橋梁頂推施工過程受力分析及關鍵問題研究

汪飛

摘要 隨著我國橋梁建設工程的迅速發展，橋梁的施工質量和安全性受到廣泛關注，尤其是進行頂推施工時，橋梁的受力情況是影響其后續安全使用的主要因素。文章通過對橋梁頂推施工進行探究，闡述了常用的頂推施工工藝種類和施工要點。以實際工程案例為研究對象，進行模擬研究，分別對頂推施工過程中橋梁的變形情況、橋面板受力以及主梁、導梁受力進行分析，發現混凝土橋面板降低了橋體的變形量，需要在施工過程中采用高強度的混凝土材料才能夠滿足橋面板結構強度的要求；鋼梁所受的拉應力在設計要求范圍內。

關鍵詞 頂推施工；局部受力；鋼箱梁；導梁

中圖分類號 U445.462文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）10-0081-03

0 引言

隨著交通網絡發展迅速，交通覆蓋領域日益增大，橋梁作為交通網絡的重要組成部分，受到廣泛關注。橋梁建設和運營受建設區域的環境、地質條件影響較大，日漸增加的交通量對橋梁的建設質量要求越來越高，相應的施工難度也在不斷提升。常用的橋梁施工法有懸臂施工、轉體施工、整孔吊裝以及頂推施工[1]。各類施工工藝有明顯的應用特點，相較其他三種工藝而言，頂推施工具有施工速度快、造價低等優點。但頂推施工方法也有明顯的局限性，通常應用于中等跨度的橋梁建設，在應用于大跨度橋梁建設時應在跨度較大的位置設置臨時橋墩，這就要求使用頂推法進行橋梁施工時應進行準確的受力分析，以保證橋梁的施工質量。

1 頂推法施工技術

頂推施工橋梁的施工建造歷史可以追溯到20世紀60年代，該技術的應用為橋梁施工的工程領域提供了新的施工方法，進一步推動了橋梁建設工程的創新和發展。此后，頂推施工技術逐漸得到推廣，在我國也得到了廣泛應用，形成了豐富的建設經驗。

1.1 頂推施工技術分類

頂推法施工技術分類可以按照頂推力、支撐系統、拼裝工序以及頂推方向不同進行劃分，在實際工程應用時，應根據工程特點選擇適宜的施工技術，該文主要介紹按照頂推力的不同劃分的類別。按頂推力不同可將頂推施工分為多點頂推和單點頂推兩種類型，多點頂推是指在多個橋墩（或臨時橋墩）上均設置一個三向的千斤頂，利用多個頂推動力推動裝置，為橋梁構件提供豎向抬升和水平推移力。若在頂推過程中橋梁構件發生橫向位移，多點位的千斤頂可以提供橫向力進行糾偏[2]。多點頂推的主要特點是將橋梁的壓力分布于多個頂推的支撐點以分散頂推設備的受力，因而多點頂推的施工工藝可承受的橋梁重量范圍較大，可適用于大跨度的橋梁和曲線橋梁建設。但由于頂推支點設置較多，需要保證多個頂推點位的千斤頂相互協同作用，因而對設備的控制要求較高。

單點頂推是指在某一橋墩設置頂推動力裝置，利用水平和豎向千斤頂在縱向上為橋梁構件提供推力，在其他橋墩（或臨時橋墩）上設置滑道為橋梁頂推過程中提供支撐力和滑動力。單點頂推相比于多點頂推的施力位置比較集中，支點所在的橋墩會受到較大的支反力作用，其他支點位置將在梁體構件滑移過程中和滑道產生較大的摩擦力，因而對橋墩的剛度以及頂推力要求較高，實際應用時頂推梁體的重量不宜過大，不太適用于跨徑較大的橋梁。單點頂推施工常用于直線橋梁建設，由于其只有一個頂推點而對設備的控制相對簡單，在施工中可以采取在梁體與滑道的接觸面上涂抹潤滑劑等方式，降低梁體推動過程中的摩擦力，從而降低橋梁構件對下部支撐結構的影響。

