跨航道鋼箱系桿拱橋拱梁整體頂推施工工藝

武德智，周 盛，胡元峰，陳文強，何艷青

（海波重型工程科技股份有限公司，湖北 武漢 430207）

0 引言

該工程路線由北向南前行，以橋梁形式跨越河道，路線位于直線段上，與航道交角約114.41°。主橋上部跨徑布置為120 m+140 m雙跨簡支下承式鋼箱系桿拱，橫向雙幅，橋面寬度23.5 m，如圖1所示；單幅拱肋中心間距為25.9 m，橋面橫坡為2%，梁底水平，橫坡通過系桿不等高設置。

圖1 主橋橋型布置圖（單位：cm）

主橋上部結構由主拱肋、系桿、橋面系、吊桿、橫撐等結構組成，如圖2所示。主橋計算跨徑117/137 m，矢高23.4/27.4 m，矢跨比1/5，拱軸線線型為二次拋物線。其中拱肋采用全焊鋼箱結構，拱肋中心橫向間距25.9 m；系桿采用矩形截面結構，沿系桿中心線每3 m設一道橫隔板；橋面系以橫梁及正交異性頂板作為橋面承重結構，主橋每隔3 m設一道中橫梁；吊桿在系桿側采用吊耳銷式連接，在主拱肋采用錨壓板式連接，主拱肋處錨頭為張拉端；120 m跨兩拱肋間設置4道橫撐，140 m跨兩拱肋間設置5道橫撐，均采用箱形截面。

圖2 主橋橫斷面示意圖

該項目施工關鍵技術有二：一是頂推施工導梁、主拱臨時撐桿設計，二是頂推過程中的糾偏措施。本文對此進行詳細介紹。

1 總體施工工藝介紹

該橋上部跨徑布置為120 m+140 m雙跨簡支下承式鋼箱系桿拱，其中140 m跨采取“異位拼裝，帶拱頂推”的工藝施工，120 m跨采用原位拼裝工藝施工[1]。

140 m跨主橋采用200 t浮吊在120 m跨位置拼裝系桿、橫梁及橋面板分段，完成后在系桿上搭設格構支架，采用200 t浮吊吊裝拱肋節段，完成后安裝導梁及其他臨時結構，進行140 m跨頂推施工。單跨拱肋由兩端向跨中對稱拼裝，最后在跨中附近合龍。施工工序依次為水中臨時支墩施工→拱腳起吊、拼裝→系桿拼裝節段起吊、拼裝、連接→拱肋拼裝支架搭設→拱肋起吊、拼裝、連接→梁拱臨時連接斜撐吊裝→拱肋拼裝支架拆除→橫撐吊裝→頂推施工→落梁施工，如圖3所示。

圖3 140 m跨主橋拼裝流程圖

2 導梁及主拱頂推臨時撐桿設計

2.1 導梁設計

根據施工現場條件，頂推用臨時支墩縱橋向最大間距達40 m，因此鋼梁前端需設置導梁。為降低導梁自重，并滿足鋼梁頂推施工要求，設計采用變截面工字型導梁[2]，由根部（與鋼梁連接處）向端部逐漸減小。由于橋梁與航道斜交導致導梁兩側工字梁縱向長度分別為32 m、25 m，導梁與鋼梁連接處設有兩組縱梁，導梁的兩組縱梁端部設計成臺階狀，以利于過墩時起頂，如圖4所示。

圖4 頂推導梁示意圖（單位：mm）

2.2 主拱頂推臨時撐桿設計

頂推過程中，拱肋采用φ1 020×20 mm鋼管組成A字支撐[3]，支撐與拱肋及系桿設計專用接頭進行插接，如圖5所示。

圖5 主拱頂推臨時撐桿示意圖

3 頂推施工工藝介紹

3.1 頂推施工工況

該項目為一次頂推過跨施工，典型施工工況如下：

（1）頂推距離40 m時，此時為最大前懸臂工況（前端下撓最大），如圖6所示。

圖6 主拱頂推最大前懸臂工況

（2）頂推距離50 m時，此時為最大后懸臂工況（后端下撓最大），如圖7所示。

圖7 主拱頂推最大后懸臂工況

（3）當導梁過最大跨1/2長度時，導梁上拱變形最大工況，如圖8所示。

圖8 主拱頂推導梁上拱變形最大工況

（4）頂推距離80 m時，導梁上墩，此時為鋼梁受力最不利工況，如圖9所示。

圖9 主拱頂推導梁上拱變形最大工況

（5）頂推距離120 m時，140 m跨鋼梁頂推到位，如圖10所示。

圖10 主拱頂推到位

3.2 頂推過程受力分析

3.2.1 有限元模型建立

采用Midas/Civil建立本工程橋梁頂推分析模型，鋼箱梁與導梁均采用梁單元模擬，用“僅受壓”彈性支撐模擬頂推施工過程中頂推結構的支座豎向受力狀態，根據支架模型計算其抗側移剛度，用彈性支座模擬頂推施工過程中頂推結構的支座水平受力狀態。整體計算模型如圖11所示。

