大跨曲線鋼槽梁頂推施工關鍵技術

楊增權

(寧德沙埕灣跨海高速公路有限責任公司，福建 寧德 355200)

0 引言

伴隨國家經濟和交通發展的需求，我國建造了一大批在國際上具有影響力的特大型橋梁[1]。特大型橋梁的建造和技術水平展現了國家的綜合技術實力與經濟水平。目前頂推工藝逐漸成熟，但傳統頂推施工工藝主要適用于橋梁線形單一情況，且頂推施工需要設置中間臨時墩或墩旁支架。對于大跨曲線梁，為了促進橋梁頂推法施工技術的發展，在保證安全、質量和效率的同時，對高墩彎橋頂推技術的優化顯得尤為重要[2]。本研究以福建省沙埕灣跨海大橋南引橋為工程背景。該橋地處海洋環境臺風頻發地區，且屬丘陵山區，無較好運輸條件，橋梁標準跨徑達80 m，墩高均超過50 m，中間不設臨時墩和墩旁支架，鋼槽梁由緩和曲線段向直線段頂推。針對上述復雜地形情況和技術條件，展開鋼槽梁頂推施工核心工藝研究。

1 工程概況

沙埕灣跨海大橋位于福建省福鼎市境內，南引橋采用鋼混組合梁橋平曲線曲率1/1 730，左、右幅第1聯跨徑布置均為6×80 m，第2聯左幅跨徑(64+4×80+64) m，右幅跨徑(64+4×80) m。南引橋所在南汊海域約400 m，下部結構采用樁基配空心花瓶墩柱，墩身最高達50 m，跨徑最大為80 m(見圖1)[3]。

圖1 沙埕灣跨海大橋布置(單位：mm)Fig.1 Layout of Shacheng Bay Sea-crossing Bridge (unit: mm)

2 鋼槽梁頂推設計

2.1 鋼槽梁整體線形及結構設計

2.1.1鋼槽梁整體線形

沙埕灣跨海大橋南引橋左右幅里程范圍分別為K14+129—K15+065，K14+129—K15+001。橋梁主要承重構件為中心線高4 m的等高單箱單室鋼混組合而成的連續槽型箱梁，橋面采用分離式斷面，橋面寬度2×18.1 m，左幅橫坡坡度：2.713%～3%；右幅橫坡坡度：-0.158%～3%。

2.1.2鋼槽梁結構設計

頂推施工槽型鋼梁主要結構包括頂板、腹板、底板及通長布置的腹板，底板設置縱向加勁肋。頂板厚度為20～65 mm，寬度和高度分別為1.2 m和3.72 m；內外側腹板斜率分別為1∶2.220和1∶203 1，腹板厚度為16～35 mm；底板寬度7.6 m，厚度為14～30 mm。腹板豎向加勁肋設計為T型結構形式，腹板水平加勁肋和底板縱向加勁肋采用板式結構形式[4]。槽型鋼梁橫向結構包括空腹式和實腹式兩種形式，除支點位置為實腹式橫梁外，其他位置均為空腹式橫梁[5]，見圖2。

圖2 鋼槽梁斷面圖(單位：mm)Fig.2 Cross-section of steel trough beam (unit: mm)

為了滿足運輸要求與頂推的線形要求，槽型鋼梁設計分為5種梁段結構類型(見表1)。梁段分節段在場內制造，減小單榀梁段的質量，便于槽型鋼梁的吊裝運輸和頂推施工中梁段局部的線形調整。

表1 鋼槽梁節段類型劃分

2.2 頂推施工方案設計

2.2.1頂推鋼導梁設計

鋼槽梁頂推最大跨徑為80 m，鋼導梁結構形式為變截面設計：前端高度為1.5 m，尾端高度為4.0 m，腹板厚度由1.6 cm漸變至2.4 cm，翼緣板寬度由60 cm漸變至80 cm，在滿足穩定性和強度的條件下，選擇以減小主梁頂推時最大懸臂狀態的負彎矩為目的的輕質導梁[6]。導梁制作預拼完成后，通過海運運到現場，節段之間用高強度螺栓連接，尾部與鋼槽梁焊接[5]。導梁橫向采用方鋼焊接，腹板之間采用貝雷銷銷接。橫向聯系桁架單孔質量為2.6～3.3 t，長度和寬度分別為1.86 m和1.4 m，每幅導梁之間共有5個桁架。

