雙邊箱斜拉橋鋼梁步履式頂推施工關(guān)鍵技術(shù)分析

黃景新 （中鐵四局集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230023）

1 引言

近年來，我國一直在大力推進(jìn)交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，促進(jìn)了公路交通事業(yè)的迅速發(fā)展。隨著橋梁技術(shù)的不斷進(jìn)步，鋼結(jié)構(gòu)橋梁由于其自重輕、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高等優(yōu)勢，被越來越廣泛地應(yīng)用在大跨度橋梁上。

頂推法施工是通過設(shè)置鋼導(dǎo)梁和臨時(shí)墩、滑道、水平千斤頂施力裝置，將梁段連接在一起，采用滑道及千斤頂施力裝置將梁段移動(dòng)至指定部位的一種施工方法。由于其不需要支架和大型機(jī)械、工程質(zhì)量容易控制、占用場地少、不受季節(jié)影響等，被越來越廣泛地應(yīng)用在大跨度橋梁上。金寨南路橋主橋?yàn)榉菍ΨQ鋼-混梁獨(dú)塔雙索面斜拉橋，采用頂推法施工，通過有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬得到頂推過程中鋼箱梁、導(dǎo)梁的內(nèi)力和變形指標(biāo)，結(jié)合施工過程，監(jiān)測鋼梁內(nèi)力和變形最大值出現(xiàn)的施工工序，有效保障了施工安全。

2 工程概況

金寨南路橋主橋平面位于直線上，跨徑布置為（32+65+160）m，主跨為160m，跨越通航水域。主橋結(jié)構(gòu)形式為非對稱鋼-混梁獨(dú)塔雙索面斜拉橋，橋梁分幅布置，單幅標(biāo)準(zhǔn)橫斷面寬度30.0m，間距3.1m，橋全寬63.1m。主塔采用C50 現(xiàn)澆混凝土，塔柱采用矩形截面塔，塔高112m，橋梁結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 主橋總體布置圖

主橋主梁采用鋼-混混合梁，其中主跨采用鋼箱梁、邊跨采用混凝土梁。主跨鋼箱梁全長148m（含鋼混結(jié)合段），鋼箱梁橫斷面采用雙邊箱形截面，鋼箱梁全寬30m，鋼箱梁頂板頂至水平底板頂?shù)母叨葹?.3m，通過整體旋轉(zhuǎn)形成2%的橋面橫坡。全橋共13 個(gè)節(jié)段，共分為A、B、C、JH 四種梁段，橫隔板標(biāo)準(zhǔn)間距為3m。其中A 梁段為標(biāo)準(zhǔn)段，長度12.00m；JH 段為鋼混結(jié)合段，長度9.55m；B 梁段為過渡段，長度12.00m；C 梁段為支撐段，長度8.00m。主跨鋼箱梁階段劃分如圖2所示。

圖2 主橋總體布置圖

鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段為12m，由橋面板、T 型橫梁、隔板、底板、腹板、錨頭單元等構(gòu)件焊接而成，鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段構(gòu)造圖如圖3所示。

圖3 鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段構(gòu)造圖

圖4 主橋頂推方案示意圖

3 頂推方案

本工程鋼箱梁架設(shè)施工遵循“先梁后索”“塔梁同步”的順序，采用“頂推法”架設(shè)。北岸鋼混結(jié)合段先行采用汽車吊現(xiàn)場進(jìn)行安裝就位。其余梁段待南岸頂推支架施工驗(yàn)收完成后，采用履帶吊站在南岸拼裝平臺(tái)逐步拼裝鋼箱梁，鋼箱梁拼裝完成后安裝前端導(dǎo)梁，利用承重支架頂部布置的步履式千斤頂頂推鋼箱梁就位。再通過三維千斤頂調(diào)整鋼箱梁線形，與北岸先行施工的鋼混結(jié)合段鋼箱梁進(jìn)行焊接連接，然后再整體進(jìn)行斜拉索施工，完成斜拉索最終張拉后，拆除底部的承重支架，完成全橋施工。

