鋼箱梁頂推上跨既有線路施工臨時結(jié)構(gòu)研究

作者簡介：周志慧（1982-），男，高級工程師。研究方向為道路與橋梁。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.017

摘? 要：鋼箱梁頂推施工是現(xiàn)階段最常見的一種跨線、跨山河的施工方式之一，但施工前需對其進行完備的安全驗算，尤其是頂推施工過程中所涉及的臨時施工結(jié)構(gòu)。以哈爾濱東三環(huán)快速路工程某鋼箱梁頂推施工為例，對該頂推施工項目所設(shè)計的6組頂推臨時支墩和2組拼裝臨時支架進行施工驗算。結(jié)果表明，臨時結(jié)構(gòu)中立柱的最大應(yīng)力為σmax=120.1 MPa≤[σ]=190.0 MPa，腹桿的最大應(yīng)力為σmax=114.0 MPa≤[σ]=190.0 MPa，且均發(fā)生在頂推臨時支墩上，但均能滿足相關(guān)規(guī)范要求。頂推支墩和拼裝支架的最大撓度分別為umax=28.8 mm≤[u]=22 000/300=73.3 mm、umax=2.0 mm≤[u]=22 000/600=36.7 mm，均能滿足相關(guān)規(guī)范的要求。在頂推支墩的樁基強度驗算中，其軸力和彎矩也均能滿足規(guī)范要求，但在進行拼裝支架的淺基礎(chǔ)強度校核中發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)所受的最大應(yīng)力為f=F/A=1 351/（5×1.5）=180 kPa＞[f]=150 kPa，所以在實際施工時需要對地基進行加固處理來滿足現(xiàn)場施工的要求。

關(guān)鍵詞：鋼箱梁；橋梁施工；頂推；既有線路；臨時結(jié)構(gòu)

中圖分類號：U445.4? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）15-0079-04

Abstract： Steel box girder jacking construction is one of the most common cross-line， cross-mountain and river construction methods at the present stage， but it needs complete safety check calculation before construction， especially the temporary construction structure involved in the jacking construction process. Taking the construction of a steel box girder in Harbin East Third Ring Expressway project as an example， the construction of 6 groups of temporary piers and 2 groups of assembled temporary supports designed in this project are checked and calculated. The results show that the maximum stress of the column in the temporary structure is σmax=120.1 MPa≤[σ]=190.0 MPa， and the maximum stress of the ventral bar is σmax=114.0 MPa≤[σ]=190.0 MPa， and both occur on the temporary buttress pier， but they can meet the requirements of the relevant specifications. The maximum deflection of the jacking piers and assembled supports is umax=28.8 mm≤[u]=22 000/300=73.3 mm and umax=2.0 mm≤[u]=22 000/600=36.7 mm， respectively， which can meet the requirements of relevant specifications. In the strength checking calculation of the pile foundation of the top thrust piers， the axial force and bending moment can also meet the requirements of the code. However， in the strength checking of the shallow foundation for assembling the supports， it is found that the maximum stress on the foundation is f=F/A=1 351/（5×1.5） =180 kPa>[f]=150 kPa. Therefore， in the actual construction， it is necessary to strengthen the foundation to meet the requirements of site construction.

Keywords： steel box girder; bridge construction; jacking; existing line; temporary structure

