鋼桁架拱橋整體頂推施工技術(shù)研究

摘要 為了對(duì)桁架拱橋的頂推施工技術(shù)進(jìn)行研究，文章以某跨運(yùn)河鋼桁架拱橋?yàn)橐劳?，?duì)鋼桁架拱橋的整體頂推施工技術(shù)進(jìn)行研究。通過(guò)理論分析與數(shù)值模擬的方法對(duì)整體頂推的總體工藝設(shè)計(jì)、關(guān)鍵工藝控制技術(shù)及頂推受力性能進(jìn)行了研究。研究表明對(duì)鋼桁架拱橋的拱肋和系梁之間設(shè)置臨時(shí)加勁桿件，形成整體桁架結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)整體頂推；通過(guò)設(shè)置桁架型導(dǎo)梁，分別與拱肋和系梁相連接，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的平順過(guò)渡；頂推過(guò)程鋼桁架拱橋整體受力安全可靠。

關(guān)鍵詞 鋼桁架拱橋；整體頂推；施工技術(shù)；受力分析

中圖分類號(hào) U445.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2023）13-0042-03

0 引言

鋼桁架拱橋具有良好的承載能力和結(jié)構(gòu)剛度，是大跨徑橋梁的主要橋型之一，也是適合跨越內(nèi)河航道的合理結(jié)構(gòu)形式。大跨徑桁架拱橋常用施工方法主要包括纜索吊裝懸拼拼裝、轉(zhuǎn)體施工、分段支架安裝法等。對(duì)于內(nèi)河航道地區(qū)一般采用“先梁后拱，分段吊裝”的施工方法居多，對(duì)于橋面板系為鋼箱梁的拱橋，也有采用先將鋼箱梁頂推安裝，后在鋼箱梁上安裝拱肋[1-3]。

也有對(duì)鋼箱拱橋采用整體頂推施工的相關(guān)實(shí)踐，但對(duì)于鋼桁架拱橋，采用整體頂推法施工的實(shí)踐和研究均較少[4-5]。在保持通航的同時(shí)，如何經(jīng)濟(jì)、快速、環(huán)保地完成鋼桁架拱肋與系梁的安裝是此類橋梁在內(nèi)河航道施工的關(guān)鍵。該文通過(guò)本鋼桁架拱橋整體頂推施工方法的研究，從導(dǎo)梁設(shè)置、臨時(shí)加勁、頂推控制等方面可指導(dǎo)內(nèi)河航道大跨徑鋼桁架拱橋整體頂推施工，保障施工質(zhì)量，為同類橋梁的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝

1.1 工程背景

該文以某跨運(yùn)河鋼桁架拱橋?yàn)橐劳虚_(kāi)展整體頂推技術(shù)研究。大橋采用鋼桁架系桿拱橋，總體布置如圖1所示，跨徑為106 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬35.5 m，端部加寬至38 m。拱肋是上拱肋、下拱肋及腹桿組成的桁架結(jié)構(gòu)。上拱肋、下拱肋截面均采用箱型截面形式，上拱肋、下拱肋在橋墩處采用箱型腹桿連接，其他腹桿均采用工字型截面。主拱設(shè)置鋼系梁，鋼系梁與拱肋進(jìn)行固結(jié)，主梁由橋面系和鋼梁組成，主梁、鋼系梁及鋼桁梁之間均采用焊接連接。

兩個(gè)雙拱肋之間的中心距為26.8 m。上下弦桿在拱頂處豎向中心間距為5.0 m，上下弦桿均采用同心圓曲線。行車道混凝土橋面板布置在鋼系梁內(nèi)側(cè)的系梁翼緣之間，并和鋼系梁翼緣連接，全橋橋面板由縱橫梁分割成180塊預(yù)制橋面板，橋面板厚為25 cm，濕接縫寬度為0.45 m?，F(xiàn)澆混凝土濕接縫處的鋼板上布置焊釘，將混凝土橋面板與鋼系梁和鋼橫梁連接為一體。大橋共設(shè)置15對(duì)吊桿，吊桿間距為6.0 m，均采用單絲涂覆型環(huán)氧鋼絞線吊桿形式。

1.2 總體施工方案設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目采用整體頂推施工的思路是通過(guò)將鋼桁架拱肋及鋼系梁在岸上支架拼裝成型后，利用桁架式鋼導(dǎo)梁與鋼系梁和鋼桁架拱肋連接，形成梁拱組合結(jié)構(gòu)后整體頂推，完成鋼桁架拱橋跨越通航運(yùn)河施工。

