基于步履式頂推施工的跨高速公路鋼箱梁橋設計

袁鵬飛, 楊懷英

(合肥市規劃設計研究院，安徽 合肥 230041)

0 引 言

對于跨線橋梁設計，尤其是在交通繁忙的道路上建造跨線橋，受橋下道路通行、施工組織、交通管控等因素的制約，橋梁總體設計多采用跨越能力較強，施工快捷方便的連續鋼箱梁方案。鋼箱梁橋的架設方法有多種，如吊裝法、懸拼法、浮運架設法、頂推法。頂推法主要用于受施工場地限制的立體交叉處，國內鋼箱梁施工中應用逐漸增多，當橋梁施工過程要求不影響下方道路的正常通行時，頂推法施工是較理想的方法。多點頂推施工無須搭設大量支架、不必封閉車道限制交通，可有效降低橋梁頂推施工對橋下車輛通行的不利影響，同時可提高施工效率，縮短建設工期。

1 工程概況

本橋為合肥市空港經濟示范區興業大道上跨G40滬陜高速公路合六葉段橋梁，跨越處現狀高速公路路基寬27.0 m，雙向4車道。為充分預留高速公路遠期拓寬條件，橋梁跨徑布置為(40+60+40)m，連續鋼箱梁，雙幅橋布置。主梁采用單箱四室斷面形式，腹板間呈封閉箱型，梁高2.6 m，單幅箱梁橋頂寬19.4 m，底寬12.3 m；橋面板采用正交異性板結構，標準斷面頂底板及腹板厚均為16 mm，邊支點附近頂底板厚24 mm，中支點頂底板厚28 mm。除懸臂部分外，頂板其余范圍縱向加勁肋采用厚8 mm 的U肋，橫向間距600 mm。懸臂端部局部采用厚14 mm的板式加勁肋，間距300 mm。底板寬度范圍縱向加勁肋均采用厚8 mm的 U肋，橫向間距600 mm。沿箱梁縱向間隔2～3 m設置厚14 mm的橫隔板，并在連接導梁的中腹板底板處間隔500 mm設置局部加勁肋。因跨越點高速路段交通繁忙，為不影響下方高速公路正常雙向通行，采用步履式多點連續頂推法分幅施工。主梁鋼材材質采用Q345qD，單幅鋼箱梁重約1 713 t。作為安徽省首例采用步履式多點頂推法施工跨越高速公路的市政橋梁項目，主跨60 m鋼箱梁橋在結構設計、施工線形控制、現場管理等方面都需要更高的要求。跨線橋標準橫斷面如圖1所示。

圖1 跨線橋標準橫斷面(單位:m)

2 鋼箱梁頂推施工風險防控

對于上跨高速公路橋梁的施工，需要重點解決的問題是工程施工與既有高速公路運營的相互影響。橋梁跨越滬陜高速公路，為確保頂推施工順利完成，保證高速公路正常通行，避免高空墜落物等不利情況的發生，頂推施工需要注意以下幾個方面。

(1)每階段開始頂推時，先進行試頂推，然后正式頂推。通過試頂推演練頂推施工、頂推測量監控的具體實施，可以發現準備工作中的不足，并做相應整改。

(2)頂推時，應派專人檢查梁底及支撐體系，如果支架或分配梁發生變形、地基發生沉降或箱梁局部變形等情況發生時，應立即停止頂推，分析處理。

(3)須對頂推的梁段中線進行測量，并控制在允許范圍以內，同時進行位移觀測，主要是梁底的中線偏移和墩頂的水平、豎向位移，若出現偏差，需要及時糾偏。

(4)高速公路交通流量大，交通組織復雜，運輸極其繁忙，施工前應制定詳細、合理的施工方案及施工組織設計，交通組織，保通以及緊急情況下車輛繞行預案等方案。

(5)施工期，施工設備及材料等搬運過程中嚴禁向高速公路拋灑落物，并應制定嚴格的措施確保不墜物。

3 鋼箱梁橋頂推施工方案

采用步履式多點頂推千斤頂設備同步頂推實現橋梁的豎向、順橋向、橫橋向的移動或調整，從而保證箱梁頂推安裝過程中的位置準確。頂推過程中每臺千斤頂設備利用“頂”、“推”、“降”、“縮”四個步驟交替進行，先將箱梁整體頂升托起，然后頂推平移油缸向前推送一個行程，之后將梁體整體下降置于臨時墩分配梁上，頂推平移油缸再回縮，完成一個行程的頂推，然后進行下一個頂推循環行程，單個行程向前頂推0.3 m，頂推速度約2 m/h。

3.1 頂推總體方案

橋梁擬采用頂推和吊裝結合方式安裝鋼箱梁，單幅共分為15個節段，橋梁縱向分段示意圖如圖2所示。由于箱梁跨高速公路，限制了臨時支墩設置和吊車作業，因此在跨高速公路及前端部分擬采用頂推方式完成安裝。具體4-15節段為頂推節段，1-3節段為吊裝節段。吊裝設備擬采用200 t汽車吊。鋼梁節段由廠內發運至現場安裝，頂推節段按15-4節段順序在臨時支架上分步焊接成整節段后，采用步履式頂推方式將15-4節段依次頂推到位、落梁，剩余3-1節段采用汽車吊進行吊裝。按此方式先后完成西、東幅鋼箱梁的安裝，施工場地布置示意圖如圖3所示。

圖2 橋梁縱向分段示意圖(單位:m)

