基于頂推施工的連續鋼箱梁橋設計及關鍵技術

陳勇

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

隨著社會經濟的快速發展，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，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。這一要求同時也促進了橋梁施工工藝及能力的快速發展，頂推法施工就在這種背景下逐漸發展起來并得到廣泛應用。鋼箱梁作為一種常用的結構形式，具有自重輕、強度高、跨越能力強的特點，可在工廠預制，運輸到現場后拼裝，利用其輕質高強的特點可以做到較大的懸挑長度，同時還可以借助導梁的作用，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，對橋下構筑物幾乎無影響，施工周期快，經濟適用，安全可靠，對于無法搭設支架吊裝的橋梁具有明顯的優勢，具備廣闊的應用發展前景。對于采用頂推施工的連續鋼箱梁結構，因為施工方法的不同，使得鋼箱梁的結構設計也具有相應的特點，本文以揚州市揚子津路潤揚河大橋45 m+50 m+45 m 連續鋼箱梁為例，詳細介紹采用頂推施工的連續鋼箱梁的結構設計及其關鍵技術，并對橋梁運營及施工階段受力進行計算分析。

1 橋梁設計

1.1 總體布置

揚子津路潤揚河大橋為揚子津路跨越潤揚河的重要節點工程，該路段為城市主干路兼一級公路，設計速度為60 km/h。潤揚河現狀河道寬度約70 m，為非通航河道，是區域內的主要泄洪通道，河道中心線與道路中心線斜交17°，橋梁采用斜交布置。河道兩岸設置有堤頂路及防汛通道，根據水務部門及防洪要求，堤身范圍內不允許設置橋墩，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）

橋梁標準段橫斷面為雙向六車道，外側設置非機動車道及人行道，橋梁全寬50 m，采用兩幅橋布置，單幅橋梁結構寬23.25 m。根據道路總體設計，主橋東岸邊跨橋面為變寬，單幅橋梁結構寬度為23.25～29.7 m。橋梁橫向設置4 個支座，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）

因潤揚河為非通航河道，大型水上吊裝設備無法進出，且河道堤防安全要求高以致不允許搭設臨時支架及進出大型吊裝機械設備，故上部結構主梁無法采用常規的吊裝施工。通過實地考察及對比分析，借鑒類似工程的成功經驗，最終擬采用整聯頂推施工。

1.2 結構設計

主梁采用45 m+50 m+45 m 三跨等高連續鋼箱梁設計，梁高為2.2 m，單幅鋼箱梁標準段寬23.05 m，采用單箱三室斷面，外側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備支撐位置與腹板對齊，箱室內4 道腹板在平面上采用直線設計，即中間箱室寬度不變，在兩側變寬范圍內增設腹板來實現結構變寬。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、腹板根據不同位置的受力特點，采用變厚度設計，厚度參數見表1。頂板全部采用U 肋，底板中支點處采用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置剪力釘連接。

表1 鋼箱梁板厚設計參數表

縱向每隔3 m 設置一道橫隔板，橫隔板分空腹式和實腹式兩種間隔布置，空腹式橫隔板厚12 mm，實腹式橫隔板厚14 mm。

因頂推施工時支座須在頂推就位后安裝，主梁需設置臨時支撐，且臨時支撐位置與腹板不對應，通過支座橫隔板來傳力，需在支座橫隔板上設置臨時支座加勁。每個支座橫隔板共設置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。施工時可根據現場實際情況，靈活選擇部分作為臨時支座。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，在腹板下緣設置補強短加勁，短加勁沿腹板縱向每隔30 cm 設置一道，腹板兩側對稱設置，短加勁尺寸為200 mm×16 mm×500 mm，見圖6。

圖6 腹板底緣補強加勁（單位:mm）

2 運營階段結構計算分析

本文選取北幅鋼箱梁作為分析對象，采用Midas Civil 建立三跨連續梁有限元模型（見圖7），主梁按照實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 強度分析

鋼箱梁強度計算屬于承載能力極限狀態分析，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。鋼箱梁計算應考慮剪力滯效應對頂底板有效寬度的影響，及受壓板件局部穩定的折減。此外鋼箱梁頂板計算還應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底板第一體系應力見圖8、圖9。

圖8 頂板第一體系應力包絡圖（單位:MP a）

圖9 底板第一體系應力包絡圖（單位:MP a）

鋼箱梁頂板第二體系應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生的正應力，通過將橋面板及加勁肋簡化為剛性支撐的連續梁來計算。考慮第一、二體系疊加后的應力見表2。

表2 基本組合鋼箱梁應力表 單位：MP a

根據以上計算分析，鋼箱梁最大拉應力為235 MPa，出現在中支點頂板處，最大壓應力為209 MPa，出現在中支點底板處，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計的關鍵之一。根據公路鋼橋規范的要求，在不計沖擊的汽車荷載標準值作用下， 連續梁豎向最大撓度不應超過L/500。通過有限元模型計算，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 施工階段結構分析

