鋼箱梁頂推過程的計算分析與施工控制

許潤鋒

(宜春市公路事業發展中心，江西 宜春 336100)

頂推施工方法是在橋頭沿橋縱軸線方向將逐段預制張拉上的梁向前推出使之就位的橋梁施工方法。沿橋縱軸線方向的臺后設置預制場，分階段預制梁體，縱向預應力鋼筋張拉后，通過水平千斤頂施力，借助滑道、滑塊，將梁體逐段向前頂推，就位后落梁，更換正式支座，完成橋梁施工[1]。

1 工程概況

某鐵路客專線路與某高速公路左、右車道夾角分別為21．7°及23．5°，采用橋梁結構上跨，主橋位于30 號墩和32 號墩之間，上部構造為2 ×90 m 連續鋼箱梁與鋼箱拱組合結構，兩孔鋼箱主拱間設置鋼箱輔助拱，上部構造主體結構由鋼箱梁、主拱肋、輔拱肋及斜腿、拱肋橫撐、吊桿等組成。主體結構采用Q345qD 鋼，附屬結構采用Q345qC 鋼。

鋼箱梁共劃分為5 個梁段，包括2 個標準梁段(如圖1 所示) ，2 個邊支點梁拱結合段和1 個中支點梁拱結合段，采用單箱九室等高度箱形截面，頂寬14．80 m，底寬12．60 m，中支點附近局部底寬13．11 m，鋼箱梁底板橫向水平，各腹板不等高，頂板橫向傾斜形成2%的雙向橫坡，最大梁高為2．20 m，總重2 342 t[2]，如圖1 所示。

圖1 鋼箱梁標準段橫截面

2 施工方案

由于鐵路線路與高速公路左、右車道夾角比較小，擬采用兩點連續頂推的施工方案，該鐵路橋主橋上部構造主梁為鋼箱梁結構，擬采用兩點連續頂推的施工方案。主力墩設定在30 號墩和31 號墩，其上各固定2 臺ZLD-150型穿心式自動連續頂推千斤頂，這樣既可使主力墩始終處于偏心受壓狀態，又能避免主力墩頻繁在動-靜摩阻交替作用下而產生擺動，有利于墩臺的穩定。兩臺連續作用千斤頂工作線對稱分布于鋼箱梁中軸線兩邊，利用鋼絞線頂推梁底拉錨器使鋼箱梁均勻連續向前移動，最終到達設計位置。

鋼箱梁的頂推是一個連續的施工過程，鋼箱梁的懸臂狀態不斷變化，前端墩滑道上方與鋼箱梁底板接觸區域的受力極為復雜，先后對8 個施工方案進行多次論證和優化[3-5]，最后頂推方案確定為:在30 號墩和32 號墩之間設置6 個臨時支墩，跨度為(23 +22 +22 +23 +23 +22 +22 +23) m，如圖2 所示。每個支墩上設置6 個滑道，鋼箱梁底板下的通長板作為上滑道，帶四氟乙烯板的橡膠支座作為下滑道，鋼箱梁前后端各加4．5 m 長的導梁，通過減少鋼箱梁最大懸臂長度來減小滑道上方鋼箱梁底板的局部應力。

圖2 臨時墩布置示意圖

鋼箱梁分兩個輪次由30 號墩向32 號墩頂推。第一個輪次將首次拼裝的98．25 m 箱梁頂推至31 號主墩，第二個輪次再由將全部拼裝完畢的184 m 鋼箱梁頂推至設計位置。期間由于臨時支墩蓋梁下撓、預拱度等因素，會引起鋼箱梁橫向和縱向不平順，需對各臨時墩上的滑道采取抬高等調平措施，使頂推過程中同一支墩處的各滑道受力均勻。

3 計算分析

鋼箱梁在頂推過程中，其受力狀態在不斷變化，底板與前端墩上方下滑道接觸區域處的受力又極其不均勻，前端大，后端小，甚至出現局部脫空。而鋼箱梁本身設有預拱度，加上鋼箱梁本身的變形，臨時墩橫蓋梁的變形等

收稿日期:2022-03-11

作者簡介:許潤鋒(1984-)，男，碩士，工程師，從事公路橋梁工程的建設管理工作原因，使鋼箱梁的受力更為復雜。鋼箱梁在頂推過程中其局部應力不超過容許值，不出現局部失穩是確保施工安全和順利進行的必要條件，需對該過程進行精細的有限元分析，為頂推過程的監控提供理論依據。

