大跨徑鋼箱拱橋頂推與頂升技術的應用探討

束學智

上海天演建筑物移位工程股份有限公司 上海 200336

1 工程概況

1.1 項目概況

西芹大橋位于福建省南平西站東側，北接205國道，南接行健路，是南三龍鐵路南平西站重要的進出通道和配套項目，是西站片區市政基礎設施的重要組成部分，是西芹鎮到中心城區的快速通道。

本工程為南平西站配套市政工程，南平西站位于南平市延平區西芹鎮，西芹大橋位于南平西站東側，橋位距上游沙溪口水電站約2.8 km，距上游沙溪口電站大橋約2.1 km，距下游長深高速西芹特大橋約2.1 km，距下游西城大橋約3.5 km。

1.2 橋梁概況

工程范圍內路線全長1 334.57 m，其中橋梁長402.5 m，全橋孔跨采用：1×43 m預應力混凝土簡支箱梁＋1×233.2 m下承式鋼箱拱橋＋3×36 m預應力混凝土連續剛構＋14.5 m鋼筋混凝土門式剛構（圖1）。

主橋橋型為下承式簡支鋼箱拱，主橋跨徑為230 m，主橋全長233.2 m。拱肋采用鋼結構等高度箱形截面，高3 m，寬2.2 m，左右設2片拱肋，矢高38 m，矢跨比1/6.05，拱軸線線形為二次拋物線。拱肋為提籃拱形式，拱肋向內傾18°。主橋橋墩采用門式框架結構橋墩，墩柱及墩頂橫梁均設計為箱型空心截面。

圖1 主橋橋型布置（單位：m）

北岸1×43 m預應力簡支箱梁采用單箱四室斜腹板截面，箱梁頂寬28.90 m，箱底寬20.39 m，梁高2.40 m。南岸3×36 m預應力連續剛構采用單箱四室斜腹板截面，箱梁頂寬28.90 m，箱底寬20.71 m，梁高2.00 m。

1.3 地質水文情況

擬建西芹大橋北橋頭與205國道T形平交，由北往南跨越西溪后，南橋頭與規劃行健路T形平交。大橋北岸為龍踞山，現狀土地為農林用地，山腳現狀道路只有205國道，橋址處205國道現狀道路橫斷面寬約12 m。大橋南岸為西芹鎮鎮中心，現狀土地為城鎮住宅用地。

橋位在西溪北岸頂為龍踞山，植被發育，山體穩定。岸線為自然裸坡，植被較發育，基本未做防護，岸線穩定性較差，坡頂為205國道。

橋位的西溪南岸為西芹鎮，橋址段岸坡已做干砌塊石分級防護處理，但局部塊石有松動現象，未見明顯破壞、坍塌現象，岸坡坡度為20°～30°，勘察期間處于相對穩定狀態。岸頂為西芹鎮居民區。

西溪河面較寬，河道順直，水流較緩，水位受大氣降水、上游沙溪口水庫及下游水口水庫影響。河流雨季時常暴雨成災，西溪位于富屯溪、沙溪匯合口下游，入境洪水是主要成災洪水。閩北河道坡降大，匯流時間短，從源頭到南平匯流時間不足24 h；洪水暴漲暴落，破壞性強，具有典型的山區性河流特征。

2 施工方案比選

根據西芹大橋橋型，共有整體頂推施工[1]、懸臂拼裝[2]、先頂推橋面系后頂升拱肋施工等3種方案。

2.1 整體頂推方案技術分析

西芹大橋主橋為全鋼結構，具備整體頂推的優勢。但是西芹大橋1#主墩距離205國道為63.5 m，不具備整體拼裝場地；西芹大橋2#主墩距離6#橋臺123.7 m，且南側建筑拆遷受限、運輸條件不足，也不具備整體拼裝場地。故現場不具備采用整體拼裝、整體頂推施工方案的條件。

2.2 懸臂拼裝方案技術分析

鋼箱拱橋采用懸臂拼裝施工方案為常用施工工藝，通常有先拱后梁和先梁后拱2種做法。本項目因北側山坡設置錨點困難，且影響205國道的交通通行，南側西芹鎮涉及建筑拆遷等因素影響，同時河道內水位較低，無法采用船舶將橋梁鋼箱梁節段運輸至施工現場，因此不具備懸臂拼裝的施工條件（圖2）。

圖2 懸臂拼裝施工工藝示意

2.3 先頂推橋面再頂升拱肋方案技術分析

因施工條件的限制，本工程可先將橋面系采用成熟的頂推施工技術，然后在形成的橋面上進行拱肋的分段安裝，利用頂升施工技術，將各段拱肋進行頂升施工，并進行空中焊接成拱。這樣施工的優勢有：橋面可以形成制造平臺；可以小節段運輸，現場組裝大節段；避免了持久高空作業；減少對外部約束的影響，創造了施工條件。因此，采用先頂推橋面，再頂升拱肋成拱的施工方案是本項目的推薦方案（圖3）。

