鐵路車站新建天橋頂推施工技術及受力分析

溫 裕 洪

(中鐵二十四局集團福建鐵路建設有限公司，福建 福州 350013)

1 概述

在既有客運鐵路車站新建跨線鋼結構天橋，考慮到列車發車時間緊湊給施工場地布置帶來不便，且傳統施工方式也會影響列車的安全運行，因此采用頂推的方式架設鋼桁梁。在確保車站正常運營條件下，合理利用施工場地，優化組織措施，提高施工效率。以某鐵路客運站客運設施擴能改造工程為依托，圍繞天橋頂推臨時措施、頂推施工技術和有限元模型受力分析三個方面進行了分析，所提出的施工控制技術在工程中取得顯著效果，可為同類工程建設管理和施工組織提供參考。

2 工程概況

某鐵路車站客運設施擴能改造工程需新建進站天橋，天橋共跨十條既有線路。進站天橋長度109.72 m，寬度12 m，分成8節施工，最長節段15.641 m，重24.95 t，一側設樓梯和垂直電梯、另一側樓梯和自動扶梯并行設置。天橋主體由焊接箱型梁與無縫鋼管拼裝而成，基礎采用樁基礎，位于站臺上的基礎為樁徑800 mm群樁(3樁)基礎，位于線路之間的基礎為樁徑1 200 mm單樁基礎，樁長不小于6 m(以入巖深度和最小長度控制)。

3 天橋頂推臨時措施

3.1 頂推支撐架基礎施工

頂推臨時支架拼裝工藝流程：地基處理→基礎施工→格構柱吊裝，支架構件進場→連系梁吊裝→縱橫向分配梁安裝→作業平臺及千斤頂安裝。

根據頂推架平面布置，在頂推架下方施工基礎，基礎采用混凝土獨立基礎，混凝土強度為C30，內部預埋螺栓，要求地基承載力不小于150 kPa，對達不到要求的部位采用砂石換填處理。頂推支撐架采用焊接鋼管柱及H型鋼梁為主的重型支架，鋼柱之間焊接工字鋼斜撐，以保證支架整體穩定性及結構安全。

3.2 吊裝作業

在充分考慮本工程鋼柱吊裝的現場環境、吊裝的重量及幾何尺寸、距離既有鐵路安全限界的距離、吊機站位要求等因素的前提下，本工程頂推支架選用50 t汽車吊進行吊裝，并對汽車吊支點處支承應力進行計算，確定鋼絲繩和卸扣選型。

3.3 站臺內支架

為減少施工對客運的影響，在既有站臺上不設置頂推設備支架，采用3個站臺雨棚結構梁作為設備基礎，雨棚柱之間的框架梁截面600×1 000 mm，配筋10Φ25，6Φ25，并在中部加設φ325×10 mm鋼管頂撐。用于頂推過程中的的臨時輔助支撐。在原有地基梁上預埋鋼板，焊接鋼柱，分段對接每段長度不大于2 m，采用法蘭形式連接，頂部采用楔形鋼板頂緊，靠混凝土一側要用20 mm厚鋼板保護。頂推架立面布置圖見圖1。

3.4 天橋拼裝方案

為了減小頂推過程中桁架前端懸臂段受力及變形過大，在桁架前端增設10 m長前導梁，前導梁采用桁架下弦桿和腹桿制作并加Ⅰ25a工字鋼橫向支撐，如圖2所示。

吊裝前對拼裝支墩上鋼箱梁節段就位點進行測量放樣，分段構件需精準吊裝到標識位置，并對相鄰分段縱向焊縫及橫向焊縫的臨時卡具進行找正、定位，并用水準儀校核標高，如有下沉，用已安裝的千斤頂進行輔助頂起、加墊板，直至達到標高要求，再進行固定、點焊[1]。

4 天橋頂推施工

4.1 頂推施工方案

由于天橋橫跨既有線路，為保證鐵路運營安全，除天橋柱在設計位置施工外，天橋主體鋼桁架及連接鋼梁等構件均在拼裝支架上拼接，采用步履式頂推工藝。其主要步驟為：安裝頂推裝置→頂升鋼梁→向前移動鋼梁→鋼梁到達標定位置時下降至墊梁→水平千斤頂收缸。

考慮到天橋主體鋼桁架在頂推到位后再進行要點施工的困難，在天橋主體桁架頂推前，在頂推架上將后續的天橋圍護結構(檁條、屋面圍護系統、樓面板、外裝骨架等)同步安裝完成，以保證后續工程的安全便捷施工，以上所有構件隨天橋主體鋼桁架一并頂推至設計位置，如圖3所示。

4.2 頂推施工關鍵技術

4.2.1頂推控制

運行各支撐位置處的頂推設備，通過壓力傳感系統獲得各位置的支反力值，然后將該值進行換算后設置頂推油缸的壓力，并且控制臨時墩上兩側頂推油缸同步頂推。頂推過程中為避免鋼箱梁超出橫向偏移限值，對鋼箱梁的中軸線進行實時監控，并設定頂推時超出橫向位移30 mm時，必須進行糾偏。當整體同步頂推至距離就位點相差50 mm時，此時降低頂推速度，技術人員對所有頂推點的相對距離進行測量，然后根據結構的姿態調整相應的控制參數。繼續整體頂推至距離就位位置相差10 mm時暫停，技術人員再次測量所有頂推點的相對距離，然后根據測量結果分組調節相應頂推點的頂推速度[3]。現場圖見圖4。