4 支架及導(dǎo)梁設(shè)置

根據(jù)總體施工布署，結(jié)合現(xiàn)場勘測，考慮到老橋橋墩位置影響，鋼箱梁臨時(shí)施工支架采用左右幅交錯(cuò)布置形式，共設(shè)置8 組支架，編號(hào)分別為1#～8#。其中，2#、4#、5#、6#支架為頂推支架，1#、3#支架為頂推拼裝支架，7#、8#支架為北岸鋼混結(jié)合段拼裝支架。頂推支架布置如圖5所示。

圖5 支架布置圖

圖6 導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 導(dǎo)梁布置圖

考慮到河道通航尺寸，根據(jù)施工部署及鋼箱梁頂推施工計(jì)算分析，為滿足頂推過程中主梁強(qiáng)度和剛度的要求，保證臨時(shí)支架受力的合理性。導(dǎo)梁主梁采用Q355B 材質(zhì)變截面工字型截面，端部從1.0m 高度過渡到與鋼梁高度（3.3m）等高尺寸，長度為29m。主梁間距與主橋鋼箱梁內(nèi)腹板、導(dǎo)梁上下翼緣板和腹板分別與鋼箱梁的頂?shù)装?、底板及?nèi)腹板焊接連接。導(dǎo)梁主梁頂?shù)装搴穸葹?5mm，腹板厚度為16mm。導(dǎo)梁之間橫向聯(lián)系采用桁架連接，桁架上弦桿平面設(shè)置單層交叉斜撐，保證鋼導(dǎo)梁的空間整體性，滿足受力要求。

5 頂推系統(tǒng)布置

項(xiàng)目采用步履式頂升推進(jìn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由步履頂推設(shè)備、液壓泵站、液壓控制系統(tǒng)三大部分構(gòu)成。系統(tǒng)采用1臺(tái)泵驅(qū)動(dòng)2 套步履式頂推裝置，速度最高約4.5m/h。系統(tǒng)配置壓力傳感器、位移傳感器用來檢測每個(gè)支撐點(diǎn)的受力及位移情況。

根據(jù)施工方案，左右兩幅鋼梁分別交替頂推。為滿足頂推施工需要，計(jì)劃每幅布置4組頂推設(shè)備，每組設(shè)備包括2臺(tái)步履式千斤頂，全橋共布置16 臺(tái)頂推設(shè)備，考慮橋面系為縱橫梁結(jié)構(gòu)體系，頂推設(shè)備布置于每幅鋼梁內(nèi)腹板下方，全橋頂推系統(tǒng)布置如圖8所示。

圖8 全橋頂推系統(tǒng)布置圖

6 頂推計(jì)算分析

鋼箱梁采用從南岸向北岸頂推架設(shè)方案。利用履帶吊在北岸拼裝支架上安裝鋼箱梁及導(dǎo)梁，利用頂推支架上布置的三維千斤頂進(jìn)行鋼箱梁同步頂推作業(yè)。鋼箱梁頂推至D9節(jié)段后，利用南岸0#塊上的汽車吊逐步拆除鋼箱梁前端的導(dǎo)梁，繼續(xù)頂推鋼箱梁就位。就位后利用頂推支架上的三維千斤頂調(diào)整鋼箱梁縱橫向位置及橫坡，實(shí)現(xiàn)鋼箱梁與鋼混結(jié)合段的對接及成橋狀態(tài)的調(diào)整。隨后安裝支座，再按照由短到長的順序安裝斜拉索，利用拉索張拉調(diào)整鋼箱梁線形至設(shè)計(jì)成橋狀態(tài)。根據(jù)頂推方案及支架、導(dǎo)梁設(shè)置，對頂推方案進(jìn)行計(jì)算工況劃分，頂推過程中計(jì)算共劃分54 個(gè)工況，工況劃分信息如表1所示。

表1 頂推施工工況劃分信息表

采用有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件MIDAS CIVIL 2020 進(jìn)行建模，主梁采用梁格法進(jìn)行建模，導(dǎo)梁及主梁均采用梁單元，如圖9、圖10所示，邊界條件根據(jù)頂推工況進(jìn)行設(shè)置。主梁構(gòu)件材質(zhì)為Q345qD，導(dǎo)梁材質(zhì)為Q355B。頂推計(jì)算時(shí)只考慮恒載及風(fēng)荷載。恒載由程序自動(dòng)計(jì)算，風(fēng)荷載橫橋向進(jìn)行施加。