3 橋面頂推施工方案

3.1 節段頂推總體施工綜述

圖3 橋面頂推拱肋頂升施工工藝示意

拼裝平臺設在北岸0#臺至1#墩之間，縱梁節段在工廠進行加工制作后運輸至現場，由205國道進入頂推拼裝平臺，現場利用150 t履帶吊吊裝至指定位置，現場對鋼主梁進行拼裝焊接施工，鋼主梁前置鋼導梁從205國道由北至南向南平西站方向進行步履交替頂推施工，考慮現狀通航孔的要求及頂推工藝的受力要求，擬布置拼裝平臺長58 m，頂推臨時支墩跨徑布置為：32.5 m＋33.0 m×5＋32.5 m，導梁設置為41 m。

縱梁頂推完成后，對梁體平面位置、高程進行精確復測，利用頂推設備對其空間位置進行調整，滿足設計要求后，在主墩支座位置安裝支座，并調整支座高度，最后進行落梁。

3.2 拼裝平臺及中間臨時支墩

3.2.1 拼裝平臺設置

鋼主梁拼裝平臺布置在205國道～1#橋墩之間，拼裝平臺長58 m（標準節段6 m，可同時進行6個節段的拼裝施工），0#臺與1#墩之間采用鋼管支架搭設，0#橋臺與205國道之間根據平臺標高對臺背后進行回填壓實并澆筑厚20 cm的C30混凝土臨時基礎，作拼裝平臺使用。

各鋼管支撐頂部型鋼上部安裝321型標準貝雷片，東西兩側為縱梁安裝位置，且頂推施工時，梁端自重荷載作用于該支墩縱橋向中心線位置，受力較大，跨中位置區域為150 t履帶吊作業范圍，貝雷片必須滿足結構自重荷載及車輛行駛荷載（圖4、圖5）。

3.2.2 臨時支墩設置

考慮臨時支墩后期作拱肋頂升施工的需要，以及支墩豎桿往橋面接長需避開橋面縱梁橫隔板位置，并根據專家組意見考慮一個臨時支墩失效的極端工況下橋梁的整體安全性，將配跨設置為32.5 m＋33.0 m×5＋32.5 m，橫橋向間距設置為32.4 m，雙拼布置，全橋共設置12個臨時支墩（圖6）。

圖4 拼裝平臺的鋼管支撐布置立面

圖5 頂推拼裝平臺受力分析

圖6 主跨臨時支墩布置示意（單位：m）

各臨時支墩設置在西溪河道裸巖上[3]，標高擬合縱梁R=4 000 m曲線，P2#～P7#支墩頂推設備安裝平臺標高分別為84.644、85.189、85.461、85.461、85.189、84.644 m，平臺與梁底標高預留1.5 m高度，作為設備安裝及高度調節空間。

臨時支墩的設置經過Midas程序計算，考慮了施工時順橋向偶然水平力，橫橋向偶然水平力，百年一遇風載，豎向荷載20 cm偏心受力和百年一遇水流壓力的影響，同時考慮某一臨時支墩突然失效情況下的上部梁體安全（圖7）。

3.3 頂推施工

圖7 臨時支墩受力分析

本工程采用往復式交替頂推設備，可實現橋面系的連續頂推[4]。整個頂推設備自成一體，在計算機控制下，可以實現頂升、順橋方向移動，同時還可以實現橫橋方向的調整，在頂推過程中對鋼梁隨時進行糾偏；整套設備按照機械標準設計制造，調節精度高，能更好地滿足鋼梁對載荷和變形的控制要求；全液壓系統驅動，整機體積小、質量輕，控制比較平穩，液壓保護齊全，安全性比較高；頂推設備的上、下結構通過油缸實現順橋方向的移動，該推力為設備自身的內力，克服了由于其他方法頂推時對橋墩產生的水平推力；通過液壓系統的控制，可以自動調整和平衡各墩頂的豎向支撐力，使頂推更安全可靠。

一套頂推設備包括機械結構系統、液壓系統、電控系統（電氣、控制、傳感器）[5]。通過組合動作實現鋼梁在順橋向、豎向、橫橋向分別進行移動、頂升或調整，從而保證鋼梁頂推施工完成后的全橋線形（圖8）。

