澳門大學(xué)連接橫琴口岸通道橋鋼箱梁頂推施工關(guān)鍵技術(shù)研究

呂舜

摘要：為研究鋼箱梁頂推施工關(guān)鍵施工技術(shù)，依托澳門大學(xué)連接橫琴口岸通道橋鋼箱梁頂推施工案例，詳細(xì)介紹步履式頂推施工技術(shù)的工藝流程，采用有限元數(shù)值模擬頂推過程中結(jié)構(gòu)在不同工況下的強(qiáng)度，并進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。數(shù)值計(jì)算表明，不同工況下鋼箱梁和導(dǎo)梁的強(qiáng)度和穩(wěn)定性均滿足頂推安全要求。

關(guān)鍵詞：鋼箱梁；頂推施工；橋梁工程；穩(wěn)定性

0? ?引言

鋼箱梁具有結(jié)構(gòu)自重小、抗拉強(qiáng)度高、施工快速方便以及抗震性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。針對(duì)復(fù)雜環(huán)境下大跨長(zhǎng)聯(lián)鋼箱梁頂推施工工藝，馮文園[5]依托臨猗黃河大橋分析了鋼箱梁頂推施工關(guān)鍵技術(shù)，認(rèn)為合理配置鋼導(dǎo)梁各段截面特性，可有效保證導(dǎo)梁受力均勻，達(dá)到截面最優(yōu)化效果。熊斌等[6]創(chuàng)新的采用BIM技術(shù)研究了新型BIM設(shè)計(jì)技術(shù)在鋼箱梁頂推施工中的應(yīng)用，為類似工程提供新的設(shè)計(jì)指導(dǎo)。易善德等[7]研究了雙向超寬變腹板鋼箱梁頂推新工藝，結(jié)果表明，采用文中的新工藝可以有效提高施工效率，節(jié)約工程造價(jià)。

深入分析鋼箱梁頂推施工關(guān)鍵技術(shù)具有非常重要的工程意義[8-9]。相對(duì)于傳統(tǒng)的拖拉或者推動(dòng)式頂推法，步履式頂推法可以顯著改善梁體受力的均勻性，提高施工精度。本文依托澳門大學(xué)連接橫琴口岸通道橋鋼箱梁頂推工工程，系統(tǒng)分析鋼箱梁頂推法在橋梁工程的應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上建立數(shù)值計(jì)算模型，系統(tǒng)研究了頂推法在不同工況下的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

1? ?工況概況

本項(xiàng)目位于澳門蓮花大橋南側(cè)，連通蓮花大橋與澳門大學(xué)橫琴校區(qū)，項(xiàng)目竣工后可以實(shí)現(xiàn)澳門大學(xué)橫琴校區(qū)與內(nèi)地的互聯(lián)互通。橋梁全長(zhǎng)529.3m，分為A、B匝道，其中鋼箱梁部分為A、B匝道合并段。結(jié)構(gòu)形式為單箱三室等高簡(jiǎn)支梁，跨徑75m，梁高3.75m，橋面寬17m，底板寬13m，左側(cè)挑翼寬2.5m，右側(cè)挑翼寬1.5m，采用單箱三室截面。

全橋材質(zhì)為Q345qC鋼，頂板和底板厚度均為20mm，腹板厚度均為14mm，兩端支座處頂、底板厚度為16mm，腹板加厚至24mm。頂板采用U型和I型加勁肋，間距600mm，底板采用I型加勁肋，間距300mm。腹板采用I型加勁肋，挑翼采用倒T型和I型加勁肋。全橋橋面為雙向橫坡2%，底面無橫向坡度。鋼箱梁采用工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)采用步履式頂推架設(shè)法施工。鋼箱梁頂推施工平面圖如圖1所示。

2? ?施工思路及重難點(diǎn)分析

根據(jù)鋼箱梁生產(chǎn)與現(xiàn)場(chǎng)施工特點(diǎn)，鋼箱梁采用工廠分段及分塊加工制造，然后對(duì)運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)的拼裝支架進(jìn)行焊接。考慮到在不影響交通狀況的情況下，便于施工組織和管理等因素，本工程綜合采用步履式頂推施工工藝將鋼箱梁頂推至橋位。根據(jù)項(xiàng)目的要求，存在以下重點(diǎn)和難點(diǎn)：