圖11 有限元頂推計算模型

3.2.2計算工況

整個頂推施工的關鍵過程可以分為以下幾個工況：

工況1：拼裝工況；

工況2：頂推距離50 m，最大后懸臂工況（一）；

工況3：頂推距離80 m，最大后懸臂工況（二）；

工況4：頂推開始，導梁脫離頂推支架，最大前懸臂工況（一）；

工況5：頂推距離40 m，最大前懸臂工況（二）；

工況6：導梁過墩二分之一，導梁上拱最大工況（一）；

工況7：導梁過墩三分之二，鋼梁受力最不利工況；

工況8：頂推距離120 m時，落梁工況。

3.2.3 計算結果分析

由表1頂推施工分析結果匯總可知，最大組合拉應力114 MPa，最大組合壓應力-183 MPa。拱和橋面梁的材質為Q355，斜撐和導梁的材質為Q235，最大組合應力值均小于容許應力值；同時導梁前端在整個頂推施工過程中撓度幅值最大為134 mm，小于1/200L規范要求，發生在工況9階段，即落梁工況。因此，在頂推施工中主體結構受力安全。

表1 頂推施工分析結果匯總表

4 頂推過程中的糾偏措施

對鋼箱拱橋，主梁的線形控制是本項目的重難點。結合該項目的施工特點，在施工過程及成橋時，其線形控制主要包括：

（1）主橋整體拼裝成橋線形；

（2）頂推施工過程中主橋線形；

（3）頂推施工頂推過程中主拱的軸向偏位。

4.1 頂推過程中線型控制

（1）試頂推：正式頂推前，應對主橋整體進行試頂推，以便確認頂推設備、支架系統、及導梁均在正常運轉。

（2）支架狀態觀測：在頂推施工過程中，隨時觀察支架狀態（如支架預留下沉量、支架應力、支架位移等數據），根據觀測結果及時調整。

（3）實時監控：在頂推施工過程中，應實時監控線形和應力并根據結果及時調整。觀察液壓系統中各油缸的頂升壓力、高度等數據，分析目前狀態下主橋的受力狀態并及時調整，線型發生較大偏差（偏差≥30 mm）時，需立即進行糾偏，避免因線型導致結構受力不均衡或失穩等問題。

4.2 頂推過程中的糾偏措施

為了防止鋼梁在頂推過程中發生橫向偏移，須在每次頂推行程完成后檢查鋼梁是否發生偏移，若偏移距離在許可范圍之內，則可繼續頂推，若偏移距離即將超出許可位移，則需進行糾偏[4]。糾偏主要控制措施如下：

（1）在鋼梁前端和尾端的中部（中線位置）設置控制標志，標志地方粘貼全站儀測量反光設備。通過既有的橋梁測量控制點，用全站儀測量出其各控制點的坐標，從而反算出鋼梁所處位置的對應樁號和所在位置的橫向偏移量（偏距），將測量結果反饋給步履機操控人員適時進行糾偏。

（2）在梁底作用點位置做上標記，頂推過程中步履機看守人員必須連續觀測，確保頂升的作用點平面位置偏差小于3 cm。條件允許時，可在梁前端和尾部設置平面位置觀察點予以監控。當步履機作用點位置偏移值大于3 cm時，必須進行糾偏。

（3）當中央控制系統檢測到鋼梁梁體發生偏移或工作人員發現梁體偏移后，會根據偏移情況決定要糾偏的步履機號，由于每臺步履機都配置有橫向糾偏頂，可以對各種情況下的偏移進行調整。若鋼梁只有前端發生偏移，則只需對前端步履機進行局部糾偏，若鋼梁整體發生偏移或者小幅旋轉，則可通過前后糾偏頂調整偏移距離及偏移角度。在糾偏時，步履機豎向千斤頂處于頂升狀態，兩側糾偏頂帶動步履機上部千斤頂進而帶動鋼梁向左或者向右偏移，偏移距離可根據糾偏頂行程進行調整，糾偏完成后，糾偏頂回收，豎向千斤頂回落。然后再進行下一次頂推循環。

5 結語

該項目主橋鋼結構采用工廠化大構件加工，在現場進行組裝與焊接的模式，提高了施工質量和解決了施工場地限制等因素。同時采用步履式頂整體推施工，有效的解決了跨航道保通施工的問題。在頂推過程中應重視線形控制，采取多種措施及時進行糾偏，從而確保頂推線形和結構受力等滿足設計要求。