基于頂推施工的連續(xù)鋼箱梁橋設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)

陳勇

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市交通越來越繁忙，橋梁在跨越鐵路、公路及重要河道施工時(shí)，要求盡量減小對橋下交通、河道通航行洪及堤防安全的影響。這一要求同時(shí)也促進(jìn)了橋梁施工工藝及能力的快速發(fā)展，頂推法施工就在這種背景下逐漸發(fā)展起來并得到廣泛應(yīng)用。鋼箱梁作為一種常用的結(jié)構(gòu)形式，具有自重輕、強(qiáng)度高、跨越能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可在工廠預(yù)制，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場后拼裝，利用其輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)可以做到較大的懸挑長度，同時(shí)還可以借助導(dǎo)梁的作用，頂推跨徑可以做到足夠大，非常適合采用頂推施工。

鋼箱梁橋采用頂推施工，對橋下構(gòu)筑物幾乎無影響，施工周期快，經(jīng)濟(jì)適用，安全可靠，對于無法搭設(shè)支架吊裝的橋梁具有明顯的優(yōu)勢，具備廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。對于采用頂推施工的連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)，因?yàn)槭┕し椒ǖ牟煌?，使得鋼箱梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也具有相應(yīng)的特點(diǎn)，本文以揚(yáng)州市揚(yáng)子津路潤揚(yáng)河大橋45 m+50 m+45 m 連續(xù)鋼箱梁為例，詳細(xì)介紹采用頂推施工的連續(xù)鋼箱梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵技術(shù)，并對橋梁運(yùn)營及施工階段受力進(jìn)行計(jì)算分析。

1 橋梁設(shè)計(jì)

1.1 總體布置

揚(yáng)子津路潤揚(yáng)河大橋?yàn)閾P(yáng)子津路跨越潤揚(yáng)河的重要節(jié)點(diǎn)工程，該路段為城市主干路兼一級公路，設(shè)計(jì)速度為60 km/h。潤揚(yáng)河現(xiàn)狀河道寬度約70 m，為非通航河道，是區(qū)域內(nèi)的主要泄洪通道，河道中心線與道路中心線斜交17°，橋梁采用斜交布置。河道兩岸設(shè)置有堤頂路及防汛通道，根據(jù)水務(wù)部門及防洪要求，堤身范圍內(nèi)不允許設(shè)置橋墩，故主橋跨徑布置為45 m+50 m+45 m，主墩位于河中，邊跨跨越兩岸堤防。橋梁立面布置見圖1。

圖1 橋梁立面圖（單位:m）

橋梁標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面為雙向六車道，外側(cè)設(shè)置非機(jī)動(dòng)車道及人行道，橋梁全寬50 m，采用兩幅橋布置，單幅橋梁結(jié)構(gòu)寬23.25 m。根據(jù)道路總體設(shè)計(jì)，主橋東岸邊跨橋面為變寬，單幅橋梁結(jié)構(gòu)寬度為23.25～29.7 m。橋梁橫向設(shè)置4 個(gè)支座，支座位置均與腹板對齊。橋梁橫斷面見圖2。

圖2 單幅橋梁橫斷面圖（正交）（單位:m）

因潤揚(yáng)河為非通航河道，大型水上吊裝設(shè)備無法進(jìn)出，且河道堤防安全要求高以致不允許搭設(shè)臨時(shí)支架及進(jìn)出大型吊裝機(jī)械設(shè)備，故上部結(jié)構(gòu)主梁無法采用常規(guī)的吊裝施工。通過實(shí)地考察及對比分析，借鑒類似工程的成功經(jīng)驗(yàn)，最終擬采用整聯(lián)頂推施工。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主梁采用45 m+50 m+45 m 三跨等高連續(xù)鋼箱梁設(shè)計(jì)，梁高為2.2 m，單幅鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)段寬23.05 m，采用單箱三室斷面，外側(cè)挑臂采用圓弧形底板包封。鋼箱梁一般橫斷面見圖3。東岸邊跨鋼箱梁為變寬，為使頂推施工過程中頂推設(shè)備支撐位置與腹板對齊，箱室內(nèi)4 道腹板在平面上采用直線設(shè)計(jì)，即中間箱室寬度不變，在兩側(cè)變寬范圍內(nèi)增設(shè)腹板來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)變寬。橫向隔板與縱向腹板均為斜交布置。腹板及箱室劃分見圖4。