3.3.1 交替頂推步序

1）設備置于原位（頂推油缸復位，交替油缸復位，頂升油缸升至需要的高度）。

2）中間的交替油缸頂起，橋梁由中間部分受力。

3）設備頂推，帶動橋梁一起頂推。

4）中間部分頂推到位后，兩側的交替頂升油缸升起，中間部分的交替油缸下落。

5）兩側油缸頂推，中間油缸回縮，帶動橋梁繼續進行頂推作業。

6）兩側頂推裝置頂推到位后，中間交替油缸升起，兩側交替油缸下落。受力體系由兩側支撐轉移至中間交替油缸。

7）中間交替頂升油缸向前進行頂推作業，兩側交替頂升油缸回拉。

3.3.2 頂推糾偏措施

針對鋼梁橫向偏位引起的諸多問題，可采用一側頂推裝置不勻速頂推的方式進行糾偏，或利用步履頂推設備橫向糾偏千斤頂進行橫移調整技術措施，實現鋼梁頂推施工中的橫向偏位調整。

4 拱肋頂升施工方案

4.1 拱肋頂升施工流程

主橋拱肋頂升分5個部位進行施工，跨中3段拱肋（G14—G4、G4—G4'、G4'—G14'），先在橋面相應部位將頂升分配梁安裝至拱肋底部，然后搭設拱肋拼裝平臺，將各節段拱肋進行吊裝焊接。頂升P2～P4、P5～P7支墩位置，使第3段拱肋水平同步頂升，第2、4段拱肋進行旋轉比例頂升，頂升高度為16.576 m，使第2、3、4墩拱軸線形成整體，焊接中間嵌補段。再將第2、3、4段拱肋形成的整體拱進行同步頂升，頂升高度為12.721 m，頂升完成后，整體拱軸線與設計拱軸線擬合。最后在兩側拱腳位置搭設G15—G18拱肋滿堂拼裝平臺，各節段運輸至現場后利用吊車將拱肋逐步與頂升完成的拱肋焊接，形成整體（圖9）。

圖9 拱肋頂升施工流程

4.2 拱肋頂升受力分析

4.2.1 拱肋受力分析

頂推主梁結束后，需要在已有的頂推臨時墩、頂升臨時墩及支架上，對拱肋進行頂升。頂升段拱肋順橋向長度為157 m，中間設置4個頂升鋼支撐。拱肋順橋向頂升鋼支撐間距布置為30 m＋30 m＋34 m＋30 m＋30 m。利用Midas/Civil 8.2.1進行分析計算，建立拱肋模型。模型共含節點78個，梁單元73個（圖10）。

圖10 拱肋頂升受力分析模型

4.2.2 頂升支架受力分析

本工程施工方案利用臨時支墩為基礎，在支墩上架設頂升支架，頂升支架與橋面不固結。根據臨時支墩布置情況，拱肋共有12個頂升支架，中頂升支架距離橋面最大高度為28 m，計算按照30 m考慮（圖11、圖12）。

圖11 P4P5臨時支墩受力分析

圖12 P2P3、P6P7臨時支墩 受力分析

頂升過程中，臨時支墩不僅承受豎向力，同時也將承受水平力及豎向力偏載。

需要考慮的荷載主要如下：順橋向施工偶然水平力，取豎向力的2%計入；橫橋向施工偶然水平力，取豎向力的2%計入；考慮南平地區百年一遇風荷載作用，基本風速按照27.3 m/s設計；施工中溫差引起的順橋向變形，設計考慮10 K的溫差變化，取0.023 m；施工誤差引起的順橋向位移差，按2 cm考慮；考慮百年一遇洪水位81.6 m下的流水壓力，取3.7 kN/m2。

4.2.3 頂升施工

中間段拱肋自重按1 600 t進行計算，共設置12個頂升點，每個頂升點頂升質量為133.3 t，為了保證頂升施工具備足夠的安全儲備，每個頂升點安裝2臺200 t千斤頂，全橋共48臺，總頂升力可達9 600 t，安全系數6.0。橋梁每個橫斷面為一個PLC控制點，配備一臺PLC泵站進行頂升，頂升時全橋共6臺PLC泵站進行連接，對全橋進行同步控制，控制精度為2 mm[6]。

控制點的劃分原則為頂升過程安全可靠，特別注重同步性和橋體的姿態控制。

本次頂升采用交替式頂升[7-8]，交替式頂升在頂升過程中，梁體處于2組千斤頂交替支撐的狀態，2組千斤頂交替支撐時，梁體位移均處于可控狀態，在每一組支撐狀態下，支撐體系的壓縮量幾乎不產生變化，因而梁體內力也幾乎不產生變化。

在這種作業方式下，梁體位移自頂升開始到頂升結束均連續處于受控狀態。每個千斤頂壓力也均為連續監控狀態，因此可以保證梁體在頂升過程中不被損壞，包括梁體在內的整個支撐體系也處于監控狀態中。因此整個橋梁頂升系統也處于安全可控狀態中。

5 結語

該項目因設計進行修改，最終未進行實施，但相關技術已經深入討論，并通過專家論證。

鋼拱橋的橋面交替頂推及拱肋交替頂升拼裝施工工藝利用目前較為成熟的頂推技術及頂升技術，具備技術先進性、設備可靠性的特點，可為類似工程項目提供新的思路。