蘭州某跨鐵路橋鋼桁梁頂推施工方案及受力特性分析

王立學，曾海權

（蘭州市政建設集團有限責任公司，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

在既有電氣化鐵路運輸繁忙區段修建跨鐵路橋梁，車輛行車速度快、間隔短，難以提供鋼桁梁架設施工的場地、時間，且存在施工和行車安全等風險[1]。采用鋼桁梁頂推施工技術，利用場外施工場地，優化工藝流程，可以規避風險，減少施工與運輸的相互影響[2,3]。橋梁施工方案的合理性是關系到工程安全、建設成本的重要環節。頂推施工過程中需要架設平臺、安裝鋼導梁等多種臨時結構[4-6]。由此，本文旨在研究跨鐵路大跨度鋼桁梁頂推施工技術與工藝流程要點，優化施工過程中結構的受力狀態，并節約工程造價，做到施工過程安全可控。

1 頂推施工工藝及方案

1.1 工程概況

本項目為蘭州市北環線西延段工程。采用雙幅鋼桁梁，主梁全長59.8 m，計算跨度59 m，簡支于兩側橋臺墩上。主桁桁高8 m，桁寬19.8 m，節間長度5.9 m。上下弦弦桿均采用箱形截面，腹桿采用工形截面，平聯橫撐采用箱形截面，其余平聯及橫聯采用工形截面。本次采用端部加裝導梁頂推安裝到位，頂推總重量約為1 389 t，累積頂推距離為94.4 m。鋼桁梁立面布置見圖1，橫斷面布置見圖2。

圖1 鋼桁梁立面圖

圖2 鋼桁梁橫截面圖（單位：mm）

1.2 工程難點

蘭州樞紐組鐵路為電氣化鐵路，車輛行車速度快。工程施工涉及工務段、電務段、供電段、通信段、車務段等多個部門，協調難度大.蘭州北濱河1號橋跨鐵路60 m先懸臂后簡支，鋼梁跨度大，重量大，施工難度大。施工設備鄰近既有線，防止設備侵限，防止墜物，確保行車安全是本工程的重點。

1.3 鋼桁梁頂推施工工藝

1.3.1 拖拉式多點頂推施工

目前國內橋梁較常用的頂推施工工藝一般采用拖拉式多點連續頂推法（簡稱拖拉法），拖拉法通過張拉千斤頂牽拉鋼絞線，拖動梁段在臨時支墩頂設置的滑道上滑移，牽引梁體安裝就位。

頂推施工需要設置滑道系統（四氟滑板、鋼墊梁等）、牽引系統（穿心式連續液壓千斤頂、頂推反力架、牽引索、拉錨器等）和豎向調節系統（豎向千斤頂、鋼墊塊）等，見圖3～圖5。

圖3 拖拉法頂推施工圖

圖4 拖拉法施工滑道系統圖

圖5 拖拉法施工千斤頂

拖拉法施工優缺點：

（1）通過鋼絞線牽引的方式實現鋼箱梁的平移，橋墩所受的水平載荷為支反力與摩擦力抵消后的合力，理論上該合力較小，但由于各支點受力不均，存在一定的水平力。

（2）在鋼箱梁的平移過程中，每個橋墩承受的豎向載荷不斷變化，摩擦力也會相應變化，需要根據摩擦力的大小來不斷調整牽引力，以防止水平載荷過大，所以必須嚴格保證泵站調壓的獨立性。

（3）工藝成熟，施工速度較快。

1.3.2 技術難點及應對措施

（1）鋼梁的安裝、頂推線形

在安裝頂推過程中，由于豎曲線的影響會導致頂推滑道與鋼梁之間出現脫空現象。通過按鋼梁線形設置不同高度的滑靴，讓滑靴底面在同一水平高度，使鋼梁在行進過程中保持水平，滿足頂推線形。

（2）頂推墩水平力控制

初步考慮設置1個頂推墩，為1號主墩處頂推墩。在頂推前一階段，1號主墩處頂推墩不起作用，拼裝平臺上的頂推設備起到水平頂推作用，此時各個頂推滑道上均受到大小不一的水平力，需要對水平力進行計算和監控，防止某處承受過大的水平力。在拖拉過程中通過調節泵站油壓閥，使油壓控制在安全值內，防止壓力過大。