圖3 一般橫斷面（單位:m）

圖4 腹板及箱室劃分（單位:m）

鋼箱梁頂板、底板、腹板根據(jù)不同位置的受力特點(diǎn)，采用變厚度設(shè)計(jì)，厚度參數(shù)見表1。頂板全部采用U 肋，底板中支點(diǎn)處采用T 肋，其余位置采用板肋。為減小橋面板因行車問題產(chǎn)生的疲勞破壞，橋面鋪裝采用8 cm 厚混凝土+10 cm 瀝青混凝土，混凝土鋪裝和橋面板間設(shè)置剪力釘連接。

表1 鋼箱梁板厚設(shè)計(jì)參數(shù)表

縱向每隔3 m 設(shè)置一道橫隔板，橫隔板分空腹式和實(shí)腹式兩種間隔布置，空腹式橫隔板厚12 mm，實(shí)腹式橫隔板厚14 mm。

因頂推施工時(shí)支座須在頂推就位后安裝，主梁需設(shè)置臨時(shí)支撐，且臨時(shí)支撐位置與腹板不對應(yīng)，通過支座橫隔板來傳力，需在支座橫隔板上設(shè)置臨時(shí)支座加勁。每個(gè)支座橫隔板共設(shè)置6 組支座加勁，每組支座加勁由4 塊200 mm×16 mm×1 500 mm 加勁板組成。施工時(shí)可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，靈活選擇部分作為臨時(shí)支座。支座橫隔板斷面見圖5。

圖5 支座橫隔板斷面（單位:m）

同時(shí)為解決頂推過程中底板及腹板下緣局部承壓的問題，在腹板下緣設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)短加勁，短加勁沿腹板縱向每隔30 cm 設(shè)置一道，腹板兩側(cè)對稱設(shè)置，短加勁尺寸為200 mm×16 mm×500 mm，見圖6。

圖6 腹板底緣補(bǔ)強(qiáng)加勁（單位:mm）

2 運(yùn)營階段結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

本文選取北幅鋼箱梁作為分析對象，采用Midas Civil 建立三跨連續(xù)梁有限元模型（見圖7），主梁按照實(shí)際截面特性采用梁單元模擬，鋼材采用Q345qD，容重為78.5 kN/m3，彈性模量為2.06×105MPa。

圖7 鋼箱梁有限元模型

2.1 強(qiáng)度分析

鋼箱梁強(qiáng)度計(jì)算屬于承載能力極限狀態(tài)分析，主要考慮的荷載組合有恒載、汽車、人群、梯度溫度、支座沉降等。鋼箱梁計(jì)算應(yīng)考慮剪力滯效應(yīng)對頂?shù)装逵行挾鹊挠绊?，及受壓板件局部穩(wěn)定的折減。此外鋼箱梁頂板計(jì)算還應(yīng)考慮第一體系和第二體系疊加。荷載基本組合考慮折減后鋼箱梁頂?shù)装宓谝惑w系應(yīng)力見圖8、圖9。

圖8 頂板第一體系應(yīng)力包絡(luò)圖（單位:MP a）

圖9 底板第一體系應(yīng)力包絡(luò)圖（單位:MP a）

鋼箱梁頂板第二體系應(yīng)力是橋面板在車輪荷載作用下，橋面板及加勁肋以橫隔板為支撐產(chǎn)生的正應(yīng)力，通過將橋面板及加勁肋簡化為剛性支撐的連續(xù)梁來計(jì)算?？紤]第一、二體系疊加后的應(yīng)力見表2。

表2 基本組合鋼箱梁應(yīng)力表 單位：MP a

根據(jù)以上計(jì)算分析，鋼箱梁最大拉應(yīng)力為235 MPa，出現(xiàn)在中支點(diǎn)頂板處，最大壓應(yīng)力為209 MPa，出現(xiàn)在中支點(diǎn)底板處，均滿足要求。