鋼箱梁頂推施工是一種常用的橋梁施工方法，適用于中小跨徑的橋梁建設(shè)，可以用于跨越河流、山谷、道路等地形，也可以用于建設(shè)地下通道、地下車站等地下結(jié)構(gòu)。鋼箱梁頂推施工是一項成熟完善的施工技術(shù)，但各位學(xué)者對該施工技術(shù)的研究卻永無止境，賀曉宇等[1]針對鋼桁梁浮托施工中鋼桁梁桿件內(nèi)力和浮箱內(nèi)力變化研究較少的問題，以蘇北灌溉渠特大橋第11聯(lián)施工為例，利用MIDAS CIVIL軟件建立空間模型，對鋼桁梁頂推施工過程進行數(shù)值仿真計算，研究橋梁頂推過程中其力學(xué)行為的變化，以為類似項目提供借鑒。符健等[2]以北濱河西延段工程上跨蘭州樞紐鐵路鋼桁梁橋為工程背景，對鋼桁梁主梁及臨時結(jié)構(gòu)鋼導(dǎo)梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行闡述，并結(jié)合頂推施工方案和施工流程，采用軟件MIDAS CIVIL建立空間有限元整體模型，分析頂推施工過程各工況下鋼桁梁和鋼導(dǎo)梁的結(jié)構(gòu)受力，以確保主梁結(jié)構(gòu)及頂推施工過程安全可靠。楊振等[3]以洛陽市王城大道瀍澗立交主線第7聯(lián)鋼箱梁施工為依托，研究了拱形曲線、多節(jié)段鋼箱梁跨城市快速路頂推滑移施工技術(shù)，研究結(jié)果表明導(dǎo)梁與鋼箱梁連接處兩側(cè)可焊接加強板，提高連接處剛度和強度；通過調(diào)整滑靴高度，解決了拱形曲線鋼箱梁頂推問題；滑靴設(shè)有橫向擋板、三向千斤頂及時糾偏，確保頂推過程中鋼箱梁線型準確。苑青海等[4]對變截面鋼箱梁橋頂推施工受力進行了分析，結(jié)果表明，頂推施工全過程中，鋼箱梁整體、局部均處于安全應(yīng)力狀態(tài)。鋼箱梁固定端應(yīng)力隨梁端傾角增大而降低，但也會增大傾覆風險。合龍成橋后，腹板、頂板厚度對結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化影響較大，可通過控制厚度變化改善結(jié)構(gòu)受力。楊曉東等[5]對某132 m鋼箱梁步履式頂推施工技術(shù)及監(jiān)測進行了研究，梁段拼裝采取少支架法安裝，在每個環(huán)口設(shè)置一排井字支架及部分頂推支架，頂推完成后，采用通過線形監(jiān)控測量等監(jiān)測監(jiān)控后，進行落梁和微調(diào)等一系列技術(shù)措施，保證了頂推施工的順利實施。

通過以上分析，橋梁頂推施工過程中鮮有人對頂推中所設(shè)計的臨時結(jié)構(gòu)進行研究，下面將以哈爾濱東三環(huán)快速路某頂推工程為例，對施工過程中的拼裝支架及臨時墩進行數(shù)值模擬仿真分析。

1? 工程介紹

1.1? 項目簡介

哈爾濱東三環(huán)快速路工程為濱綏線高架橋梁鋼箱梁頂推工程，濱綏線橋梁段位于哈爾濱市香坊區(qū)電碳路，南側(cè)起于紅星村，北至宏城好人家小區(qū)，設(shè)計全長640 m，橋梁跨越從南側(cè)至北側(cè)方向，依次跨越孫新上、下行線、濱綏線、東新下行線共4條線路，4條鐵路線均位于鋼箱梁第二孔下方穿過，橋梁立面布置圖如圖1所示（中間部分為頂推施工部分）。

1.2? 項目施工關(guān)鍵技術(shù)分析

根據(jù)本項目鋼箱梁施工特點及施工現(xiàn)場環(huán)境條件，考慮有如下關(guān)鍵技術(shù)。

1）在頂推施工過程中，考慮到梁體分段劃分情況，除了要設(shè)計頂推臨時墩外，還要架設(shè)數(shù)組臨時支架進行鋼箱梁的現(xiàn)場拼裝。

2）在頂推施工過程中，需要嚴格控制臨時支墩上面所承受的水平荷載，要實時監(jiān)控臨時墩的水平位移，實時監(jiān)測位移偏差，及時使用千斤頂糾偏，防止臨時墩遭受破壞。

3）在頂推施工過程中，需要嚴格控制頂推設(shè)備的同步性，應(yīng)避免因頂推施工過程中的時間差而造成梁體局部受力過大，從而造成梁體的局部破壞。

2? 臨時結(jié)構(gòu)簡介

2.1? 臨時結(jié)構(gòu)布設(shè)

