高速公路大跨度鋼箱梁頂推智能化施工技術分析

收稿日期：2024-01-09

作者簡介：余姣（1979—），女，本科，工程師，研究方向：路橋工程。

摘要 隨著交通建設的不斷發展，大跨度鋼箱梁的應用逐漸增多，但其施工過程存在一定的難度和風險。因此，文章探討如何利用智能化技術提高大跨度鋼箱梁頂推施工的效率和安全性。首先，概述了高速公路大跨度鋼箱梁頂推施工技術的背景；然后，詳細討論了大跨度鋼箱梁頂推智能化施工的力學性能分析。結果表明，智能化施工技術在大跨度鋼箱梁頂推施工中具有廣闊的應用前景，能夠提高施工速度和施工質量，同時減少人力成本和安全隱患。

關鍵詞 高速公路；大跨度；鋼箱梁頂；智能化；施工技術

中圖分類號 U445.462文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）09-0116-03

0 引言

在高速公路建設中，大跨度鋼箱梁頂推技術被廣泛應用，以實現快速施工和提高工程質量[1]。隨著科技的不斷發展和智能化技術的應用，智能化施工技術在大跨度鋼箱梁頂推施工中的作用也越來越重要。鋼箱梁頂推是一種先進的施工技術，它通過鋼箱梁的頂推方式實現橋梁施工，具有施工周期短、施工質量高和施工安全可靠等優點。然而，大跨度鋼箱梁頂推施工過程中存在一些問題和挑戰，比如施工過程監控不及時、施工工藝不完善和材料選擇不合理等。為了解決這些問題，智能化施工技術應運而生[2]。

1 工程概述

某高速公路大跨度超大橋主橋工程是某市公共交通系統測試段的控制工程。該橋采用35 m+260 m+50 m+

64 m+66 m鋼混凝土復合單塔斜拉的橋型方案，a型塔架，塔高146.8 m，橋面寬46.5 m，橋長475 m，側墩及副墩均設有支護。小里程側主跨和35 m側跨梁采用鋼箱梁，其他主梁采用預應力混凝土箱梁[3]。

主梁為分離的扁鋼箱梁，抗風性好，完整性強，線條優美。分離鋼箱采用密集分布的工字梁連接，正交異性鋼橋面布置在橫梁上，梁間距3.0 m。鋼箱梁腹板高度3.3 m，橋面寬46.5 m，箱寬39.64 m，橋面雙向橫坡的坡度為2%，高寬比1∶12.01，高跨比1∶78.79。在鋼箱梁外設置一條2.5 m寬的人行通道，風整流罩寬度為0.67 m。鋼箱梁標準截面厚16 mm，底板厚14 mm，上下靠近支撐板加厚至22 mm。鋼管柱設計為橫向橋，共2組4行，每組2排連接一組，鋼管柱通過型材鋼連接系統進行連接。鋼管柱頂組為2H 588 mm×300 mm×20 mm

×12 mm型鋼分配梁。鋼管柱頂部配型鋼梁，型鋼配梁配斜梁和工字梁，鋼箱梁縱向移動安裝在工字梁滑道上。主梁鋼箱周長的標準截面如圖1所示：

2 高速公路大跨度鋼箱梁頂推施工技術研究

高速公路大跨度鋼箱梁是一種應用廣泛的結構形式，其施工技術的背景和意義十分重要。隨著經濟的快速發展和城市化進程的加速，大跨度鋼箱梁頂推技術已成為高速公路建設中常用的施工方法。這種技術可以顯著縮短施工周期，提高工程質量，減少勞動力和材料消耗，降低對環境的污染[4]。首先，大跨度鋼箱梁頂推技術可以加快施工進度。相比傳統施工方法，鋼箱梁頂推技術可以在短時間內完成大跨度橋梁的梁段安裝，大大縮短了施工周期，提高了施工效率。這對于高速公路建設來說非常重要，可以盡早開通交通，更快地滿足人們的出行需求。其次，大跨度鋼箱梁頂推技術可以提高工程質量。在頂推施工過程中，梁段的安裝非常精準，可以實現毫米級的定位和對齊，這樣可以確保梁段的準確安裝和連接，避免了傳統澆筑方法中存在的施工誤差和質量問題。