為保證頂推結(jié)構(gòu)整體剛度和跨度，頂推施工除了永久荷載以外，還存在大量密集的頂推臨時(shí)結(jié)構(gòu)，這些臨時(shí)性的器械增加了頂推重量，增大了施工難度。

頂推施工范圍內(nèi)存在大量的通信光纜、電纜及管網(wǎng)，施工時(shí)需保證電力管線等的絕對(duì)安全。鋼箱梁頂推距離長(zhǎng)，需頻繁倒換墊塊，對(duì)頂推設(shè)備的控制要求較高。項(xiàng)目南側(cè)毗鄰澳門大學(xué)，對(duì)防塵防噪及安全文明施工要求高。

3? ?鋼箱梁頂推工藝

3.1? ?頂推施工支架系統(tǒng)組成

頂推施工支架體系設(shè)計(jì)考慮施工工藝、鋼箱梁分段和拼裝需求，由拼裝支架與頂推支架組成。拼裝支架高度約為8m，采用4管（2×2）布設(shè)，管中距為13m×18.8m，主管采用Φ630×8鋼管，平聯(lián)和支撐采用H型鋼HN400×200×8×13，上部分配梁采用H型鋼HM588×300×

12×20雙拼，搭配321型貝雷片組成；頂推支架高度約為7.6m，采用8管（2×4）分布，主管采用Φ630×8鋼管，平聯(lián)和支撐采用H型鋼HN400×200×8×13，上部分配梁采用H型鋼HM588×300×12×20雙拼組成。

3.2? ?鋼箱梁頂推之前準(zhǔn)備工作

橋跨頂推采用邊頂推邊安裝鋼箱梁的工藝，分次安裝和頂推。導(dǎo)梁焊接完成后，即可開始箱梁頂推施工。其中，箱梁頂推之前的準(zhǔn)備工作如下：拼裝平臺(tái)和臨時(shí)墩搭設(shè)完成后，安裝頂推設(shè)備；在臨時(shí)墩上對(duì)頂推設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，檢查傳感器是否工作正常；檢查各頂推面是否全部脫開。

3.3? ?鋼箱梁頂推施工步驟

頂推法施工流程如圖2所示。在臨時(shí)墩和拼裝支架上安裝頂推設(shè)備并完成調(diào)試，在拼裝支架上完成鋼箱梁拼裝。將導(dǎo)梁吊裝至支架圖示位置與鋼箱梁焊接成整體。將鋼箱梁往前頂推12m，頂推過程中保證箱梁腹板始終在頂推設(shè)備縱向中心線±100mm范圍內(nèi)。

重復(fù)以上頂推步驟，將鋼箱梁頂推到設(shè)計(jì)里程，拆除導(dǎo)梁，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)鋼箱梁進(jìn)行糾偏，調(diào)整到位完成落梁。

3.4? ?鋼箱梁頂推施工注意事項(xiàng)

為避免鋼箱梁的橫向偏移超差，頂推過程中對(duì)鋼箱梁的中軸線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)調(diào)整限位裝置，使鋼箱梁的偏移始終被限制在誤差范圍內(nèi)。

頂推過程中鋼箱梁的受力狀態(tài)與成橋時(shí)受力狀態(tài)完全不同，整個(gè)頂推過程的監(jiān)控應(yīng)以支反力控制為主，標(biāo)高控制為輔的原則進(jìn)行。每輪頂推前依據(jù)監(jiān)控指令，明確該輪頂推鋼箱梁所經(jīng)墩臺(tái)的豎曲線變化范圍（即標(biāo)高變化值）及鋼箱梁允許支反力（即墩臺(tái)的許用壓應(yīng)力）變化范圍。同時(shí)明確各頂推工況條件下臨時(shí)墊墩標(biāo)高。