2.2 撓度分析

鋼箱梁相對于混凝土梁剛度小，對變形更加敏感，控制鋼箱梁主梁撓度是鋼箱梁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。根據(jù)公路鋼橋規(guī)范的要求，在不計(jì)沖擊的汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下， 連續(xù)梁豎向最大撓度不應(yīng)超過L/500。通過有限元模型計(jì)算，主梁撓度值見圖10。

圖10 汽車荷載主梁最大撓度（單位：mm）

汽車荷載作用下主梁最大撓度為21.5 mm，為跨徑的1/2 325，撓度控制滿足要求。

3 施工階段結(jié)構(gòu)分析

3.1 頂推法施工介紹

頂推法施工在橋梁上的應(yīng)有已有數(shù)十年歷史，目前工程上常用的頂推法有拖拉式頂推和步履式頂推。近年來，隨著智能頂推設(shè)備的發(fā)展，步履式頂推的應(yīng)用越來越多，而拖拉式則逐漸被淘汰，本工程即采用步履式多點(diǎn)連續(xù)頂推施工。

步履式頂推系統(tǒng)主要由智能控制系統(tǒng)、液壓油缸系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)三大部分組成，通過計(jì)算機(jī)程序控制千斤頂?shù)捻斏?、縱向平移及橫向糾偏（見圖11）。頂推系統(tǒng)的頂推步驟是豎向千斤頂將鋼梁頂升，縱向千斤頂再將鋼梁向前移動(dòng)，然后豎向千斤頂回落使鋼梁落在臨時(shí)墊塊上，水平千斤頂后退回位，再循此反復(fù)將鋼梁頂推到位，整個(gè)頂推是頂推系統(tǒng)自平衡的循環(huán)過程，理論上對臨時(shí)墩不產(chǎn)生水平力。還可以通過橫向千斤頂對鋼梁進(jìn)行橫向糾偏，通過臨時(shí)墊塊的高度調(diào)節(jié)鋼梁的高程。

圖11 步履式頂推裝置示意圖

3.2 頂推施工總體布置

本工程三跨鋼箱梁單幅整體頂推，單幅橋頂推總重2 000 t，跨間不設(shè)臨時(shí)墩，在永久墩頂設(shè)置步履式頂推裝置。因東岸邊跨為變寬構(gòu)造，鋼箱梁懸挑自重相對較大，采用由東向西單向頂推，東岸引橋范圍作為拼裝平臺(tái)。因本工程鋼箱梁及橋墩均為斜交布置，橫向支撐反力存在差異，且鋼箱梁較寬，為減小單個(gè)頂推裝置反力，控制箱梁底板局部應(yīng)力，橫向采用4 點(diǎn)頂推，即在每道腹板下設(shè)置一個(gè)頂推點(diǎn)。

頂推施工通常在主梁前端設(shè)置鋼導(dǎo)梁，鋼導(dǎo)梁線重度小于主梁，通過減小主梁的懸臂長度來減小主梁彎矩，以此達(dá)到較大的頂推跨徑。鋼導(dǎo)梁長度一般為頂推跨徑的0.6～0.8 倍，本工程取30 m，采用變高度設(shè)計(jì)，由4 片工字鋼及橫向連接系組成（見圖12、表3）。

表3 頂推關(guān)鍵工況表

圖12 頂推總體布置圖（單位:m）

3 3 頂推過程計(jì)算分析

3.3.1 有限元模型

通過MIDAS 建立施工階段有限元模型，模擬鋼箱梁實(shí)際頂推過程，采用墩動(dòng)梁不動(dòng)的建模方法。因鋼箱梁較寬，4 片腹板對應(yīng)4 片工字鋼導(dǎo)梁，鋼箱梁采用梁格單元模擬。頂推過程中鋼箱梁每個(gè)斷面正負(fù)彎矩交替發(fā)生，即每個(gè)斷面均應(yīng)按支點(diǎn)斷面考慮剪力滯及局部受壓穩(wěn)定的影響，對模型中頂?shù)装鍖挾冗M(jìn)行折減，將鋼箱梁簡化成4 片工字鋼。臨時(shí)支撐采用一般彈性連接模擬。有限元模型見圖13。