（3）主梁鋼結構局部失穩

鋼結構在拖拉施工過程中，鋼梁腹板不僅受彎曲壓應力和剪應力作用，而且受支承反力的集中的荷載。尤其是59 m跨度的頂推施工，需要對腹板做屈曲計算分析。

1.3.3 頂推施工工藝流程

頂推施工工藝流程見圖6。

圖6 頂推施工工藝流程

工序1：安裝拼裝平臺、滑道梁、墩旁支架。

工序2：拼裝全部鋼桁梁及42 m鋼導梁。

工序3：啟動拖拉設備試拖拉，正常后開始正式拖拉。拖拉8 m后停止拖拉，過程中割除滑靴1件。此時進入鐵路保護線內導梁重量約24.3 t，外側重量約791.9 t。

工序4：拖拉16 m后停止拖拉。過程中割除滑靴1件。此時進入鐵路保護線內導梁重量約72.9 t，外側重量約743.3 t。導梁前端下撓約71 mm。

工序5：拖拉16 m后停止拖拉。過程中割除滑靴1件。此時進入鐵路保護線內導梁重量約121.7 t，外側重量約694.5 t。導梁前端下撓約100 mm。

工序6：拖拉16 m后停止拖拉。通過手搖千斤頂輔助導梁上1號墩，導梁上墩后即可松開塔架鋼絲繩并拆除。過程中割除滑靴2件。此時進入鐵路保護線內導梁重量約330.1 t，外側重量約486.1 t。導梁上墩前，前端最大下撓142 mm。

工序7：拖拉16 m后停止拖拉，在1號墩處利用液壓千斤頂頂升鋼梁，通過人工將隨鋼梁滑移至前端的滑靴拉回滑道梁后端并重復。過程中割除滑靴1件。

工序8：拖拉16 m后停止拖拉，在1號墩處利用液壓千斤頂頂升鋼梁，通過人工將隨鋼梁滑移至前端的滑靴拉回滑道梁后端并重復。過程中割除滑靴1件。

工序9：拖拉6.4 m后拖拉到位，在1號墩處利用液壓千斤頂頂升鋼梁，通過人工將隨鋼梁滑移至前端的滑靴拉回滑道梁后端并重復。過程中割除滑靴1件。

工序10：分段拆除導梁（南側鋼梁進入橫移階段，北側鋼梁進入落梁階段）。

工序11：通過落梁千斤頂及鋼墊塊進行落梁完成。

1.4 鋼桁梁頂推施工方案

1.4.1 頂推施工總體布置

（1）頂推平臺縱向長度確定

該項目需要根據場地及交通條件，綜合選定頂推平臺的跨度布置；如果頂推平臺太短，則需要多次頂推和拼裝施工，鋼梁在鐵路上空懸空的時間過長。由于60 m鋼桁梁一次拼完，及導梁長度42 m，擬設置拼裝平臺為104 m。

（2）頂推施工對鋼主梁的影響

在頂推施工過程中，當導梁即將上到1號墩時，此時懸臂最大。主梁承受最大的負彎矩和剪力。需要對主梁，尤其是腹板的屈曲進行分析和計算。

1.4.2 頂推施工關鍵工藝流程

（1）橫移主要流程

南側鋼梁因為拼裝場地原因，需在拖拉到位后進行橫移使鋼梁到達設計位置。橫移與縱向拖拉方法一致，利用橫向滑道梁、滑靴及拖拉千斤頂將鋼梁橫向移動。

步驟1：通過豎向千斤頂將鋼梁頂起，取出縱向滑靴，并在橫向滑道梁上放置橫向滑靴，落下鋼梁在橫向滑靴上并焊接固定。

步驟2：分別安裝0號臺和1號墩兩側拖拉千斤頂及鋼鉸線并預緊。

步驟3：同步啟動千斤頂開始拖拉2.7 m。

步驟4：拖拉到位后拆除千斤頂及鋼鉸線進入落梁階段。

（2）卸載落梁主要流程

利用單液壓頂落梁施工，須根據墊石支座高度、梁底部標高，配置合適的裝備。在鋼桁梁完成所有拼裝和拖拉后進行整聯落梁。鋼桁梁在落梁前需完成支座的安裝，利用墩蓋梁放置落梁千斤頂進行落梁。用高度為YS-DS-350型超高壓千斤頂進行落梁。其本體高度為285 mm，行程50 mm，能滿足落梁要求。

