鋼箱梁橋頂推施工中下部結構受力性能優化分析

劉 杰

（中交四航局第一工程有限公司， 廣東 廣州 510000）

1 工程概況

在本文所探討的鋼箱梁結構中，其所在橋梁的主跨長190m，邊跨長150m。以主塔為基本點沿著縱向方向設置縱坡，由于兩側縱坡具有對稱性，因此整體結構呈“人”字型，且在與引橋的連接部位增設兩個連接墩，以起到穩固的目的。以中心線為基準，鋼箱梁高3m，寬36.3m，并在其頂部區域設置2%的雙向橫坡結構。基于提升施工安全性的目的，本文圍繞頂推施工展開受力分析，明確在施工過程中整體以及鋼箱梁局部等結構的受力情況。

2 鋼箱梁頂推施工

2.1 頂推工作平臺

頂推工作平臺是一種采用特定型材構成的具有良好剛性的支架結構，工程人員可在此平臺上拼裝主梁構件。在本文所探討的項目中，該平臺設置了主立柱與橫撐。在橫梁上部位置沿縱向方向設置貝雷片，基于136a 工鋼材料搭建出間距為0.75m 的空間型結構。此外沿著橫向方向設置防滑鋼板，厚度達10mm，由此形成橋面結構。在河中設置頂推平臺，此環節需設置一定數量的鉆孔樁基礎，各個樁基直徑為1200mm，彼此之間的橫、縱向間距均為2m。

2.2 臨時支墩體系

頂推用臨時支墩是一種具有良好剛性的支架結構，有助于主梁頂推施工的順利進行。在臨時支墩施工時應設置8 個臨時樁，并將其編號為L1～L8。由于此橋梁工程跨越了龍津河，考慮到現場環境因素可將臨時墩分別設于河中與河岸兩大區域，前者對應支墩號為L1、L2；后者為L4～L8。

2.3 導梁及頂推加固體系

由于臨時支墩的縱橋間距達39m，因此有必要在主梁的前側區域設導梁結構。但考慮到工程對導梁結構自重的要求，因此將其設置為變截面工字形導梁，具體表現為自根部向外部持續縮小的特征，此方式可以降低導梁的重量。導梁表現為典型的H 型鋼梁結構，長12m，寬16.8m，整體結構的總重為25t。

2.4 頂推設備

宜選用步履式頂推設備進行施工，考慮到臨時支墩的數量此處共配備16 臺設備。施工前將頂推設備就位于臨時支墩的中心區域，由此完成主梁的豎向起頂以及縱向推移作業，由于設備具有限位及自動糾偏功能，因此可以提升頂推作業的精確性。頂推系統基于液壓的方式運行，能夠提供較大的頂推動力，創造高效的工程效率。

2.4.1 頂推設備構造

頂推設備的上部位置設有滑箱結構，其對應尺寸規格為2.83m×3.55m，加之橡膠墊層的緩沖作用可改善承壓不均的現象，并確保主梁底部的油漆不出現刮花等現象。在上部結構的底部區域設一層不銹鋼板，厚度以3mm 為宜，通過與下部結構的連接形成滑移面。下部結構采用聚四氟乙烯材料并設為蘑菇頭形狀，此形狀會產生一定的間隙，起到儲藏硅油的作用，進而削弱滑移面的摩擦阻力。利用此方式可將滑移面的摩擦系數降低至0.025～0.05 范圍內。

2.4.2 頂推設備工作原理

在豎向千斤頂的作用下可將主梁結構向上頂起，而后在水平千斤頂的作用下將其推移，最后精準下落至墊梁上，千斤頂回油標志一個頂推行程結束。頂推過程具有明顯的自平衡特性，整個步驟為：

