頂推通道上一座大橋橋梁方案研究

張科峰

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

自1959年奧地利的阿格爾橋首次成功采用頂推施工以來，頂推已成為橋梁施工中一種常用的成熟工法，在橋梁建設中發揮了巨大的作用。頂推法的構思來源于鋼梁的縱向拖拉施工法。頂推法用水平千斤頂取代了卷揚機和滑車，用板式滑動支座取代了滾筒，改善了由于卷揚機和滑車組啟動時造成的沖擊和滾筒的線支撐作用引起的應力集中。

在我國，陜西的耿家河橋首次采用頂推施工之后，陸續已有上百座橋梁采用，為該工法在我國的應用與創新積累了豐富經驗。頂推施工最初適用于直線橋梁，到現在已發展到曲線連續梁、變高度連續梁、簡支鋼桁梁、拱橋、斜拉橋主梁、自錨式懸索橋加勁梁等多種結構類型的橋梁。

頂推施工時，對橋下既有公路、鐵路、水運的正常通行基本不影響或干擾較小，不需要大型起吊設備和大量腳手架，大幅減少高空作業，特別適合跨越公路、鐵路、既有線、航道、大堤以及重要建筑和復雜地形的橋梁。

1 項目概況

臨猗黃河特大橋及引線工程是國高網菏寶線（G3511）的重要組成部分，也是山西省高速公路規劃網的重要段落，是山西省西通陜西省渭南、西安兩市，達陜、甘、寧等地，東抵河南省濟源市，連接豫、鄂、皖等地的重要通道，是一條出省的康莊大道。臨猗黃河特大橋橋型概略圖見圖1所示，結構局部效果圖見圖2。

圖1 臨猗黃河特大橋橋型概略圖（單位：cm）

圖2 臨猗黃河特大橋局部效果圖

1.1 地形地貌

本次研究的大橋位于臨猗黃河特大橋引線，為跨越黃土沖溝而設，橋位東側橋臺處（小樁號側）為寬緩的山梁，沖溝坡度約45°，高差約80 m；西側橋臺（大樁號側）位于細長的山梁上，沖溝坡度約45°，高差約50 m，整體上坡陡溝深，地勢變化劇烈。

1.2 水文地質

橋址區地下水主要為松散巖類孔隙水，以大氣降水及地表水滲透為主要補給方式，以蒸發為主要排泄途徑。地下水埋藏較深，勘察期間內未揭露穩定地下水位。地下水對工程的影響較小。

1.3 地層巖性

根據工程地質調繪及鉆探，橋址區地層為：第四系全新統沖洪積（Q4）粉土、新生界第四系上更新統（Q3）粉土及第四系中更新統（Q2）粉土、粉質黏土，下更新統（Q1）粉細砂、粉質黏土、粉細砂及第三系（N）粉砂、粉質黏土。

1.4 不良地質及特殊性巖土

橋址區無不良地質。橋位處特殊性巖土為濕陷性黃土，根據地勘資料，濕陷類型為非自重濕陷，濕陷等級為Ⅰ級（輕微），濕陷深度為12 m。

1.5 地質構造與地震

橋址區無活動構造，區域穩定性較好。根據《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306—2015），橋址區地震動峰值加速度為0.15g，地震動反應譜特征周期為0.40 s，抗震設防烈度為Ⅶ度。

1.6 場地穩定性評價

根據工程地質調繪及《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306—2015），橋址區無活動構造，區域地質穩定性較好，地表下20 m范圍內的土層綜合評定為Ⅲ類場地。兩側橋臺位于寬緩山梁上，整體穩定性較好。

1.7 設計標準及橋梁線型

a）荷載等級 公路Ⅰ級；b）橋面凈寬 2×11.5 m；c）地震動峰值加速度 0.15g，抗震設防烈度Ⅶ度，抗震措施等級三級[1]；

d）橋梁線型 平面分別位于緩和曲線（Ls=225）+圓曲線（半徑：2 000 m，左偏）；縱斷面在R=33000的凸形豎曲線上。

2 方案研究總體思路

本橋在初設階段已就路基和橋梁兩個方案分別從造價、環保、征地等主控因素方面進行過綜合對比，比較后推薦采用橋梁方案。橋位處于陜西側臨猗黃河特大橋頂推通道，本橋的設置除應滿足正常橋梁功能外，施工期重點應保證黃河特大橋的頂推施工，這是施工期的關鍵點。基于此出發點，才引出本次方案的研究與比選。