2.2.2墩頂托梁設計

鋼槽梁頂推施工是在墩頂凹槽內安裝箱形變截面承載梁體系，輔助墩頂受力的同時消除了支架下沉的風險[7]。槽型鋼梁頂推到位后，再沿邊緣氣割進行割除，切割邊用同厚度鋼板焊接成連接板，采用高強度螺栓連接。墩頂的承載梁與槽型鋼梁接觸的位置支墊1 cm橡膠墊片，避免對鋼槽梁表面的破壞。墩頂承載梁的設計與使用極大降低了材料投入，摒棄了搭設腳手架、預埋承力件等常規方法，同時減少了臨時墩支架搭設的工期。

2.2.3防臺風設計

該橋位于福建省沿海地區，考慮到每年經常會受到臺風及其暴潮等自然災害的襲擊，這就需要在自然災害來臨之前做好各方面的防御措施，確保生命和財產安全。因此在槽型鋼梁頂推施工設計中須加入防臺風臨時錨固設計。在墩身中提前埋設8根φ32 mm的精軋螺紋鋼，連接套筒預先外漏。預先對槽型鋼梁底部進行定位開孔，確保與預埋套筒位置對應。在臺風期間，通過槽型鋼梁的底部孔道，接長螺紋鋼穿過鋼梁進行錨固。

圖3 鋼導梁結構設計(單位：mm)Fig.3 Structural design of steel guide beam (unit: mm)

圖4 頂推施工托梁設計(單位：mm)Fig.4 Design of joist for incremental launching construction (unit: mm)

圖5 防臺錨固設計(單位：mm)Fig.5 Design of anti-platform anchorage (unit: mm)

3 鋼槽梁頂推施工工藝

3.1 頂推施工流程

鋼槽梁梁段采用整幅步履式多點連續頂推法施工。鋼槽梁在工廠分節段預制，通過海運至施工現場，鋼槽梁節段在頂推平臺上拼好后，導梁和部分鋼槽梁節段在頂推平臺前端的三向千斤頂作用下移動，然后采用步履式頂推設備提供頂推力，帶動梁體前進，可以通過頂升調節里程方向，還可對橋梁局部線形進行橫向調節[8]。簡要施工流程如下：承載梁、操作平臺安裝→千斤頂調試安裝(鋼導梁、鋼槽梁加工運輸)→導梁拼裝→槽梁調節、焊接→(施工監控、焊縫檢測)→頂推施工(導梁過墩、糾偏)→墩頂落梁→橋面板安裝。

3.2 頂推施工

3.2.1多點同步頂推

在每個墩頂設置2個水平千斤頂(小噸位)，頂推全部采用步履式三向千斤頂[9]。每個液壓系統以中央控制機為控制中心，實現對單臺液壓系統的控制。為了保證步履式千斤頂在頂推施工中的同步性，一般均需通過中心控制室控制各千斤頂的出力等級，保證同時運作。每臺液壓站具有按鈕操作、觸摸屏和遠程中央控制機操作功能。上位機也具備遠程單控與遠程連控的功能。

中央控制器具有實時同步、界面刷新速度快、通訊故障及時反饋的提醒功能[10]。遠程操作可選擇對應站點液壓系統控制，前進或者后退，改變相應工況的位移，點擊相應的油缸按鍵來實現。

3.2.2鋼梁橫向糾偏

鋼槽梁產生橫向偏位主要有以下幾個原因：

(1)橋梁頂推過程中由于橫向兩側頂推距離不同步，實際過程中同步性不能達到理想狀態，產生的數值累計達到控制報警值時，鋼槽梁軸線與設計橋梁中心線形成一定角度，從而產生偏位。