3．1 鋼箱梁受力計算

頂推過程中，鋼箱梁的變形和前端墩的支反力隨著懸臂長度的增大而增大，而鋼箱梁底板與前端墩上的下滑道接觸面積隨之減小。當導梁上墩后，鋼箱梁變形和原前端墩的支反力都減小，鋼箱梁底板與原前端墩下滑道的接觸面積增加，應力減小。因此，最不利的工況發生在鋼箱梁最大懸臂時。

由于2 號～4 號臨時支墩上跨高速公路，支墩的橫蓋梁跨度較大，達18 m，且滑道偏在一側，頂推過程中由于橫蓋梁的變形引起6 個滑道的受力不均，應采取一定的墊高調平措施，使6 個滑道在頂推過程中受力相對均勻。分析時，考慮由鋼箱梁的預拱度、鋼箱梁的受力變形和臨時支墩蓋梁下撓引起的縱向、橫向不平順等因素，對每一跨鋼箱梁頂推做最大懸臂狀態的受力計算。

根據計算結果，鋼箱梁頂推過程中大部分區域的應力都較低，而在滑道上方鋼箱梁底板由于局部受壓引起的鋼箱梁應力較大，其最大應力為316 MPa，發生在鋼箱梁前端頂推至3 號臨時墩懸臂17．8 m 時前端墩滑道上方鋼箱梁底板的局部很小區域。小于Q345 鋼材的屈服應力，且留有一定余地。頂推過程中，當鋼箱梁懸臂長度越大時，前端豎向位移越大，鋼箱梁底板和滑道的接觸面積越小，引起的底板局部應力就越大。

3．2 鋼箱梁穩定性分析

由以上分析可知，頂推過程中鋼箱梁最大等效應力發生在鋼箱梁前端從L3 號臨時墩頂推至31 號墩最大懸臂17．8 m 時，對這個狀態做穩定性分析，得到鋼箱梁第一階失穩定系數K=8．87 >4．0，失穩模態表現為滑道上腹板局部彎曲失穩，如圖3 所示，可見，鋼箱梁在頂推過程中穩定性符合要求，不會發生局部失穩。

圖3 L3 號到31 號懸臂17.8 m 時，鋼箱梁第一階失穩模態

3．3 臨時墩受力計算

30 號～32 號墩之間設置6 個臨時支墩，依次編號為1 號～6 號臨時支墩，墩柱均為鋼筋混凝土結構，1 號、6 號臨時支墩的蓋梁為鋼筋混凝土結構并與墩柱固結在一起，2 號～5 號臨時支墩的蓋梁則為鋼箱梁結構。

鋼箱梁頂推過程中，主橋區間臨時墩主要受豎向荷載和水平荷載的作用。其中豎向荷載是隨頂推過程中而不斷變化，計算時取各臨時支墩的最大支反力，當各臨時墩為前端墩且鋼箱梁頂推到該跨的最大懸臂狀態時，其豎向反力達到最大。各臨時墩的最大支座反力見表1。水平荷載即上、下滑道之間的摩擦力，為豎向荷載與四氟滑板的摩擦系數的乘積。二者均按滑道位置施加在蓋梁上。

表1 鋼箱梁頂推過程中各臨時墩最大支反力

在自重和最不利豎向荷載、水平荷載作用下，對各臨時支墩進行分析受力計算。各鋼箱蓋梁最大拉應力和最大壓應力分別為162．5 MPa 和-162．5 MPa，都小于鋼箱蓋梁材料Q345 的容許應力值，強度滿足要求。各臨時墩鋼筋的最大拉應力為141． 6 MPa，最大壓應力為-90．0 MPa，小于鋼筋的容許應力180 MPa，強度滿足要求;蓋梁及墩柱混凝土的最大壓應力為-9．5 MPa，小于容許應力值，強度滿足要求; 樁混凝土的最大壓應力為-9．0 MPa，小于容許應力值，強度滿足要求。

4 施工控制

鋼箱梁重達2 396 t，箱長184 m，屬超重超長結構，頂推過程中應力、線形變化復雜，確保頂推過程的安全、滿足就位精度的控制標準，是施工控制的重要內容[6]。通過計算結果來確定鋼箱梁頂推過程中每跨的受力和變形的理想狀態，以此為依據來控制施工過程中每個階段的結構行為，對頂推全過程的應力和線形進行監測，并將實測值與理論值進行對比，如果結果偏差過大甚至超限，則應進行調整或者停止施工。