按照高跨比及以往項目設計經驗，本橋設置40 m跨徑比較適宜，同時優先采用標準化、系列化、通用化的預制拼裝結構，力求安全、耐久、適用、環保、經濟和美觀[2]。設計過程中，建設單位提出盡可能采用“永臨結合”構件，以降低工程造價，這也是本次方案研究需重點考慮的方向。綜上所述，本次方案研究按圖3考慮。

圖3 橋梁方案圖

3 方案比選

3.1 預制梁方案

3.1.1 預制箱梁

3.1.1.1 工序組織

本方案基于建設單位提出的“永臨結合思路”：先架設預制箱梁，以預制梁（簡支狀態）作為頂推平臺，待黃河特大橋頂推結束后，落梁，施工剩余下部結構，施工完成后再重新吊梁安裝箱梁。由于黃河橋頂推所需空間問題，本橋下部結構需進行兩次施工，即先期施工至頂推平臺標高，后期頂推結束后再施工至設計標高，主要施工工序圖見圖4。

圖4 施工工序圖

3.1.1.2 主體構件結構驗算

根據本方案思路，利用Midas Civil建立有限元模型，進行結構分析驗算。荷載主要考慮預制箱梁、頂推平臺分配梁、黃河橋上部鋼箱梁等上部恒載和其他施工荷載；工況考慮最不利狀況下鋼箱梁作用在一跨40 m預制小箱梁上，即中支點處40 m長度鋼箱梁作用在一跨小箱梁上；極限承載力按單梁簡支狀態計算，橫向分布偏安全考慮。受力簡圖見圖5，有限元模型見圖6，計算結果見表1。

表1 預制小箱梁承載力驗算結果表

圖5 結構受力簡圖

圖6 有限元分析模型

由計算結果可知，小箱梁作為頂推平臺在施工過程中極限彎矩承載力Mu小于彎矩設計值M，極限抗剪承載力Vu亦小于剪力設計值[3]。因此，本方案中預制小箱梁抗彎、抗剪均不能滿足規范要求，施工期間箱梁開裂、損傷嚴重，故不能再用于永久性結構。

3.1.2 預制T梁

3.1.2.1 工序組織

T梁本身重心高，簡支狀態下抗傾覆能力弱，而本橋橋梁線形與黃河橋頂推通道軸線橫向存在偏位（0.3～2.81 m），若仍采用將預制梁作為頂推平臺，則需加強對T梁的臨時穩定措施，鋼箱梁體量較大，偏載彎矩大，T梁橫向穩定性較難滿足。同時鑒于預制箱梁的驗算結論，因此，本方案不再考慮將上部結構臨時使用，重點考慮將下部結構“永臨結合”。橋位處頂推軌道與橋位平面布置圖見圖7，橋墩一般構造見圖8。橋墩構造中為滿足頂推設置安裝空間，在墩身兩側增加了牛腿。

圖7 橋位與頂推通道平面布置圖

圖8 橋墩一般構造圖

施工工序與上述預制箱梁基本一致，即：

a）開挖邊坡并做好防護，完成樁基、承臺施工，橋墩施工至頂推平臺標高處。

b）搭設黃河橋頂推平臺所需拼裝支架結構，并對本橋橋墩處做好相應防護措施。

c）完成黃河橋頂推施工后，拆除頂推平臺，繼續施工本橋剩余下部結構。

d）架設上部T梁，完成結構體系轉換，施工橋面鋪裝及附屬設施。

3.1.2.2 主體構件結構驗算

本方案主要利用下部結構進行頂推施工，因此計算主要是對橋墩的驗算。荷載主要考慮黃河橋上部鋼箱梁、頂推平臺組件、橋墩自重等上部恒載和其他施工荷載；工況考慮最不利狀況下鋼箱梁作用在一跨40 m預制T梁上，即中支點處40 m長度鋼箱梁作用在一跨T梁上；頂推時產生的水平力根據施工單位采用的實際施工方式，摩擦系數μ取0.05，并考慮縱坡、橫向偏載影響。計算結果見表2所示。