利用桁架式導(dǎo)梁的上下弦桿直接與桁架拱肋的上弦桿及系梁連接，將導(dǎo)梁和桁架拱橋形成桁架式梁拱組合結(jié)構(gòu)，提高頂推體系剛度，優(yōu)化頂推過(guò)程桿件內(nèi)力，確保頂推過(guò)程結(jié)構(gòu)安全。設(shè)置桁架式前導(dǎo)梁，將桁架式導(dǎo)梁和鋼架拱橋形成臨時(shí)的梁拱組合結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)降低了在頂推過(guò)程中導(dǎo)梁及主體結(jié)構(gòu)桿件的內(nèi)力，改善了桁架拱橋整體頂推過(guò)程的受力狀態(tài)。

在臨時(shí)支架上完成鋼桁架拱橋的拼裝，在鋼桁架與鋼系梁之間設(shè)置臨時(shí)型鋼斜撐，使得拱肋與系梁形成整體框架，提高鋼系梁的抗彎承載能力，使其在頂推過(guò)程中內(nèi)力始終處于良好狀態(tài)。在系梁下方搭設(shè)臨時(shí)支架，布置縱向滑移軌道，利用步履式頂推裝置將與桁架式導(dǎo)梁連接在一起的梁拱組合結(jié)構(gòu)連續(xù)頂推，跨越航道，后安裝橋面板與附屬構(gòu)造，完成橋梁施工。

1.3 整體頂推施工系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)場(chǎng)地情況，該橋頂推需要在岸上搭設(shè)8組拼裝臨時(shí)支架，支架下方需設(shè)置樁基礎(chǔ)和擴(kuò)大基礎(chǔ)。南北河岸橋墩內(nèi)側(cè)各設(shè)置2組鋼管樁基礎(chǔ)，鋼管樁為φ1 020×12 mm，如圖2所示。臨時(shí)支架立柱型號(hào)均為φ1 020×12 mm的Q235鋼材，在臨時(shí)支架頂部設(shè)置雙拼HN56滑道梁。

頂推支座設(shè)置在鋼系梁底面，頂推耳板設(shè)置在頂推支座上，MGE滑板設(shè)置在頂推支座下方。頂推耳板由兩塊耳板組成，用于連接頂推支座和頂推器，頂推器反推頂緊塊，從而實(shí)現(xiàn)鋼桁架拱橋向前移動(dòng)。頂推支座在頂推過(guò)程中起到傳遞上部荷載和導(dǎo)向的作用。共設(shè)置16臺(tái)YS-PJ-50型液壓頂推器，頂推器設(shè)置在頂推支座處，在頂推過(guò)程中移動(dòng)配置。

導(dǎo)梁采用空間桁架形式，頂推前導(dǎo)梁與鋼桁架拱橋連接成整體單元，頂推過(guò)程整體滑動(dòng)。導(dǎo)梁總長(zhǎng)度為40 m后端上弦桿與桁架拱肋上弦相連接，下弦與系梁頂面相連接。

為了在頂推過(guò)程中，在公路和系梁支架形成整體桁架式結(jié)構(gòu)，改善鋼系梁的受力，在頂推前在拱肋和系梁之間設(shè)置臨時(shí)加勁桿件，桿件上端與拱肋吊桿節(jié)點(diǎn)相連接，下端與系梁與吊桿錨固位置進(jìn)行連接。臨時(shí)加勁桿件有P600×10，P550×10組成。

2 頂推施工過(guò)程受力分析

為了對(duì)大橋在采用整體頂推施工過(guò)程的受力性能進(jìn)行分析，利用有限元軟件Midas Civil建立空間有限元模型對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。模型建立中各桿件的尺寸均按照實(shí)際尺寸進(jìn)行模擬，頂推過(guò)程按照每2 m一個(gè)工況進(jìn)行模擬，頂推支點(diǎn)約束按照僅受壓彈性支撐進(jìn)行模擬，計(jì)算模型如圖3所示。

通過(guò)對(duì)頂推全過(guò)程的模擬，可以得到在整體頂推施工過(guò)程中鋼構(gòu)件的應(yīng)力最大值變化情況及結(jié)構(gòu)的變形情況，相關(guān)計(jì)算結(jié)果如表1所示。由表中數(shù)據(jù)可知，在頂推過(guò)程中，上部被頂推鋼構(gòu)件在頂推過(guò)程匯總的最大組合拉應(yīng)力為165 MPa，最大組合壓應(yīng)力為?174 MPa，均小于240 MPa，滿足規(guī)范要求。在頂推過(guò)程中上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的最大豎向位移為104 mm，小于l/400，滿足頂推施工過(guò)程剛度要求。在頂推過(guò)程中加固桿最大組合應(yīng)力為53 MPa，小于Q235型材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)安全可靠。

在頂推過(guò)程中共設(shè)置12個(gè)頂推支點(diǎn)，13個(gè)支點(diǎn)在頂推全過(guò)程中出現(xiàn)的最大反力分布情況，支點(diǎn)最大反力出現(xiàn)在9號(hào)支點(diǎn)位置，最大反力值為9 189 kN，經(jīng)驗(yàn)算支點(diǎn)局部支撐結(jié)構(gòu)和支架承載能力滿足要求。

