鋼箱梁橋頂推法施工結構分析

李泉彬（廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司）

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鋼箱梁橋頂推法施工結構分析

李泉彬
（廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司）

【摘要】鋼箱梁橋較混凝土橋梁自重小、跨度大、施工對周邊影響較小，隨著交通的日益發展及鋼橋制造水平的提升，施工方便的鋼橋應用逐漸增加，施工工藝也日趨呈現多樣化、標準化。頂推法施工操作條件好、不影響橋下交通，有廣泛應用的趨勢，本文對頂推施工過程中各關鍵工況進行分析，有效地指導結構設計及施工控制。

【關鍵詞】鋼箱梁；頂推法；臨時支點；導梁

1　引言

廣河高速跨線橋位于廣東省惠州市境內，主要功能是跨越廣河高速，主跨受限于廣河高速路寬和附近涵洞，綜合地形和經濟性方面考慮，主跨跨徑2x75m，主梁采用等截面鋼箱梁，單箱三室斷面，橋面寬23.1m，箱寬5.2～5.4m，懸臂長3.55m。主梁中心高度3.2m，高跨比1/23.44。下部結構主墩采用門式墩，主墩墩高7m，過渡墩墩高12m。墩身尺寸為：縱橋向寬2m，橫橋向寬13.2m。半幅橋主墩基礎采用6根D160cm鉆孔灌注樁。

考慮到廣河高速交通量大，設計時速120km，車速較快，橋梁與被交路平面交角較小，采用頂推法施工，可使橋梁施工對廣河高速的影響降到最低。中間設臨時墩以減小頂推跨徑，最大跨徑45m，主梁采用單向多點頂推法，將鋼箱梁頂推到設計位置。頂推方向由新豐側向博羅側進行，頂推支墩立面布置圖見圖1。

2　模型建立及計算方法

圖1　廣河高速跨線橋頂推布置圖

圖2　鋼箱梁斷面布置

采用midas/civil建立全橋施工模型，導梁以及主梁均采用梁單元模擬，主梁斷面布置圖如圖2所示。臨時墩與主梁支承處采用一般約束模擬，頂推施工工況模擬采用支承點向后轉移進行，工況示意見圖3。

圖3　頂推工況模擬方法示意圖

關鍵工況驗算劃分如表1所示。

表1　頂推關鍵工況

3　頂推過程中受力分析

3.1橋墩及臨時墩支承反力

利用有限元模型，對結構進行計算，頂推過程中各工況支點反力結果見表2，計算結果未考慮支座沉降影響。

表2　各工況支承反力

由表2可知：鋼箱梁頂推過程中，工況4時臨時墩產生最大反力值6267.4kN，此時導梁頂推至中墩前，頂部未與墩頂連接，臨時墩及基礎的結構設計，可按此工況下的反力值控制；邊墩與中墩的施工過程反力值均較該墩的設計反力小，結構安全；在工況4中，邊墩出現負反力，可采用壓重的方式解決。

3.2鋼箱梁受力及變形

頂推過程中，各工況鋼箱梁自身受力及變形如圖4-圖6（左側為頂推前進方向，下同）。

圖4　施工階段主梁正彎矩包絡圖（kN.m）

圖5　施工階段主梁負彎矩包絡圖（kN.m）

圖6　施工階段主梁剪力包絡圖（kN）

由上圖可知：鋼箱梁頂推過程中，鋼箱梁自身最大正彎矩值為11879.4kN.m，最大負彎矩值為45440.5 kN.m，最大剪力為3365.3kN。各工況下鋼箱梁最大應力及最大豎向撓度結果見表3。

表3　各工況鋼箱梁最大應力及撓度

鋼箱梁的最大受力及變形，發生在工況4，此時導梁頂推至中墩前，頂部未與墩頂連接，前進端處于大懸臂狀態。在此工況下，鋼箱梁鋼板最大拉應力26.6MPa，最大壓應力44.3MPa，最大剪應力19.6MPa，梁端最大撓度2.19cm。

3.3導梁受力及變形

導梁的作用是減小主梁懸臂長度，增大頂推跨徑，防止頂推過程中主梁因懸臂過大而發生傾覆。導梁的合理長度應使施工過程中主梁最大負彎矩與使用狀態支點負彎矩接近，過長的導梁會導致導梁和主梁聯結處的負彎矩與支反力增加，導梁過短會導致頂推過程中主梁負彎矩增加，一般導梁長度宜為頂推跨徑0.6～0.7倍。廣河高速跨線橋的最大頂推跨徑45m，導梁長度28m，為跨徑長度0.62倍，采用雙工字型截面，梁高1.65m～3.2m。頂推過程中，各工況導梁的受力及變形如圖7-圖9。

圖7　施工階段導梁正彎矩包絡圖（kN.m）

圖8　施工階段導梁負彎矩包絡圖（kN.m）

圖9　施工階段導梁剪力包絡圖（kN.m）

由上圖可知：頂推過程中，導梁自身最大正彎矩值為6106.8kN.m，最大負彎矩值為13518.2 kN.m，最大剪力為984.7kN。各工況下導梁最大應力及最大豎向撓度結果見表4。

表4　各工況導梁最大應力及撓度

導梁的最大彎曲變形發生在工況4，此時導梁頂推至中墩前，頂部未與墩頂連接，前進端處于大懸臂狀態，在此工況下，導梁的最大拉應力19.6MPa，最大壓應力19.7MPa，梁端最大下撓8.4cm；最大剪應力發生在工況5，此時導梁梁端到達中墩，因梁端截面高度最小而有最大剪應力。

4　結論

⑴根據有限元計算結果，頂推至最大懸臂狀態時，臨時支墩有最大反力6267.4kN，對于臨時結構來說，荷載較大，應驗算墩柱承載能力及穩定性。橋位地質顯示地表層為粘土，可選用淺層簡易樁基礎配合擴大基礎，控制基礎沉降，以滿足頂推精度要求，降低由于基礎變位產生的次內力。

⑵鋼箱梁結構選用Q345鋼，其容許彎曲應力［σw］=0.6fy=0.6×345=207MPa，容許剪應力［τ］=130MPa，豎向撓度限值為l/300=4500/300=15cm，根據有限元計算結果，鋼箱梁施工過程中最大拉應力26.6MPa，最大壓應力44.3MPa，最大剪應力19.6MPa，梁端最大撓度2.19cm，均滿足安全要求。

⑶導梁為臨時結構，選用Q235鋼，其容許彎曲應力［σw］=0.65fy=0.65×235=152.8MPa，容許剪應力［τ］＝98MPa，根據有限元計算結果，導梁的最大拉應力19.6MPa，最大壓應力19.7MPa，最大剪應力11.3MPa，滿足安全要求。頂推至最大懸臂時，導梁梁端最大撓度8.4cm，小于豎向撓度限值，但依然較大，影響頂推安裝，施工中應采用矯正措施以保證頂推順利進行。

⑷通過上述計算可知，鋼箱梁主梁、導梁在頂推過程中的應力較小，而臨時支墩的反力較大，說明對本橋的鋼箱梁結構而言，45m的頂推跨徑偏小。施工時可根據現場及設備條件，采用增大頂推跨徑（不使用臨時支墩）、減小導梁長度等優化方式，降低施工臨時消耗，取得更好的工程經濟性。●

【參考文獻】

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