頂推過程中鋼箱梁主要受力部位為腹板，以降低頂、底板的應(yīng)力，確保箱梁結(jié)構(gòu)不受破壞，在鋼箱梁頂推時位于外腹板下兩側(cè)各布置1臺步履式千斤頂。要保證步履式千斤頂落在腹板下方，則需要設(shè)置臨時墩來安裝頂推設(shè)備，本頂推施工共設(shè)6個臨時墩和2個拼裝支架，其立面布置圖如圖2所示。

2.2? 臨時結(jié)構(gòu)參數(shù)

LSD1—LSD6及拼裝支架采用8根φ630×10鋼管，總高度20～20.768 m。立柱之間采用22a槽鋼連接成整體，保證臨時墩整體穩(wěn)定性。支架在現(xiàn)場加工制作，墩頂橫向采用HN800×300三拼H型鋼作為分配梁，縱向采用二拼H型鋼HN700×300作為分配梁。臨時墩與拼裝支架立面圖如圖3所示。

圖3? 臨時支墩及拼裝支架立面示意圖

臨時墩LSD1—LSD6基礎(chǔ)采用承臺樁基礎(chǔ)，樁基采用旋挖鉆成孔，采用C30混凝土。LSD1—LSD2及LSD4—LSD6每個基礎(chǔ)設(shè)置6根鉆孔樁（主筋20 mm），樁徑1 m，樁長18 m，承臺尺寸為8 m×5 m×1 m。LSD3坐落于永久承臺及臨時基礎(chǔ)，每個基礎(chǔ)設(shè)置4根鉆孔樁（主筋25 mm），樁徑1 m，樁長20 m，承臺尺寸為 8 m×5 m×1.5 m。臨時支墩坐落于永久承臺及臨時基礎(chǔ)時，在永久承臺灌注混凝土前預(yù)埋預(yù)埋件及三排連接鋼筋，臨時墩基礎(chǔ)施工時鋼筋深入基礎(chǔ)內(nèi)部，基礎(chǔ)內(nèi)部設(shè)置2層φ20@200 mm鋼筋網(wǎng)片。拼裝支墩采用條形基礎(chǔ)，每個拼裝支架設(shè)置4個條形基礎(chǔ)，尺寸為5 m×1.5 m×1 m。承臺與支墩立柱之間采用螺栓連接。

3? 臨時結(jié)構(gòu)的仿真模擬計算

3.1? 模型簡介

臨時支墩與拼裝支架均用MIDAS-CIVIL進行仿真建模，立柱、腹桿等均用梁單元來模擬，各桿件之間均為共節(jié)點剛性連接，鋼管、連系桿件等材質(zhì)均為Q235B級鋼，LSD1—LSD6臨時支墩的高度都在22 m以下，為了簡化計算取其高度為22 m。在建模過程中，將分配梁所承受的反力直接施加于立柱管頂進行計算。另外，在模擬臨時支墩時考慮豎向鋼梁自重荷載與橫向頂力荷載，而拼裝支架因為只起拼裝鋼箱梁的作用，所以只承受豎向荷載。臨時支墩及拼裝支架與基礎(chǔ)為固定約束。

3.2? 仿真模擬結(jié)果

3.2.1? 應(yīng)力驗算

由表1可知，臨時支墩與拼裝支架等各桿件應(yīng)力：臨時支墩立柱的最大應(yīng)力為σmax=120.1 MPa≤[σ]=190.0 MPa，臨時支墩腹桿的最大應(yīng)力為σmax=114.0 MPa≤[σ]=190.0 MPa。拼裝支架立柱的最大應(yīng)力為σmax=25.7 MPa≤[σ]=190.0 MPa，拼裝支架腹桿的最大應(yīng)力為σmax=9.1 MPa≤[σ]=190.0 MPa。經(jīng)檢算結(jié)果可知，臨時支墩與拼裝支架的模擬結(jié)果均符合相關(guān)規(guī)范要求，能夠保證施工的安全性。其中臨時支墩的仿真模擬計算結(jié)果如圖4所示。