1.2 頂推施工工藝要點

該文以浙江省某橋梁作為研究對象，該橋梁為3跨的跨線橋梁，跨徑為45 m+54.5 m+45 m，梁體主要為鋼箱梁結構。主橋上部采用全焊單箱三室截面鋼箱梁結構，橋梁寬度為18 m，梁高為3 m，沿橋梁的中心線位置設置橫隔板及腹板豎向加勁肋。

頂推施工橋梁的重點在于頂推方案的設計。就該文研究的橋梁而言，總的頂推長度為144.5 m，可采用分塊的方法對鋼梁進行加工，使用錯縫切割工藝將鋼梁劃分為橫向6個區塊和縱向12個獨立區塊，塊間的錯縫間距為25 cm。鋼梁制作采取預制形式在工廠內完成組裝，由于施工時第二跨的鋼梁長度為44.5 m，因此需要設置臨時橋墩形成過渡，再利用步履式頂推法進行施工。在頂推施工前應進行試頂推施工，測試距離設置為3 m。在試頂推施工時，先進行手動模式操作，檢查設備的運行狀態，確定無誤后再啟動頂推裝置進行自動頂推施工。在自動頂推過程中，應注意記錄頂推油壓極值。為保證主梁單點受到的支反力在設計要求的范圍內，應對頂升支撐油缸的支反力進行監測，實時讀取頂升支撐油缸的狀態數據并及時進行調整，確保主梁受力平衡[3]。

為了保證主梁的橫向偏位在限制范圍內，應在控制系統重新設置中軸線監控系統，并利用該監控系統實時監測主梁的中軸線偏移程度。若發現主梁發生明顯偏移，應及時利用限位調整裝置進行糾偏，保證主梁的偏移程度在合理范圍內。

該項目采用多點頂推的施工工藝。在橋梁頂推時，在鋼梁的前端設置30 m長的導梁，以保證頂推施工過程中鋼梁前端的懸臂負彎矩不至于過大。導梁主要利用工字鋼，通過焊接進行連接，梁高設置為2.75 m，腹板為20 mm；頂板和底板的寬度一致，均設置為500 mm，厚度同樣為20 mm；橋梁設置勁板，分別在縱梁間隔1.5 m、距頂板375 mm和距底板1 274 mm處進行設置，勁板厚度為12 mm。

在頂推施工監控過程中，除主要監控的橋墩墩頂的支反力外，還應監控梁體的標高。通過頂推過程中梁體豎向標高以及橋墩墩頂的支反力值，確定后續前進過程中千斤頂豎向頂升的調整范圍，并將壓力的控制閾值設定在85%的調整范圍內。

2 頂推施工橋梁受力分析

2.1 梁體位移分析

頂推施工中梁體的形變情況直接影響導梁能否順利上墩。該文利用有限元模擬的方式建立橋梁模型，對橋梁頂推施工過程進行模擬，對前導梁和主梁體的位移值進行監測，得到如圖1所示的結果。由圖1可以看出，主梁和導梁的上撓相對下撓變化較小，其中主梁上撓最大值出現在頂推40 m位置，最大為2.41 m，其余大部分位置的上撓為0；主梁的下撓在0～13 m的范圍內波動，其中在50 m以及70～90 m的位置撓度最大，且撓度極值均出現在梁箱與導梁接觸的位置；就主梁整體而言，由于梁體主要為開口槽型鋼，自重相對較輕，主梁整體的剛度相對較好，僅在與導梁接觸的位置撓度較大，梁體的形變情況整體在設計要求的范圍內；導梁的上撓相對主梁變化稍大，在頂推50 m的位置出現最大值，為15.34 m；下撓相對變化最大，在頂推90 m時出現極值，最大為?70 m，這主要是因為在第二跨位置的導梁前端處于懸臂狀態；橋梁的尾端相對撓度較小，這是因為在尾端鋪設了混凝土橋面板，提升了結構的整體剛度，雖然混凝土橋面板增加了自重，但是撓度相對降低[4]。

2.2 橋面板受力分析

由于在頂推施工過程中橋面板已經進行了混凝土澆筑，所以要對橋面板進行受力分析。頂推45 m時橋面板的受力結果如圖2所示，可以看出最大負彎矩值出現在1 030 kN·m，這主要因為在頂推距離為0的位置，進行了支架拆除工作；隨著頂推長度的增加，最大負彎矩值開始逐漸減小，并進行周期性波動；在頂推100 m時最大彎矩值達到波動范圍內的峰值，為795 kN·m。在橋面板施工過程中，鋼梁和橋面板產生了相互作用的軸向力，在整個頂推過程中，橋面板受力較為均勻。