表2 橋墩承載力計算結果

3.2 現澆梁方案

3.2.1 工序組織

本方案的提出依然是以“永臨結合”為出發點，考慮利用黃河橋頂推支架作為現澆箱梁的支架，完成上部箱梁的現澆。主要施工工序如下：

a）開挖邊坡并做好防護，完成樁基、承臺施工，橋墩施工至頂推平臺標高處。

b）搭設黃河橋頂推平臺所需拼裝支架結構，并對本橋橋墩處做好相應防護措施。

c）完成黃河橋頂推施工后，拆除頂推平臺并拼裝至現澆梁底標高，作為現澆梁支架使用。繼續施工本橋剩余下部結構。

d）進行支架預壓后施工現澆箱梁，待混凝土強度達到90%后，張拉預應力鋼束。

e）安裝支座，拆除支架，施工橋面鋪裝及附屬設施。

3.2.2 主體構件結構驗算

本方案上部結構主要為現澆箱梁，下部主要構件為支架。現澆箱梁的計算亦為常規驗算，支架的計算因涉及內容較多，由施工單位完成，限于篇幅本次計算部分不再贅述。經計算分析，主要構件驗算均滿足規范要求。上部構造典型橫斷面圖見圖9。

圖9 現澆箱梁典型橫斷面圖（單位：cm）

3.3 比選結果

綜上所述，3個方案都體現了建設單位“永臨結合”的思路，除方案1外，其余兩個方案主要構件計算均滿足要求，理論上方案2、方案3都成立。但方案3經與施工單位溝通，由于黃河橋工期有限，現場拆除頂推支架再加高拼裝至現澆箱梁支架標高，除了時間上無法保證，現場搭設現澆箱梁支架也較困難[4]，同時增加了高空作業風險，因此本方案也被排除。最終剩余預制T梁方案作為推薦方案。

4 方案優化

4.1 橋跨優化

根據確定的推薦方案，再次考慮對其進行優化。橋位處為“V”型沖溝，坡陡溝深，橋墩承臺采用左右幅整體式，體積較大，若將橋墩設置在溝底，則匯水對基礎及坡面沖刷將加大。橋址區地質情況較差，長期雨水沖刷下容易破壞坡面防護，甚至危及臨近橋墩安全，因此優化階段考慮墩底不設橋墩。同時為減少橋臺處開挖，將邊跨調整為30 m，但梁體外形尺寸與40 m一致，以方便施工。為了更好利用橋臺處棄渣，考慮將溝底填平，既能方便黃河特大橋頂推支架搭設，也能增加本橋墩臺穩定性。原方案中橋墩處為滿足頂推設備安裝增加了牛腿，經與施工單位研究優化后，取消了牛腿設置，墩型更加美觀、協調，施工也更加方便，縮短了工期。優化后橋型總體布置見圖10所示。

圖10 優化方案橋型總體布置圖（單位：cm）

4.2 臨時鋼管墩優化

根據臨時鋼管墩受力模式，分別建立2排10根和3排15根兩種模型。同時，考慮實際施工中鋼管墩的依附，分別對依附永久墩和不依附兩種工況下橋墩的受力進行了驗算，結果均滿足規范要求[5-6]。根據臨時鋼管墩驗算結果，偏保守采用受力計算不依附，實際施工依附永久墩模式。有限元模型簡圖見圖11～圖13。

圖11 3排鋼管柱模型圖

圖12 2排鋼管柱模型圖

圖13 2排鋼管柱依附永久墩模型圖

5 結語

本文以一座黃河特大橋頂推通道上的大橋為例，本著“優先保證黃河特大橋鋼箱梁順利頂推”和“永臨結合”的思路，分別提出了預制箱梁、預制T梁和現澆箱梁3種橋梁方案。對頂推施工及永臨構件間相互銜接、利用的工序進行了論述，并對各工況下主要構件進行了計算分析。計算結果表明，除預制箱梁計算不滿足要求外，預制T梁及現澆箱梁方案均滿足規范要求，但受制于現場施工條件，最終推薦了預制T梁方案。

對推薦方案又分別從橋孔布置及臨時墩柱兩個方面進行了優化，優化后橋梁不僅受力更為明確合理，施工也更加方便，總體上提高了橋梁安全度的同時降低了工程造價。本次橋梁方案的研究，可供同類型橋梁的設計與施工借鑒和參考。