建筑建設全過程大致分為四個階段：設計階段、生產階段、運輸階段和施工安裝階段。

2.1 設計階段

設計階段可以大致分為技術策劃、方案設計、初步設計、施工圖設計和構件深化設計五個部分，其中還包括各階段之間的審批和信息傳遞等工作。技術策劃環節對建筑項目起到承前啟后的重要作用。在此階段，設計單位要充分考慮外部條件、成本限額和項目規模等因素影響，制定科學合理的技術路線，為后續設計工作奠定基礎。構件深化設計環節是在結構設計基礎上的二次設計，一般基于建筑的結構形式、安全性能、個性化需求以及生產運輸安裝的便捷性等進行拆分設計。構件深化設計環節是設計階段極為關鍵的環節，其目的是將整個建筑結構分解成較小的部分，并且將每個部分進行精細化設計，以確保符合生產和安裝要求。

2.2 生產階段

預制構件的生產在構件廠內完成，不易受環境以及天氣等因素的影響，生產進度比較穩定。在此階段，構件加工廠根據預制構件設計圖紙設計和生產相配套模具，然后按照細分的圖紙進行預埋件的埋設。預制構件生產的各個環節都可以采用流水線設備進行，并可以運用信息化和智能化系統進行管理。

2.3 運輸階段

運輸階段是相較于傳統建筑建造方式新增的一個環節。運輸裝載效率受預制構件尺寸、種類、形狀以及裝載車輛類型的影響。目前，我國預制構件大都采用平板運輸車方式運輸。結合預制構件自身的特點，選擇不同的運輸方式，包括豎直立放式、平放式和散裝式等運輸形式。此外，構件在運輸階段的管理也至關重要。運輸方案的制定需要充分考慮運輸路線及距離、道路路況、裝載效率、運輸車輛類型和構件數量等，盡可能地提高車輛裝載率及運輸效率。預制構件的進場也要合理規劃，避免等待時間過長造成工人窩工或者增加倉儲費的現象。預制構件運至施工現場后需按照指定位置存放，盡量避免二次搬運，以免對構件造成損傷。

2.4 施工安裝階段

預制構件運至施工現場后，需根據指定地點進行存放，施工時利用大型吊裝機械設備對構件進行吊裝及拼接。施工工藝受載荷形式及結構形式等方面的影響略有不同，但基本上都包括定位放線、支撐體系搭設、吊裝和連接等。就預制構件之間連接形式而言，水平接縫及豎向接縫形式多采用干連接，像焊接、螺栓、預應力或者栓釘連接及混合連接；鋼筋連接形式多為套筒灌漿連接、漿錨搭接連接和套箍連接等。施工安裝階段也是影響成本的一個關鍵環節。預制構件在堆放和吊裝時很容易因為工人操作不熟練導致磕碰和損壞，嚴重影響裝配式預制構件的質量，也影響后續的安裝拼接。

3 支架設計方案

鋼梁設有兩段鋼箱梁支架，分別位于主橋的東西兩側。鋼箱梁支架從DP1#墩開始，穿過DP2#墩和左岸路堤入水面。主要用于安裝M31至M21梁段縱向移動、安裝支撐或臨時存放。支架全長94.31 m，其中河流支護長度39 m，支護距地面約20 m。支架基礎設計有四種類型。第一種為水泥攪拌樁基礎，直徑500 mm，樁間距400 mm。樁基礎鋪有20 cm厚的砂墊層，頂部為鋼筋混凝土擴大基礎[5]；濱坡有2個頂，尺寸為2.3 m×4.6 m×0.8 m；在回水斜坡上有2個頂蓋，尺寸為4.6 m×4.6 m×0.8 m；適用于河堤段的支架基礎。第二類為Φ400 mm PHC管樁基礎。PHC管樁長度約23 m，樁頂部為鋼筋混凝土帽，尺寸為100 cm×100 cm×80 cm；PHC管樁長度約23 m，樁頂部為鋼筋混凝土帽，尺寸為100 cm×100 cm×80 cm，適用于海岸支架基礎。第三種類型為Φ630 mm×6 mm（820 mm

×8 mm）鋼管樁基礎，支架直接安裝在水下支架基礎上使用。第四種類型是將預埋件安裝在部件的頂部，連接鋼管柱的墩蓋。鋼管柱設計為橫向橋，共2組4行，每組2排連接一組，鋼管柱通過型材鋼連接系統進行連接。鋼管柱頂組2H 588 mm×300 mm×20 mm×12 mm型鋼分配梁。鋼管柱頂部配型鋼梁，型鋼配梁配斜梁和工字梁，鋼箱梁縱向移動安裝在工字梁滑道上[6]。