3 整體頂推關(guān)鍵工藝控制

3.1 頂推準(zhǔn)備工作

鋼桁架拱橋在整體頂推施工前應(yīng)做好以下頂推準(zhǔn)備工作。

（1）在頂推前對(duì)各臨時(shí)支墩及滑道梁頂面的標(biāo)高進(jìn)行復(fù)核，確?；理敳繕?biāo)高滿足頂推設(shè)計(jì)的要求。

（2）對(duì)頂推系統(tǒng)進(jìn)行試頂推試驗(yàn)，測(cè)試頂推液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，確保頂推工作可以連續(xù)順利完成。

（3）完成頂推過(guò)程高程、軸線測(cè)點(diǎn)的布置，并進(jìn)行數(shù)值采集，準(zhǔn)備好在頂推過(guò)程中各頂推工況下高程和軸線的理論值作為頂推過(guò)程控制的理論對(duì)比值。

3.2 頂推過(guò)程控制

在整體頂推施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)頂推過(guò)程結(jié)構(gòu)姿態(tài)進(jìn)行觀測(cè)與調(diào)整，確保頂推過(guò)程線形平順。

（1）在頂推施工前對(duì)橋梁關(guān)鍵位置的高程和平面位置進(jìn)行測(cè)量，以測(cè)量結(jié)果為初始狀態(tài)，編制頂推過(guò)程中各控制工況測(cè)點(diǎn)理論變化數(shù)據(jù)。

（2）每頂進(jìn)2 m、橋梁上墩前、導(dǎo)梁上墩后均作為一個(gè)控制工況，每個(gè)工況對(duì)導(dǎo)梁及橋梁結(jié)構(gòu)的高程變化和軸線變化情況進(jìn)行測(cè)量。

（3）及時(shí)對(duì)比頂推過(guò)程結(jié)構(gòu)的變化情況，并與理論值進(jìn)行比較，當(dāng)誤差超過(guò)限制時(shí)采用糾偏措施進(jìn)行糾偏。

3.3 頂推落梁與調(diào)整

在沿著縱向頂推就位后應(yīng)該對(duì)其姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，并進(jìn)行支座安裝與臨時(shí)加勁桿拆除，應(yīng)注意以下關(guān)鍵問(wèn)題。

（1）鋼梁沿縱向頂推到位后對(duì)支座位置鋼系梁的高程進(jìn)行調(diào)整，使其平面位置和高程均滿足設(shè)計(jì)要求后進(jìn)行支座安裝。

（2）在支座灌漿達(dá)到強(qiáng)度后，拆除墩頂臨時(shí)支撐，結(jié)構(gòu)重量通過(guò)永久支座支撐。

（3）支座支撐轉(zhuǎn)化后，同時(shí)檢查所有吊桿安裝可靠后，對(duì)吊桿進(jìn)行預(yù)緊張拉，預(yù)緊力可控制在5～10 t范圍內(nèi)。這樣可確保在后續(xù)臨時(shí)加勁桿拆除時(shí)系梁的自重可通過(guò)吊桿傳遞至拱肋，避免出現(xiàn)過(guò)大豎向變形，同時(shí)也不會(huì)給加勁桿內(nèi)施加過(guò)大的壓力，并與加勁桿一并拆除。

（4）吊桿預(yù)應(yīng)力施加后，對(duì)稱拆除臨時(shí)加勁桿，可由跨中向拱腳依次拆除，在拆除時(shí)注意接頭位置割除對(duì)運(yùn)營(yíng)結(jié)構(gòu)可能造成的損傷。

（5）臨時(shí)加勁桿拆除后，在橋面板安裝及鋪裝施工過(guò)程中吊桿力與系桿力調(diào)整按照施工監(jiān)控對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果和相應(yīng)的指令進(jìn)行張拉與調(diào)整。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鋼桁架拱橋整體頂推施工工藝及頂推過(guò)程中的受力分析可以得到以下主要結(jié)論：

（1）通過(guò)對(duì)鋼桁架拱橋的拱肋和系梁之間設(shè)置臨時(shí)加勁桿件，使得拱肋和系梁之間形成整體桁架結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)整體剛度可實(shí)現(xiàn)整體頂推。

（2）在鋼桁架拱橋頂推過(guò)程中通過(guò)設(shè)置桁架型導(dǎo)梁，上弦與桁架連接，下弦與系梁連接，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力的平順過(guò)渡，確保了整體頂推施工的安全合理。

（3）對(duì)頂推過(guò)程的受力狀態(tài)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，確保了鋼桁架拱橋在整體頂推施工過(guò)程總體受力安全可靠。

（4）對(duì)鋼桁架拱橋整體頂推施工過(guò)程的關(guān)鍵工藝進(jìn)行了梳理，形成了關(guān)鍵工藝控制技術(shù)，可為類似橋梁施工提供參考。

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