頂推過程中天橋鋼桁架梁懸挑長度較大時，會增加天橋傾覆的風險，需對結構進行抗傾覆保護，在第4輪天橋頂推前增加天橋抗傾覆配重，提高天橋抗傾覆系數；在第4輪天橋頂推后增設臨時支撐，增加安全系數[4]。

4.2.2同步頂推保證措施

通過調整千斤頂的控制參數進行位移同步控制、壓力均衡控制、橫向調節控制，確保鋼箱梁整體不發生超值偏移。主控臺除了控制所有支撐位置上頂推千斤頂的統一動作之外，還必須保證所有頂推千斤頂每行程的同步[5]。在同一支撐位置處選取其中一個水平頂推千斤頂為主動點，其余水平頂推千斤頂跟隨運行，并與主動點的位移量差控制在5 mm以內。

4.2.3豎向頂升控制

豎向頂升過程中主控臺一方面控制千斤頂的伸缸量，另一方面通過位移監測系統對頂升的高度進行反饋調節，以此確保兩側頂升千斤頂的同步。控制方案為以其中一側為基準，兩側位移差控制在4 mm之內，通過控制相應比例閥的流量，調節頂伸缸的速率。采用同樣的方式控制頂升千斤頂同步回縮。在每個受力點上安裝1個壓力傳感器用于監控每個受力點的荷載，如果某個受力點的載荷達到設定的最高壓力或同一支撐位置上各受力點之間的最大壓差大于設定值時，系統會自動停機，并報警示意[5]。

4.3 頂推施工關鍵點

1)在千斤頂運行過程中，注意觀測位移傳感系統和壓力傳感系統的工作狀態，并做好記錄工作。

2)天橋鋼桁梁剛度較大，在頂推過程中必須保證各輔助支墩上的滾軸受力均勻，防止出現脫空。頂推過程中需在各輔助支墩上設置頂升裝置，密切觀察并調整梁底高度，保證輔助支墩與梁底面緊密接觸，均勻受力。

3)頂推過程中對中間支點前后結構桿件進行應力監測，實時動態監測，如發現應力超限，立即停止頂推采取措施，保證結構安全穩定[6]。

4)最后一次頂推結束時，必須在頂推平臺上進行放置重物，用以保證鋼桁梁整體的穩定性。

5 受力分析

5.1 計算模型建立

利用Midas civil有限元軟件建立計算模型。根據天橋頂推過程中鋼桁架梁的結構受力及變形特征，天橋主體結構選用梁單元模擬，密度取值為7 800 kg/m3，彈性模量取值為205×103N/mm2。拼裝支架上的各支承點及滑道支撐不考慮拉力影響，支座只承受豎直方向壓力。頂推模擬過程中，樓扶梯未安裝，只考慮結構自重，模型采用線性靜力分析。天橋構件表如表1所示，計算模型如圖5所示。

表1 天橋構件表

5.2 計算結果分析

考慮現場實際施工情況，對以下兩種工況進行了數值計算：

1)鋼桁架梁處于最大懸挑長度。

2)千斤頂降落后，導梁前段有支撐。從而得到不同工況下天橋各構件的應力最大值，并進行統計，如表2所示。

表2 不同工況構件應力值 MPa

由表2可以看出，在不同工況時，上、下弦桿件及腹桿作為主要受力構件，應力值變化較明顯，易發生損壞，應重點關注。進一步分析鋼桁架梁各支撐位置受力情況，發現當鋼桁架梁處于最大懸挑長度時支點反力最大值為669 kN，頂推過程中需密切關注傳感檢測系統，避免局部應力破壞，見圖6。

當鋼桁架梁處于最大懸挑長度時，導梁端部變形最大，豎直方向位移達到27 mm。在千斤頂降落后，導梁前段有支撐的情況下，結構變形依然集中在導梁部分，豎直方向位移為14 mm。

根據以上數值計算結果，參照GB 50017—2017鋼結構設計規范[7]對天橋鋼桁架結構進行穩定性驗算，得到以下結論：

1)鋼桁架天橋在頂推過程中出現的最大應力值均小于Q235B鋼材的許用應力值且應力值的變化趨勢符合設計要求，說明利用整體頂推法對該天橋施工可滿足使用要求。2)在整個頂推過程中，上、下弦桿件和導梁等關鍵結構的位移值均在可控范圍內。

6 結語

1)總結了天橋頂推臨時措施和頂推施工技術，并提出頂推需特別注意的控制要點，為天橋鋼桁架梁頂推施工提供了技術支持。

2)將跨線鋼桁梁頂推架設的各步驟簡化為力學模型利用有限元模型進行計算，分析了橋鋼桁架梁主要桿件的受力情況及整體變形，論證了頂推方案的可實施性。

3)在安全施工為首要前提下，通過理論與實踐相結合的方式，提高了施工效率，使工程按期順利完成，可以為類似工程提供參考。