4．1 應力控制

應力測試儀器一般有應變片和應變計兩種。應變片的長度比較短，可以用來監測局部的應力，鋼箱梁頂推施工時，滑道上方鋼箱梁板件局部應力較大，采用應變片監測;應變計具有溫度誤差小、性能穩定、抗干擾能力強等特點，適合于應力長期觀測。

由計算結果可知，鋼箱梁頂推過程中最大應力位于滑道上方的底板外側的局部很小區域，應力最不利截面發生在前端最大懸臂17．8 m 且離橫隔板較遠處，整個頂推過程采用應變片對應力進行監測。但由于空間限制，最大應力區域無法監測出應力值，為了保證施工中的安全，選擇頂推至懸臂14 m，16 m，18 m 截面為全部頂推過程鋼箱梁前端控制截面，在懸臂14 m 截面C 腹板處和懸臂16 m，18 m 截面的B，C 腹板處的底板位置橫向布置兩個片，縱向布置一個，腹板豎向和縱向各布置一個片，應變片位置盡量靠近滑道上方的最大應力區域，如圖4所示。

圖4 應變片布置示意圖

鋼箱梁頂推過程中前端應變片應力監測結果見表2，表3，可以看出:

表2 第一次頂推過程中鋼箱梁前端應力監測結果

表3 第二次頂推過程中鋼箱梁前端應力監測結果

1) 在頂推過程中，鋼箱梁底板和腹板的應力在滑道上方的區域較大，在其他的區域較小，且底板大于腹板。

2) 頂推過程鋼箱梁前端監測到的最大應力為238 MPa，發生在鋼箱梁從4 號臨時墩頂推至5 號臨時墩懸臂15．8 m 時，16 m 控制截面B 位置底板處。

3) 應變片監測的應力值與理論值接近，實測最大等效應力比理論值稍小，且其數值均小于Q345 鋼材設計強度295 MPa[7]。

4．2 豎向位移監測

鋼箱梁懸臂端豎向位移作為控制底板局部應力的一項依據，當前端豎向位移越小，底板與滑道的接觸面積越大，局部應力就越小。頂推過程中應避免由于鋼箱梁豎向位移過大而引起的局部應力超限，需對豎向位移進行監測，在鋼箱梁前、后端布置測點。數據分析時，消去橋梁縱坡、鋼箱梁的剛體位移、鋼箱梁預拱度等因素的影響，計算得出頂推全過程實測最大值為23 mm，發生在30 號至L1 號墩頂推過程中，在設計要求范圍以內。

4．3 橫向位移監測

在鋼箱梁前、后端中心線各布置一測點，對頂推過程中橫向位移進行監測。整個過程鋼箱梁前端和后端的橫向位移偏差結果見圖5，圖6，可以看出:第一輪頂推剛開始時偏差較大，隨著糾偏方法的逐漸成熟，偏差得到控制，到31 號墩后，鋼箱梁前端左偏2 mm，后端左偏4 mm。第二輪頂推橋梁中心線的偏差基本控制在4 cm 以內，最終鋼箱梁前端左偏3 mm，后端左偏1 mm，符合設計要求。

圖5 第一輪頂推鋼箱梁橫向位移監測結果

圖6 第二輪頂推鋼箱梁橫向位移監測結果

5 結語

在鋼箱梁頂推過程中，滑道上方鋼箱梁底板局部受力極為復雜，其與鋼箱梁懸臂長度有關，當鋼箱梁頂推至最大懸臂狀態時，滑道上方鋼箱梁底板應力達到最大值。頂推前，在鋼箱梁前端增加4．5 m 長的導梁，減少了鋼箱梁的最大懸臂長度，將前端豎向位移控制在合理范圍內，增大滑道與鋼箱梁底板的接觸面積，減小了滑道上方鋼箱梁底板的局部應力。此外，當滑道處于鋼箱梁腹板下方時，鋼箱梁底板的局部應力比腹板偏離狀態時更小。

頂推過程中對鋼箱梁的應力和線形進行監測，第一輪頂推時，鋼箱梁橫向偏位較大，滑道偏離至腹板之外，14 m 控制截面的應力達到200 MPa 以上，隨后施工單位進行糾偏，將橫向位移控制在合理范圍內，確保腹板位于滑道上方，并不斷對滑道進行調平，確保6 個滑道受力均勻，多措并舉，整個頂推過程中鋼箱梁受力和線形均滿足設計要求，鋼箱梁頂推順利就位。