(2)頂推施工直線段處于曲線段的切線方向，平面上鋼梁軸線與設計軸線會產生偏差。

(3)槽型鋼梁在頂推過程中，每個橋墩相對應的反力不一致導致摩擦力不均。

橫向糾偏方法：

(1)為確保頂推施工的同步，在頂推過程中根據不同步值，計算兩側頂推裝置單次行程差，使鋼梁軸線偏向側頂推設備加快頂推速度，分多次逐步減小偏差角度，從而達到糾偏目的。

(2)頂推施工中軸線偏位預警值為5 cm，當達到5 cm時進行糾偏[11]。

(3)頂推時動態調節梁段措施。通過各種導向裝置限位，設置4個橫向調節油缸，啟動油缸的調整功能，通過橫向調節梁段位置使偏差值在設計的允許范圍內。

3.2.3頂推施工應力控制

通過有限元模擬分析[12]，計算頂推施工過程中的應力情況。

(1)荷載

主要荷載有以下幾部分。

鋼槽梁的自重：單段鋼梁質量如表2所示，考慮的分項系數值為1.35。

表2 鋼梁節段質量

導梁的自重：導梁長為50 m，自重為1 220 kN，分項系數值為1.35。

風荷載：工作風級為6級，對應的風壓力wk=0.32 kN/m2；非工作最大風速v=35.2 m/s(10 m高度)，風級為12級，wk=2.18 kN/m2，分項系數值為1.4。

(2)工況的受力與變形分析

根據全橋橋墩分布、施工場地地形及施工工藝等條件，對頂推鋼槽梁全過程的21種工況進行分析[13]，對各工況計算分析其對應的受力與變形。其中，大部分工況為導梁即將上墩時的最大懸臂狀態。

(3)頂推過程有限元模型建立

利用有限元分析ANSYS軟件，建立全橋有限元模型。主梁結構及導梁主肢采用Shell63板單元，導梁連接桁架采用Beam188單元，用倒退連續梁進行計算。

(4)頂推施工過程有限元模擬計算

根據有限元計算可知，左幅鋼槽梁最大應力出現在(工況8)19#橋墩支撐位置的頂板區域(見圖6(a))；右幅鋼槽梁最大應力出現在(工況8)18#橋墩支撐點處的鋼梁頂板位置(見圖6(b))。

頂推過程中，最大懸臂狀態下鋼槽梁的最大應力計算結果如下：左幅為σmax=239.5 MPa<325 MPa；

表3 頂推施工工況

圖6 鋼箱梁最大應力放大云圖(單位：MPa)Fig.6 Magnified nephograms of maximum stress on steel box girder(unit: MPa)

右幅為σmax=267.5 MPa<325 MPa。頂推施工鋼槽梁局部應力滿足規范要求。

3.2.4頂推整體線性控制

南引橋頂推完成后，發現頂推過程中端梁的空間姿態對線型影響較大[14]，頂推拼裝過程中每輪數據采集存在較多制約因素，具有一定的隨機性和較大敏感性。頂推完成后，對比落梁后的實測數據與設計線形數據(見圖7和圖8)，發現南引橋80 m梁段的頂推軸線最大偏差為19 mm，高程方向最大偏差為28 mm；64 m梁段的頂推軸線最大偏差為17 mm，高程方向最大偏差為26 mm，滿足設計規范要求[15]。

圖7 南引橋第1聯總體線形圖及誤差折線圖Fig.7 General linear diagram and error line diagram of first connection of south approach bridge

圖8 南引橋第2聯總體線形圖及誤差折線圖Fig.8 General linear diagram and error line diagram of second connection of south approach bridge

4 結論

針對高墩、大跨徑、彎橋等特點，對沙埕灣跨海大橋南引橋提出了穩定可行的頂推施工方法[16]。通過研究施工階段槽梁切向頂推的橫向偏移規律[17]，提出了步履式頂推施工橫向糾偏工藝。首次采用承載梁這一創新構造，避免了中間設置臨時墩和墩旁支架。目前我國公路橋梁等基礎設施建設正處于蓬勃發展的時期，各類跨江跨海大橋層出不窮，沙埕灣跨海大橋南引橋鋼混組合梁的頂推施工技術可以為今后類似橋梁頂推施工提供寶貴的技術經驗[18]。