圖9 鋼箱梁模型

圖10 導(dǎo)梁模型

根據(jù)橋梁頂推工藝，對各個(gè)頂推工況中的鋼梁及導(dǎo)梁的受力進(jìn)行分析，形成計(jì)算結(jié)果包絡(luò)圖如圖11、圖12 所示，鋼梁各工況的豎向位移包絡(luò)圖如圖13所示。

圖11 鋼梁應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MPa）

圖12 導(dǎo)梁應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MPa）

圖13 豎向位移包絡(luò)圖（單位：mm）

由計(jì)算結(jié)果可知，鋼梁應(yīng)力最大的工況為工況32，鋼梁A7 拼裝完畢并向前頂推3m，此時(shí)結(jié)構(gòu)懸臂長度為43m，導(dǎo)梁端部未落在保護(hù)墩上，為懸臂最大的情況，此工況下鋼箱梁最大組合應(yīng)力值為52MPa＜270MPa，滿足鋼箱梁強(qiáng)度要求，工況示意圖如圖14所示。

圖14 鋼梁應(yīng)力最大工況示意圖（工況32）（單位：mm）

導(dǎo)梁應(yīng)力最大的工況為工況38，鋼梁A8 拼裝完畢并向前頂推6m，此時(shí)導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)懸臂長度為15m，7#支架未進(jìn)行支撐，此工況下導(dǎo)梁最大組合應(yīng)力值為122MPa＜270MPa，滿足導(dǎo)梁強(qiáng)度要求，工況示意圖如圖15所示。

圖15 導(dǎo)梁應(yīng)力最大工況示意圖（工況38）（單位：mm）

鋼梁豎向位移最大的工況為工況14，鋼梁A3 拼裝完畢且向前頂推8m，此時(shí)結(jié)構(gòu)懸臂長度為42.5m，導(dǎo)梁未落在5#支架上，鋼箱梁最大豎向位移94mm，工況示意圖如圖16所示。

圖16 鋼梁應(yīng)力最大工況示意圖（工況14）（單位：mm）

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果對頂推各個(gè)最不利工況結(jié)果進(jìn)行匯總，頂推最不利工況結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表2 頂推最不利工況結(jié)果匯總

通過整體數(shù)值分析可知，在頂推的各個(gè)階段，鋼箱梁、導(dǎo)梁應(yīng)力與變形最大的工況均為導(dǎo)梁即將落在下個(gè)支架之前。當(dāng)導(dǎo)梁落在支架之后，鋼箱梁、導(dǎo)梁應(yīng)力與鋼梁變形會(huì)明顯減小。因此導(dǎo)梁能夠有效減少鋼箱梁的懸伸長度從而降低頂推過程中的應(yīng)力，同時(shí)導(dǎo)梁可采用變剛度截面以減少自重。

在鋼箱梁頂推施工過程中應(yīng)對導(dǎo)梁落架的階段工況進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，配合做好監(jiān)測工作，將監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，若出現(xiàn)超限需及時(shí)進(jìn)行分析，確保頂推施工能夠高效、安全地進(jìn)行。

7 結(jié)語

隨著大跨度橋梁的不斷涌現(xiàn)，在橋梁施工過程中，越來越多的鋼箱梁采用頂推法進(jìn)行施工。本文結(jié)合引江濟(jì)淮工程金寨南路橋（32+65+160）m 斜拉梁主橋鋼箱梁頂推過程，通過有限元數(shù)值模擬得到頂推過程中各階段的鋼箱梁及導(dǎo)梁的內(nèi)力和變形指標(biāo)，在施工過程中通過加強(qiáng)監(jiān)測內(nèi)力和變形最大值出現(xiàn)的施工工序，并與理論計(jì)算進(jìn)行對比，安全高效地完成了金寨南路橋主橋雙邊鋼箱梁的頂推施工，為類似工程提供豐富經(jīng)驗(yàn)及借鑒價(jià)值。