3.1 頂推法施工介紹

頂推法施工在橋梁上的應有已有數十年歷史，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，隨著智能頂推設備的發展，步履式頂推的應用越來越多，而拖拉式則逐漸被淘汰，本工程即采用步履式多點連續頂推施工。

步履式頂推系統主要由智能控制系統、液壓油缸系統、機械系統三大部分組成，通過計算機程序控制千斤頂的頂升、縱向平移及橫向糾偏（見圖11）。頂推系統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，然后豎向千斤頂回落使鋼梁落在臨時墊塊上，水平千斤頂后退回位，再循此反復將鋼梁頂推到位，整個頂推是頂推系統自平衡的循環過程，理論上對臨時墩不產生水平力。還可以通過橫向千斤頂對鋼梁進行橫向糾偏，通過臨時墊塊的高度調節鋼梁的高程。

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，跨間不設臨時墩，在永久墩頂設置步履式頂推裝置。因東岸邊跨為變寬構造，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。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，為減小單個頂推裝置反力，控制箱梁底板局部應力，橫向采用4 點頂推，即在每道腹板下設置一個頂推點。

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

表3 頂推關鍵工況表

圖12 頂推總體布置圖（單位:m）

3 3 頂推過程計算分析

3.3.1 有限元模型

通過MIDAS 建立施工階段有限元模型，模擬鋼箱梁實際頂推過程，采用墩動梁不動的建模方法。因鋼箱梁較寬，4 片腹板對應4 片工字鋼導梁，鋼箱梁采用梁格單元模擬。頂推過程中鋼箱梁每個斷面正負彎矩交替發生，即每個斷面均應按支點斷面考慮剪力滯及局部受壓穩定的影響，對模型中頂底板寬度進行折減，將鋼箱梁簡化成4 片工字鋼。臨時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

通過有限元計算，得出工況1～工況7 臨時墩最大支反力、鋼箱梁最大拉應力、壓應力、及導梁最大變形數據，見表4。

表4 各工況計算結果

從計算結果可知，臨時墩最大反力、鋼箱梁最大拉應力、壓應力及導梁前端最大撓度均發生在工況4時，該工況鋼箱梁累計頂推95 m，導梁及鋼箱梁頂推至最大懸臂狀態，即為頂推過程中最不利工況。最大支反力發生在8 號墩頂臨時支撐處，最大拉應力、壓應力分別位于8 號墩頂鋼箱梁頂板、底板處，且應力大小滿足要求。導梁前端最大豎向撓度為396 mm，為使導梁前端順利抵達前方臨時支撐，導梁應設置牛腿。

3.3.3 局部應力分析

鋼箱梁頂推過程中，受力最大的部位位于邊跨跨中斷面，也是整個鋼箱梁中最為薄弱的斷面。為進一步驗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 號墩頂臨時支撐6 m范圍內鋼箱梁采用板單元模擬，分析最不利工況下鋼箱梁局部應力。腹板下緣無補強加勁和設置補強加勁的鋼箱梁有效應力見圖14、圖15。

圖14 鋼箱梁局部應力圖（無補強加勁）（單位:MP a）

圖15 鋼箱梁局部應力圖（有補強加勁）（單位:MP a）

根據應力圖可知，鋼箱梁局部應力最大位于臨時支撐處腹板下緣，腹板下緣無補強加勁時最大壓應力為284.2 MPa，腹板下緣設置補強加勁時最大壓應力為231.9 MPa，補強加勁對減小腹板下緣局部應力效果明顯。鋼箱梁頂板最大拉應力約78 MPa，底板最大壓應力為150 MPa，大于純梁格模型計算結果，板單元模型中存在應力集中。

鋼箱梁處于最大懸臂狀態時，臨時支撐兩側板件變形存在較大差異，懸臂側變形大，非懸臂側變形小。這也導致鋼箱梁底板接觸臨時支撐處存在應力集中，應特別注意對懸臂側底板進行加強。同時作為斜交鋼箱梁，變形橫向不對稱，懸臂方向平面為銳角側變形大，鈍角側變形小，整個鋼箱呈現出橫向受扭狀態，所以頂推過程中應特別注意鋼箱梁的橫向整體穩定性。最不利工況下8 號墩臨時支撐處鋼箱梁變形見圖16。

圖16 鋼箱梁變形圖（單位:mm）

4 結語

鋼箱梁橋頂推施工已逐漸成為橋梁常用施工方法，隨著步履式頂推設備的發展，頂推噸位越來越大，控制系統越來越智能化，頂推施工的應用也將越來越廣泛。采用頂推施工的鋼箱梁橋設計除了滿足運營階段的安全性能外，關鍵還需對施工過程進行詳細分析，進行特殊設計。