鋼桁梁頂推施工的技術(shù)應(yīng)用

楊江國(guó)

（天津城建設(shè)計(jì)院有限公司,天津市 300122）

1 工程背景

橋梁施工工藝的合理選用是關(guān)系到工程安全、建設(shè)成本的重要環(huán)節(jié)。頂推施工作為橋梁結(jié)構(gòu)跨越既有道路的一種常用施工方法，施工過(guò)程中需要架設(shè)平臺(tái)、安裝鋼導(dǎo)梁等多種臨時(shí)結(jié)構(gòu)。合理的頂推施工方案對(duì)于工程項(xiàng)目的建設(shè)成本、施工工期影響巨大[1-4]。

某高速公路鋼桁梁跨徑128 m，為降低對(duì)既有下穿高速公路的影響，對(duì)鋼桁梁安裝采用頂推方案架設(shè)。施工方案計(jì)劃在主墩一側(cè)架設(shè)支架平臺(tái)來(lái)拼裝鋼桁梁，安裝頂推滑道及成套頂推設(shè)備，采用千斤頂將鋼桁梁結(jié)構(gòu)從56＃墩頂推至57＃墩。設(shè)計(jì)前導(dǎo)梁長(zhǎng)80 m，需搭設(shè)210 m長(zhǎng)施工平臺(tái)，如圖1所示。

圖1 原有施工總布置圖

2 施工方案

2.1 方案總述

鋼梁主桁構(gòu)件、橋面系分段制造焊接完成后，運(yùn)輸至工地。在鋼桁梁小里程側(cè)搭設(shè)鋼梁拼裝平臺(tái)，鋼導(dǎo)梁、鋼梁構(gòu)件、橋面系在拼裝平臺(tái)上分段拼裝完成后，向大里程方向按既定施工步驟頂推到設(shè)計(jì)位置。 最大頂推質(zhì)量為3 300 t，設(shè)計(jì)頂推力為400 t。頂推過(guò)程中，為了確保鋼桁梁施工時(shí)的抗傾覆安全系數(shù)K0≥1.5，必須在鋼梁橋面系上配重，配重總計(jì)為1 000 t。在鋼梁未頂推到設(shè)計(jì)位置前，不頂推時(shí)，在墩頂將鋼梁設(shè)置臨時(shí)鎖定作為保險(xiǎn)措施，確保鋼梁安全施工[5-7]。

2.2 方案優(yōu)化

前述施工方案中主墩中心間距128 m，施工中最不利工況下懸臂過(guò)長(zhǎng)，不利于結(jié)構(gòu)受力，并且作為臨時(shí)結(jié)構(gòu)的鋼導(dǎo)梁及支架平臺(tái)體量較大，建設(shè)成本過(guò)高。現(xiàn)根據(jù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)及經(jīng)濟(jì)性原則對(duì)頂推方案進(jìn)行合理優(yōu)化，在兩主墩之間添加臨時(shí)墩，以減小施工跨徑，相應(yīng)縮減導(dǎo)梁長(zhǎng)度；支架平臺(tái)及臨時(shí)墩采用可租賃的八三式軍用橋墩搭設(shè)；采用邊頂推邊拼接主桁的施工方式，有效減小支架平臺(tái)長(zhǎng)度。通過(guò)以上措施使鋼桁梁頂推施工更加經(jīng)濟(jì)合理。

在距56＃墩、57＃墩內(nèi)側(cè)各15 m處分別設(shè)置一臨時(shí)墩，兩臨時(shí)墩均采用4×4等截面八三式鐵路輕型軍用橋墩搭建。臨時(shí)墩的設(shè)置可使頂推跨徑由128 m縮減至98 m，將原方案中長(zhǎng)80 m導(dǎo)梁改用長(zhǎng)60 m導(dǎo)梁。支架平臺(tái)由單排630×10的雙肢鋼管柱改為從2×2等截面八三式鐵路輕型軍用橋墩搭建，平臺(tái)搭設(shè)由原方案中18跨減至11跨，平臺(tái)支墩由36個(gè)減至22個(gè)。

2.3 施工步驟

優(yōu)化后的頂推施工在原施工方案的基礎(chǔ)上，增加臨時(shí)墩、減小支架平臺(tái)長(zhǎng)度、減小導(dǎo)梁長(zhǎng)度，臨時(shí)墩布置形式如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后施工總布置圖

優(yōu)化后施工步驟如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后施工步驟圖

3 受力分析

3.1 計(jì)算模型

鋼桁梁頂推施工過(guò)程采用有限元分析軟件MIDAS Civil 2015計(jì)算，結(jié)構(gòu)用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，共計(jì)3 305個(gè)節(jié)點(diǎn)，4 705個(gè)單元，如圖4所示。通過(guò)逐步建立頂推施工階段來(lái)模擬實(shí)際施工過(guò)程。

圖4 鋼桁梁及導(dǎo)梁模型

3.2 分析結(jié)果

本鋼桁梁頂推施工計(jì)算模型每頂推1個(gè)間節(jié)定義1個(gè)施工階段，共計(jì)17個(gè)施工階段。通過(guò)計(jì)算，對(duì)施工過(guò)程中最典型的7個(gè)步驟下的鋼桁梁受力狀態(tài)進(jìn)行分析，如表1所示。

表1 鋼桁梁受力狀態(tài)

由以上計(jì)算結(jié)果可知，本桁梁橋頂推過(guò)程中前導(dǎo)梁懸臂狀態(tài)下最大撓度為353.3 mm；鋼桁梁前導(dǎo)梁在接觸臨時(shí)墩工況下的拉應(yīng)力最大，為235.9 MPa；鋼桁梁變形、強(qiáng)度均能夠滿(mǎn)足頂推施工要求。

3.3 抗傾覆分析

大懸臂狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)抗傾覆性能對(duì)于施工安全至關(guān)重要，因此有必要對(duì)施工過(guò)程中懸臂狀態(tài)下的各工況進(jìn)行抗傾覆分析。

懸臂結(jié)構(gòu)抗傾覆安全系數(shù)K0計(jì)算公式為：

式中：M2為傾覆力矩，即懸臂段對(duì)傾覆點(diǎn)的力矩；M1為穩(wěn)定力矩，即平臺(tái)段對(duì)傾覆點(diǎn)的力矩；梁傾覆示意圖如圖5所示。

圖5 梁傾覆示意圖

從支座傾覆點(diǎn)分離，全梁構(gòu)造為兩座簡(jiǎn)支梁計(jì)算模型，求出支座反力乘以力臂，即可得出該工況下的穩(wěn)定與傾覆力矩。對(duì)本桁梁橋頂推過(guò)程進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算，其中步驟2導(dǎo)梁完全懸臂時(shí)的抗傾覆安全系數(shù)K0為4.4，步驟4最大懸臂狀態(tài)的抗傾覆安全系數(shù)K0為2.7，均大于1.5，說(shuō)明本例中鋼桁梁頂推施工全過(guò)程滿(mǎn)足抗傾覆要求。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）鋼桁梁頂推施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)十分重要，鋼導(dǎo)梁的長(zhǎng)度取值、結(jié)構(gòu)形式，支架平臺(tái)的布設(shè)等臨時(shí)結(jié)構(gòu)都必須經(jīng)過(guò)受力分析以得到最優(yōu)結(jié)果。

（2）施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)建議采用可重復(fù)利用、易拼裝拆卸的結(jié)構(gòu)，對(duì)工程項(xiàng)目的循環(huán)經(jīng)濟(jì)效益意義重大。