對45 m的頂推距離的橋面板受力進行分析，得到橋面板所受的軸力值變化如圖3所示，可以看出，隨頂推距離的增加最大軸力先呈現增大趨勢并在23 m處軸力達到最大值，最大可達到13 904 m；頂推距離超過23 m后軸力值開始減小，并在35～45 m的位置軸力變化開始放緩。最小軸力在頂推距離在20 m之前逐漸降低，在20～30 m范圍值變化趨勢逐漸放緩，并在25 m時達到最小值?9 634 m，在30 m以后呈現逐漸變大趨勢。由于C50的混凝土抗拉強度為2.65 MPa，就本文而言，橋面的截面為0.3 m×16.5 m，橋面所受最大的應力為2.81 MPa，明顯高于C50混凝土的抗拉強度，因此需要采用抗拉強度較高的建筑材料。高聚物纖維混凝土的拉彎強度較高，抗拉強度可以達到2.83 MPa，可以滿足本文研究橋梁的設計需求。

2.3 鋼梁受力分析

分別對頂推施工過程中的主梁和導梁進行應力分析，得到如圖4所示的結果。由圖4可以看出，主梁最大應力在50 m、60 m和90 m時出現極值，且極值分別為40.84 MPa、70.58 MPa和72.35 MPa；隨著頂推距離的增加，最大拉應力極值逐漸變大；最小拉應力在30 m、

50 m、70 m和90 m時出現極值，分別為79.75 MPa、77.57 MPa、51.74 MPa和69.11 MPa，主梁最大拉應力和最小拉應力極值位置基本出現在主梁與導梁銜接的位置附近。就導梁而言，最大拉應力和最小拉應力的變化范圍大于主梁；最大拉應力在42 m、59 m、69 m和108 m處出現極值，極值分別為76.62 MPa、115 MPa、104.6 MPa和72.05 MPa，最大拉應力極值出現的位置與主梁類似，這主要受頂推過程中主梁和導梁之間的銜接結構有關；最小拉應力極值在6 m、39 m、61 m、73 m和108 m位置處出現，且其最小值為?109.61 MPa；相較最大拉應力極值出現的位置，最小拉應力的極值距離頂推稍近，這說明在頂推過程中鋼梁各個截面受到的拉應力不同，各個截面的受力分布具有復雜性。總體而言，該文研究鋼梁的拉應力在設計要求范圍內波動，相對主梁與導梁銜接的位置拉應力變化較大，可以采用鋼混組合的形式利用混凝土橋面板分擔一部分鋼梁受力[5]。

3 結語

該文通過對浙江省某頂推施工橋梁進行分析研究，得出以下結論：

（1）主梁和導梁的上撓相對下撓變化較小，整體在設計要求范圍內。橋梁的尾端相對撓度較小，說明鋪設混凝土橋面板，可以提高橋梁結構的整體剛度，降低橋梁變形量。

（2）在橋面板施工過程中，鋼梁和橋面板產生了相互作用的軸向力，在整個頂推過程中，橋面板受力較為均勻。就該文而言，橋面所受最大的應力為2.81 MPa，明顯高于C50混凝土的抗拉強度。因此，可以采用高聚物纖維混凝土，其抗拉強度可以達到2.83 MPa，可以滿足該文研究橋梁的設計需求。

（3）主梁最大應力極值為72.35 MPa，最小應力極值為79.75 MPa；就導梁而言，最大拉應力和最小拉應力的變化范圍大于主梁；最大拉應力和最小拉應力極值分別為115 MPa和72.05 MPa，這主要受頂推過程中主梁和導梁之間的銜接結構有關；頂推過程中鋼梁各個截面受到的拉應力不同，但整體在設計要求的范圍內波動。

參考文獻

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[5]張丁丁. 曲線鋼箱梁橋頂推施工結構計算與安全控制研究[D]. 昆明：昆明理工大學， 2023.