圖3 施工場地布置示意圖

3.2 鋼導梁設計

導梁由兩片主梁及兩道橫撐組成，導梁全長25 m，為頂推跨度的0.625倍，主梁中心距7 m，工字型結構，主梁間橫撐為I20工字鋼。為了使導梁更好的上頂推支墩，將導梁前端設計為臺階形構造。導梁材質Q345B，導梁總重約為60 t。導梁在與鋼箱梁對接焊接時，頂底板對接焊縫應達到100%的熔透，并在頂板、底板處設置加勁板，增強連接的可靠性。

3.3 拼裝支架及頂推支架設計

拼裝支架由4根φ426×8的立柱和10槽鋼的斜撐和橫撐組成，分配梁用雙排的40工字鋼組成，加強結構的整體穩定性。頂推支架由四根鋼管樁構成，按照200 t設計單個支墩反力，選用外徑630 mm、壁厚10 mm的鋼管設置支架，鋼管樁下地面做混凝土硬化，并在混凝土內進行鋼筋預埋。單幅設頂推支架5組，用于鋼箱梁的步履式頂推施工，支架基礎采用(5×5×0.6) m的C30鋼筋混凝土形式。支架立面布置示意圖如圖4所示。

圖4 支架立面布置示意圖(單位:m)

4 計算分析

4.1 施工階段應力驗算

頂推過程中，橋梁的邊界條件和荷載條件在各施工階段均在發生變化，且每一截面的內力以正負彎矩交叉出現。橋梁頂推階段的結構受力及變形控制對落梁成橋后的結構受力及成橋線型起決定作用[4]，因此需要對施工過程各個工況進行計算分析。

根據上述支架布置情況，頂推作業期間主要驗算以下三種工況。

工況一：導梁即將上墩時，主梁懸臂長度最大時主梁及導梁的受力情況。

工況二：導梁完成上墩時，導梁前端到達臨時支墩處。

工況三：導梁與主梁銜接處(后端)到達臨時支墩處。

利用MIDAS Civil有限元軟件，建立主梁+導梁模型,如圖5所示，進行模擬計算。主梁邊界條件除最大懸臂狀態結構外，其余結構按移動模架邊界設置。計算荷載考慮主梁和導梁自重及部分施工荷載。計算結果見表1。

圖5 計算模型

表1 主梁及導梁施工階段計算結果表

由表1可知，施工階段各應力值均在規范容許范圍內。

4.2 運營階段受力分析

運營階段建立有限元模型，荷載按如下規定取值：主梁自重由程序自動計算；二期荷載(橋面鋪裝與防撞護欄)，按均布荷載施加；汽車荷載，城-A級，單向3車道，橫向折減系數取0.78，汽車荷載按最不利情況考慮加載；溫度作用包括系統升溫、降溫以及溫度梯度，根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015)取值計算；沖擊系數按2.3 Hz基頻考慮計算；基礎不均勻沉降，邊墩按10 mm取值，中墩按15 mm取值。

4.2.1 第一體系應力

鋼箱梁沿縱向整體受力，其受力特性為跨中正彎矩最大，支座負彎矩最大。采用空間梁單元模型計算主梁上、下緣最大應力以及剪應力。荷載基本組合下計算結果見表2。

表2 主梁第一體系應力計算結果

4.2.2 第二體系應力

作為橋面系直接承受車輪荷載作用的構件，鋼橋面板由縱肋和頂板組成，將橋面荷載傳遞至橫隔板。針對這一結構體系，把橫隔板間的單根縱肋及相應有效寬度的橋面板作為整體，以橫隔板為支撐，計算其在外荷載作用下的應力。因設計縱肋穿越橫隔板保持連續，所以縱肋具有聯系梁的特性。按多點剛性支承連續梁計算縱肋彎矩，跨度采用橫肋間距3 000 mm，采用MIDAS Civil程序計算，縱肋上緣最大應力為22.8 MPa，最小應力為-58.7 MPa，下緣應力為192.6 MPa。

第一體系與第二體系疊加后的結果見表3。

表3 主梁第一體系+第二體系應力計算結果

4.3 疲勞驗算

根據《公路鋼結構橋梁設計規范》5.5.3～5.5.4規定進行疲勞驗算，取疲勞荷載計算模型Ⅰ。根據附錄C中表C.0.2和第5.5.8條查得，本橋鋼梁對應的細節類別為100。根據規范公式計算，跨中區域上、下緣正應力幅分別為10.9 MPa、

14.9 MPa，均小于考慮尺寸效應折減及疲勞抗力系數調整的正應力常幅疲勞極限值54.6 MPa，正應力疲勞驗算滿足規范要求；連續墩頂區域、伸縮縫區域剪應力幅分別為7.1 MPa、6.5 MPa，均小于考慮疲勞抗力系數調整的剪應力幅疲勞截止限值33.9 MPa，剪應力疲勞驗算滿足規范要求。

5 結束語

頂推法施工憑借其安全、高效、施工場地少、對周邊環境影響小等優勢逐漸成為橋梁施工中不可或缺的施工方法。結合跨滬陜高速公路鋼箱梁橋頂推施工的工程實例，模擬分析了鋼箱梁在頂推施工過程以及成橋狀態的主要受力性能，為今后類似橋梁設計、施工提供了借鑒經驗。

(1)對于跨高速公路的橋梁設計，需綜合分析考慮結構形式、施工工藝方法、高速道路斷面布置及其交通流量等多種因素，優化設計方案，盡量做到使橋梁施工對高速公路的通行影響最小；

(2)通過對頂推施工過程以及成橋階段計算分析，結合頂推施工最不利工況下的應力結果可知，頂推法施工鋼箱梁橋的受力在正負彎矩交替出現的過程中是滿足規范要求的，最終的成橋狀態是安全可靠的；

(3)頂推施工是一項工藝復雜，線形控制要求高、難度較大的技術，只有加強管理，嚴控施工質量，做好針對性的風險防控措施，通力合作，才能保證安全、高效的質量目標。