表1? 各桿件應(yīng)力最大值列表

圖4? 臨時支墩各桿件應(yīng)力云圖

3.2.2? 撓度驗算

經(jīng)計算，臨時支墩在最不利荷載作用水平下（豎向荷載與橫向荷載的共同作用）下最大撓度為umax=28.8 mm≤[u]=22 000/300=73.3 mm，滿足規(guī)范要求。臨時拼裝支架在最不利荷載作用水平下（豎向荷載作用下）的最大撓度為umax=2.0 mm≤[u]=22 000/600=36.7 mm，滿足規(guī)范要求。其計算結(jié)果如圖5所示。

圖5? 臨時支墩與拼裝支架撓度云圖

3.2.3? 基礎(chǔ)驗算

1）臨時支墩樁基礎(chǔ)計算。根據(jù)橋位地質(zhì)情況，水平抗力的比例系數(shù)m偏安全取值5 000 kN/m4，樁基在地面線以下1.2 m位置剪力為零，彎矩最大為153.2 kN·m，最大軸力為2 210 kN，根據(jù)偏壓構(gòu)件對樁基強度進行計算。當樁基直徑采用1 m，樁基主筋采用12根20 mm鋼筋時，承載力Nu=9 820 kN或Mu=826 kN·m，能夠滿足要求。

2）臨時拼裝支架淺基礎(chǔ)計算。本項目拼接支架采用擴大基礎(chǔ)，由于僅受壓力作用，其底部應(yīng)力均勻分布，其底面地基承載力特征值為150 kPa，基礎(chǔ)底面尺寸為5 m×1.5 m。

經(jīng)計算基礎(chǔ)及其上部結(jié)構(gòu)自重G=195 kN

受豎向壓力T=3 211/4×1.2×1.2=1 156 kN

所受豎向力的合力F=T+G=1 351 kN

f=F/A=1 351/（5×1.5）=180 kPa＞[f]=150 kPa

故需要對地基進行加固處理，地基加固承載力不小于200 kPa。

4? 結(jié)論

哈爾濱東三環(huán)快速路工程濱綏線高架橋梁鋼箱梁頂推工程，其設(shè)計的臨時施工結(jié)構(gòu)為6組頂推臨時支墩與2組拼裝臨時支架，通過對其施工過程中的有限元仿真模擬分析，得到以下結(jié)論。

1）經(jīng)分析，臨時支墩在承受豎向荷載及橫向荷載的作用下，其立柱結(jié)構(gòu)與橫撐結(jié)構(gòu)的受力情況分別為，立柱的最大應(yīng)力為σmax=120.1 MPa≤[σ]=190.0 MPa，腹桿的最大應(yīng)力為σmax=114.0 MPa≤[σ]=190.0 MPa。拼裝支架在承受豎向荷載的作用下，其立柱結(jié)構(gòu)與橫撐結(jié)構(gòu)的受力情況分別為，立柱的最大應(yīng)力為σmax=25.7 MPa≤[σ]=190.0 MPa，腹桿的最大應(yīng)力為σmax=9.1 MPa≤[σ]=190.0 MPa。均能滿足相關(guān)規(guī)范要求，保證施工的安全性。

2）經(jīng)分析，臨時支墩與臨時拼裝支架在最不利荷載作用下，其最大撓度分別為umax=28.8 mm≤[u]=22 000/300=73.3 mm、umax=2.0 mm≤[u]=22 000/600=36.7 mm，均能滿足相關(guān)規(guī)范的要求，保證施工的安全性。

3）經(jīng)分析，頂推臨時支墩樁基強度考慮其彎矩及軸力時，均能滿足要求。但是在臨時拼裝支架淺基礎(chǔ)強度驗算時發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)所受的最大應(yīng)力為f=F/A=1 351/（5×1.5）=180 kPa＞[f]=150 kPa，所以在實際施工時需要對地基進行加固處理來滿足現(xiàn)場施工的要求。

參考文獻：

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