鋼箱梁線型對(duì)臨時(shí)墩結(jié)構(gòu)布置及其上方的設(shè)備行程和反力座墊板高度影響較大，頂推過程中，應(yīng)根據(jù)設(shè)備受力與計(jì)算結(jié)果比較、臨時(shí)墩反力座頂面與鋼箱梁底的接觸和間隙情況，對(duì)設(shè)備頂面和反力座墊板高度進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)和較小鋼箱梁線型的影響。

4? ?鋼箱梁頂推強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)算

4.1? ?數(shù)值模型建立

為驗(yàn)算頂推過程中材料的強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。本文采用有限元數(shù)值模擬，對(duì)頂推過程中結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和節(jié)點(diǎn)反力進(jìn)行計(jì)算。數(shù)值模擬中鋼箱梁和導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)采用beam單元。模型各部分裝配采用固定節(jié)點(diǎn)約束進(jìn)行模擬。模型共91455個(gè)節(jié)點(diǎn)和110420個(gè)單元。具體的強(qiáng)度驗(yàn)算工況如表1所示。

4.2? ?計(jì)算荷載

4.2.1? ?自重及風(fēng)荷載

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單幅鋼箱梁自重860t，導(dǎo)梁自重41t。根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)手機(jī)規(guī)范》，橫橋向風(fēng)作用下，主梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度上順風(fēng)向等效風(fēng)荷載的計(jì)算方法為：

（1）

（2）

式中：ρ為空氣密度，單位為kg/m3；Ug為等效靜風(fēng)速度；D為主梁特征高度，單位為m；B為主梁特征寬度，單位為m；CH為橫向力系數(shù)。

計(jì)算得到橫橋正常工作狀態(tài)下Fg=909.6N/m；橫橋非正常工作狀態(tài)下Fg=8677N/m；風(fēng)向下吹時(shí)，正常工作狀態(tài)下Fg=3695N/m；風(fēng)向下吹時(shí)，非正常工作狀態(tài)下Fg=33458N/m。

4.2.2? ?計(jì)算結(jié)果與分析

不同工況鋼箱梁和導(dǎo)梁驗(yàn)算結(jié)果根據(jù)有限元的計(jì)算結(jié)果見表2。工況6鋼箱梁應(yīng)力云圖見圖3。工況6鋼箱梁豎直方向位移云圖見圖4。工況8導(dǎo)梁應(yīng)力云圖見圖5。工況8導(dǎo)梁豎直方向位移云圖見圖6。

在工況6時(shí)鋼箱梁的最大應(yīng)力為67.5MPa，≤[σ]=

250MPa，在工況8時(shí)導(dǎo)梁的最大應(yīng)力為110.1MPa，≤[σ]=

250MPa，導(dǎo)梁頭部最大豎向位移為23.3mm。因此鋼箱梁和導(dǎo)梁強(qiáng)度和穩(wěn)定性均滿足頂推安全性要求。

不同施工階段導(dǎo)梁兩側(cè)撓度變化規(guī)律見圖7。從圖7可以看出，左側(cè)導(dǎo)梁和右側(cè)導(dǎo)梁在個(gè)施工階段的最大撓曲變形分別為96mm和58mm。其中左側(cè)導(dǎo)梁的最大撓度發(fā)生在施工階段1到施工階段2過程中，而右側(cè)導(dǎo)梁的最大撓度發(fā)生在施工階段3到施工階段4的過程中。

總體來看，左右兩側(cè)導(dǎo)梁在施工不同階段均有不同程度的變形，但變形均屬于彈性變形。當(dāng)施工結(jié)束時(shí)，導(dǎo)梁兩側(cè)的撓度均恢復(fù)到初始狀態(tài)，因此施工的安全性是可以保證的。

5? ?結(jié)束語

本文依托澳門大學(xué)連接橫琴口岸通道橋鋼箱梁頂推施工案例，詳細(xì)介紹步履式頂推施工技術(shù)的工藝流程，采用有限元數(shù)值模擬頂推過程中結(jié)構(gòu)在不同工況下的強(qiáng)度，并進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。數(shù)值計(jì)算表明，不同工況下鋼箱梁和導(dǎo)梁的強(qiáng)度和穩(wěn)定性均滿足頂推安全要求。

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