步驟1：桁頂推滑移到位后在距離支座1.3m位置橫梁處（橫梁此處提前加固）安裝卸載墊塊和4臺卸載油缸。

步驟2：利用4臺卸載油缸將桁頂推頂起，脫離滑道，拆除滑道和臨時支架。

步驟3：安裝支座，在主梁起頂鋼墊板下方放置鋼墊板。

步驟4：利用鋼墊板和卸載油缸下兩組墊塊交替抽取將桁頂推落梁到位。

（3）導梁拆除主要流程

鋼梁頂推到位后，需要對導梁進行拆除。導梁的拆除采用75 t汽車吊吊裝，分節段拆除的方法。每一吊裝分段重約20 t。

導梁拆除步驟如下：

步驟1：利用汽車吊吊裝節段一上下平聯、橫聯，將平橫聯與主桁架焊縫割開后吊至地面。

步驟2：利用汽車吊吊裝節段一主桁架，將節段一與節段二焊縫割開后吊至地面。

步驟3：利用汽車吊吊裝節段二上下平聯、橫聯，將平橫聯與主桁架焊縫割開后吊至地面。

步驟4：利用汽車吊吊裝節段二主桁架，將節段二與主梁焊縫割開后吊至地面。

2 鋼桁梁頂推施工受力特性分析

2.1 計算荷載

荷載：軟件自動計算自重，通過修改容重使模型重量與實際鋼梁重量相符。

荷載組合：1.2自重+1.0風荷載（按該處常年風速27 m/s計算）。

2.2 計算模型

采用有限元進行建模計算[7]，具體模型和計算如下所述。

（1）主梁

全橋為桁架式結構，主梁全長59.8 m，計算頂推跨度57 m，簡支于兩側橋臺墩上。主桁桁高8 m，桁寬19.8 m，節間長度5.9 m。上下弦弦桿均采用箱形截面，腹桿采用工形截面，平聯橫撐采用箱形截面，其余平聯及橫聯采用工形截面。其計算模型見圖7。

圖7 主梁計算模型

（2）導梁

導梁由2片變高度H形鋼主梁桁架組成，橫向中心距19.8 m，導梁縱向長41.3 m，尾端高度與鋼桁梁上下桁對應一致。前端設置臺階逐級抬高300 mm，便于導梁上墩。兩片主梁之間設有圓管組成的橫向聯系和上、下平面聯系，將整個導梁形成整體。其計算模型見圖8。

圖8 導梁計算模型

（3）計算工況

臨時墩及滑靴主要為主橋頂推時，用于支撐主橋、滑移施工的臨時支撐體系。根據臨時墩及滑靴布置情況,進行以下七種工況計算.

工況1：主桁梁及導梁拼裝完；

工況2：導梁完全懸臂；

工況3：導梁即將上1號墩；

工況4：導梁完成上1號墩；

工況5：主梁即將上1號墩；

工況6：主梁完成上1號墩；

工況7：導梁完全拆除。

（4）各工況計算結果

各個工況下，主梁及導梁應力及變形計算結果見圖9～圖22。

圖9 梁單元應力計算

圖10 變形計算

圖11 梁單元應力計算

圖12 變形計算

圖13 梁單元應力計算

圖14 變形計算

圖15 梁單元應力計算

工況1：主桁梁及導梁拼裝完

工況2：導梁完全懸臂

圖16 變形計算

圖17 梁單元應力計算

圖18 變形計算

圖19 梁單元應力計算

圖20 變形計算

圖21 梁單元應力計算

工況3：導梁即將上1號墩；

工況4：導梁完成上1號墩；

工況5：主梁即將上1號墩；

工況6：主梁完成上1號墩；

工況7：導梁完全拆除。

（5）各工況計算結果分析

各工況應力及位移計算結果匯總見表1。

由表1分析可得如下結果：

（1）導梁最大應力184.1 MPa（工況六）；導梁最大位移：142.3 mm（工況三導梁聯接系）。

（2）主梁最大應力94.4 MPa（工況四）；主梁最大位移：38.7 mm（工況五）。

（3）主梁、導梁主桁架材質為Q345，其容許應力為210 MPa，導梁聯接系材質為Q235，其容許應力為160 MPa，均滿足要求。

3 結論

（1）針對跨既有鐵路蘭州市北濱河西延段工程，采用大跨度鋼桁梁頂推施工技術，有效的利用場外施工場地，優化工藝流程，較大程度的規避了風險，減少施工與運輸的相互影響。

（2）通過對頂推施工技術與工藝流程的詳細分析，確定了重點和難點，抓關鍵工序，做到施工過程安全可控。

（3）基于對頂推結構施工過程中各工況受力計算分析，對主梁和導梁布置及結構局部節點進行了優化設計。計算結果表明結構設計滿足需要，并相對節約了工程造價。

（4）由于施工過程相對復雜，在總體施工方案確定的情況下，還應當加強各個具體施工環節的檢查和監測，尤其注意以下關鍵問題，如：頂推過程中頂推力監控；梁體的中線偏移和墩頂的水平、豎向位移，在頂推過程需用千斤頂及時調整；墩頂位移觀測；鋼梁結構出現異響或者明顯變形情況；頂推速度控制，以便糾偏及縱移到位。