圖13 頂推有限元模型

3.3.2 整體受力分析

通過有限元計(jì)算，得出工況1～工況7 臨時(shí)墩最大支反力、鋼箱梁最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、及導(dǎo)梁最大變形數(shù)據(jù)，見表4。

表4 各工況計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果可知，臨時(shí)墩最大反力、鋼箱梁最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力及導(dǎo)梁前端最大撓度均發(fā)生在工況4時(shí)，該工況鋼箱梁累計(jì)頂推95 m，導(dǎo)梁及鋼箱梁頂推至最大懸臂狀態(tài)，即為頂推過程中最不利工況。最大支反力發(fā)生在8 號墩頂臨時(shí)支撐處，最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力分別位于8 號墩頂鋼箱梁頂板、底板處，且應(yīng)力大小滿足要求。導(dǎo)梁前端最大豎向撓度為396 mm，為使導(dǎo)梁前端順利抵達(dá)前方臨時(shí)支撐，導(dǎo)梁應(yīng)設(shè)置牛腿。

3.3.3 局部應(yīng)力分析

鋼箱梁頂推過程中，受力最大的部位位于邊跨跨中斷面，也是整個(gè)鋼箱梁中最為薄弱的斷面。為進(jìn)一步驗(yàn)算鋼箱梁頂推的安全性，本文建立梁單元及板單元的全橋混合有限元模型，8 號墩頂臨時(shí)支撐6 m范圍內(nèi)鋼箱梁采用板單元模擬，分析最不利工況下鋼箱梁局部應(yīng)力。腹板下緣無補(bǔ)強(qiáng)加勁和設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)加勁的鋼箱梁有效應(yīng)力見圖14、圖15。

圖14 鋼箱梁局部應(yīng)力圖（無補(bǔ)強(qiáng)加勁）（單位:MP a）

圖15 鋼箱梁局部應(yīng)力圖（有補(bǔ)強(qiáng)加勁）（單位:MP a）

根據(jù)應(yīng)力圖可知，鋼箱梁局部應(yīng)力最大位于臨時(shí)支撐處腹板下緣，腹板下緣無補(bǔ)強(qiáng)加勁時(shí)最大壓應(yīng)力為284.2 MPa，腹板下緣設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)加勁時(shí)最大壓應(yīng)力為231.9 MPa，補(bǔ)強(qiáng)加勁對減小腹板下緣局部應(yīng)力效果明顯。鋼箱梁頂板最大拉應(yīng)力約78 MPa，底板最大壓應(yīng)力為150 MPa，大于純梁格模型計(jì)算結(jié)果，板單元模型中存在應(yīng)力集中。

鋼箱梁處于最大懸臂狀態(tài)時(shí)，臨時(shí)支撐兩側(cè)板件變形存在較大差異，懸臂側(cè)變形大，非懸臂側(cè)變形小。這也導(dǎo)致鋼箱梁底板接觸臨時(shí)支撐處存在應(yīng)力集中，應(yīng)特別注意對懸臂側(cè)底板進(jìn)行加強(qiáng)。同時(shí)作為斜交鋼箱梁，變形橫向不對稱，懸臂方向平面為銳角側(cè)變形大，鈍角側(cè)變形小，整個(gè)鋼箱呈現(xiàn)出橫向受扭狀態(tài)，所以頂推過程中應(yīng)特別注意鋼箱梁的橫向整體穩(wěn)定性。最不利工況下8 號墩臨時(shí)支撐處鋼箱梁變形見圖16。

圖16 鋼箱梁變形圖（單位:mm）

4 結(jié)語

鋼箱梁橋頂推施工已逐漸成為橋梁常用施工方法，隨著步履式頂推設(shè)備的發(fā)展，頂推噸位越來越大，控制系統(tǒng)越來越智能化，頂推施工的應(yīng)用也將越來越廣泛。采用頂推施工的鋼箱梁橋設(shè)計(jì)除了滿足運(yùn)營階段的安全性能外，關(guān)鍵還需對施工過程進(jìn)行詳細(xì)分析，進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。