4 大跨度鋼箱梁頂推智能化施工模型力學分析

4.1 模型計算

該工程有三個并排箱，混凝土面板澆筑前未形成整體。盒子之間的影響很小。此外，計算機容量有限，三個盒子的模擬仿真單元數量較大，有必要簡化整體結構。橋梁的單跨距與邊界條件基本一致，荷載條件也基本一致。因此，選擇單跨橋進行分析，其幾何模型如圖2所示。模型坐標系以XZ平面為橋的截面，以Y方向為軸向。計算網格為一個四節點的四面體單元，整個計算域分為212 515個單元和70 718個節點。

圖2 大跨度鋼箱梁頂幾何模型

4.2 荷載及邊界條件的計算

在此計算中，考慮了三種工作工況。工況1：靜載；工況2：靜載+混凝土面板；工況3：靜載+混凝土面板+施工荷載，其中施加于混凝土面板的載荷為2 kN/m2。混凝土靜載的傳輸路徑面板為：木模板—鋼管支撐—底板為鋼管支撐—加強肋。從上述傳輸路徑可以看出，施工荷載和混凝土死荷載最終傳遞到鋼箱，鋼箱結構承擔總荷載[7]。

材料特性和邊界條件的介紹：計算材料是基于線性彈性混凝土的計算參數。包括：彈性模量Es為2.8E10 Pa，泊松比μ為0.167，密度為2 500 kg/m3。金屬材料為Q35，彈性模量Es為2.06E11 Pa，泊松比μ為0.3，密度為7 850 kg/m3。在計算過程中，邊界條件是對橋架底部的墊片施加鉸鏈約束。

4.3 計算結果的分析

不同工況下橋梁的應力大小及分布情況見表1所示。各工作條件下橋梁的應力分布規律基本一致，分析主要是針對工作條件3，并考慮混凝土面板死載和施工負荷的工況3。

圖3顯示了箱體底板位移和盒子內各部分的應力分布。可以看出，箱的主拉應力面積主要分布在箱的上中區域，應力從兩端向中間逐漸增大，最大值約110 MPa，遠小于鋼的屈服值295 MPa，箱的整體應力梯度較大，超過50 MPa的應力面積小。此外，在盒兩端的底部也有一個較大的拉應力區域，認為在計算過程中出現一定的應力集中現象，主要是由于兩端的充分約束。從圖中可以看出，主控制方向為XZ方向，即盒形截面。整體剪應力分布沿中間向兩端逐漸增大，最大剪應力為30.4 MPa，小于規定值（即170 MPa）。

圖3 箱體底板位移分布圖（mm）

5 結論

該文通過對高速公路大跨度鋼箱梁頂推智能化施工技術的研究分析，對大跨度鋼箱梁頂推智能化施工模型進行了力學分析，提出了一種解決方案，并對其可行性進行了論證。結果表明，該技術具有很大的潛力和應用前景。通過分析和探討智能化施工技術的應用，可以為相關工程提供有效的參考和指導，推動高速公路建設的進步和發展。未來可以對智能化施工技術的具體應用細節進行深入研究，進一步完善該技術方案，以適應不同類型和規模的工程需要。

參考文獻

[1]耿開軍， 孫俊， 王曉剛. 山區高速公路大跨度鋼箱梁頂推技術應用分析[J]. 交通節能與環保， 2023（S1）： 136-139+150.

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[3]熊國武. 高速公路大跨度連續剛構主墩深水基礎施工技術[J]. 路基工程， 2023（3）： 160-164.

[4]謝財進. 大跨度無中墻連拱隧道施工力學行為及應用[D]. 貴陽：貴州大學， 2022.

[5]王國萍. 山區高速公路大跨度鋼箱梁橋頂推施工技術[J]. 價值工程， 2023（4）： 74-76.

[6]高紅杰. 巖體應變軟化模型及其在超大斷面分岔式隧道圍巖穩定性分析中的應用研究[D]. 北京：北京交通大學， 2022.

[7]董云飛. 大跨度鋼箱梁跨既有高速公路吊裝技術[J]. 建筑機械， 2022（5）： 107-109.