將縱坡坡度對頂推力的影響考慮在內(nèi)。由此可見，強風、振動等因素都會對鋼箱梁頂推懸臂狀態(tài)產(chǎn)生影響，對頂推施工不利，需結(jié)合項目實際情況采取積極有效的措施加以防范，避免箱梁滑動。

（1）清除涂抹的硅脂或采取其他可增加摩擦力的措施，可在不銹鋼板上涂抹滑石粉增加摩擦系數(shù)。相關(guān)措施的實施需結(jié)合實際情況，對臨時支撐體系的承受力綜合考慮后認真核算，頂推前需焊接箱梁制動裝置[9]。

（2）箱梁頂推過程中需先將后補焊接段清除，隨后在其尾部設(shè)置制動裝置，頂推施工之前需要對倒鏈錨扣的性能進行檢測，并在施工過程中由專人負責倒鏈的操作，避免鋼絞絲松動[10]。

表1 頂推力為0 時給坡對應(yīng)的摩擦系數(shù)

表2 頂推力為0 時摩擦系數(shù)對應(yīng)的縱坡值

5 結(jié)論

（1）依據(jù)頂推力計算公式可知，保持鋼箱梁自重固定和摩擦系數(shù)相對恒定的情況下，隨著箱梁縱坡的增大，頂推力降低，縱坡變化越大，頂推力減小越明顯，即縱坡對頂推力的影響越顯著。

（2）箱梁頂推施工環(huán)節(jié)，縱坡與頂推力關(guān)系密切，縱坡坡度過大會導致箱梁摩擦力不足，在箱梁自重的作用下出現(xiàn)自然滑落，需針對此情況采取有效措施，增大摩擦力，以避免箱梁下滑導致施工風險。可根據(jù)項目實際情況選擇增大摩擦系數(shù)、箱梁尾部焊接倒鏈葫蘆、焊接制動裝置等措施提高安全性。

（3）結(jié)合頂推力計算公式和項目實踐，總結(jié)了頂推力取值為零情況下的摩擦系數(shù)與縱坡取值，為相關(guān)工作提供數(shù)據(jù)參考。

（4）其他條件不變的情況下，分析了向量抗傾覆穩(wěn)定性曲率半徑的關(guān)系，結(jié)果顯示，曲率半徑小于300 m 時，鋼箱梁縱向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)與曲率半徑變化的關(guān)系不大，曲率半徑小于300 m 時，隨著曲率半徑的減小，鋼箱梁縱向穩(wěn)定系數(shù)有小范圍的浮動。曲率半徑大于400 m 時，鋼箱梁橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)無明顯變化，曲率半徑小于400 m 時，隨著半徑的減小鋼箱梁橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)降低，且半徑減小越明顯，橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)降低明顯。曲率半徑為100 m 時，鋼箱梁橫向穩(wěn)定系數(shù)不足曲率半徑為300 m 時的一半。