（1）安裝頂推裝置，做好各結構的拼接工作。

（2）基于頂升千斤頂的作用將主梁頂起，確保主梁與墊梁之間保持一定的間距。

（3）在控制系統的同步作用下完成頂推千斤頂伸缸作業，由此推動主梁的前移，到達預先設置好的活塞行程位置處。

（4）主梁下落至墊梁處便進行力系的轉換。以預先設定的位移量為基準，當主梁到達該位置后頂升千斤頂的活塞將進行縮缸回程。

（5）水平千斤頂進行收缸，由此退回到原始狀態，此時代表一個行程頂推作業完成。基于上述方式循環作業，完成主梁頂推。

3 頂推過程受力分析

3.1 計算模型

為了獲悉頂推作業時的受力情況，引入Midas/Civi11 軟件，基于有限元的方法建立高精度的三維桿系模型[1]。對所有頂推階段的邊界條件進行約束：整個橋梁體系中只允許設置1 個縱向約束點；任何一個頂推支墩處均需設置豎向與橫向約束；以施工作業現狀為參考對豎向與橫向約束條件進行適度優化。

3.2 頂推施工階段劃分

雖然頂推作業可以帶來更理想的施工質量，但其對應的施工工序更復雜，在受力分析時涉及到多次求解問題，同時伴隨大量主梁、導梁的應力與內力等數據，加之臨時墩的反力作用，明顯加大了數據分析難度。基于此，在后續處理過程中應挑選出梁體的主要受力因素，由此進行針對性的分析。

本工程中鋼箱梁需要進行的頂推總長度為240m，由于鋼箱梁的數量較多、各臨時墩的位置分布較復雜，因此可以對頂推增量進行分析，由此明確鋼箱梁在頂推作業時的受力情況，以此為參考指導后續鋼箱梁頂推作業。基于對節段拼裝、上墩與脫墩等主要環節的分析，將整個頂推作業細化為14 個施工階段。

利用上述提到的有限元軟件可以快速建立出頂推過程中的模型結構。但考慮到本工程中頂推跨徑不成比例的狀況，因此快速建模的方法可行性較低。為此，將此處的橋梁工程頂推施工拆分為14 個階段，并進行針對性分析。

3.3 計算結果

3.3.1 撓度

在進行頂推時，受到梁段自重的影響通常會出現較明顯的變形現象，當撓度超出許可范圍后對各結構的穩定性造成影響，加大施工安全隱患。經過計算后可知，鋼導梁前端的位移量最大，其對應的下撓度達到93.4mm，常見于工況2 中，相比于工程設定的113mm 而言明顯偏小。對于工況2 而言，此時鋼箱梁的整體前頂推距離為17mm。

3.3.2 墩頂反力

在頂推時臨時墩的受力情況具有一定的特殊性，就墩頂反力而言，一方面它是臨時墩的重要荷載形式，另一方面又可作為千斤頂頂推控制力的主要參考依據，在此基礎上可以確定更為安全的控制系數，確保鋼箱梁局部的穩定性。在不同的工況下，L3 墩頂反力的極限值為541.6t，且發生于第五工況處，此時鋼主梁前向頂推距離為36m。

3.3.3 臨時墩支反力

以鋼箱梁的豎向曲線為參考，若臨時墩的主滑道高程與之重合，在此條件下頂推平臺單個支點對應的反力極限值達到了2617kN，在所有臨時墩中1 號墩較為特殊，其承受的支反力極限值為3226kN，而剩余13 個墩的最大支反力普遍偏大，均為7076kN。由此可知，如果以鋼箱梁的豎曲線為標準進行頂推作業，此時臨時墩支反力表現出如下幾大特征：①通過對各個頂推階段的計算可知，所有鋼箱梁支點位置并沒有出現任何的負反力現象，這意味著當臨時墩主滑道高程與豎向曲線有著高度一致性時，頂推作業時并不會出現支點脫空的問題；②對于除1 號墩以外的所有臨時墩而言，其產生的支反力值普遍偏大，同時受力分布較均勻；③頂推平臺的力大多傳遞給鋼箱梁節段，頂推平臺設置了一定數量的支點，由于彼此之間的間距偏小，因此最大的支反力為2617kN，且發生在工況1 的條件下；此外梁橫隔板處出現了等效應力極值，達到了121MPa，見于主滑道處。

4 結束語

由于此項目跨越了既有鐵路運行線路，基于提升頂推施工效率的目的引入了步履式頂推設備，同時對頂推工藝方法進行優化，基于有限元分析法建立出結構模型，由此展開受力分析，最終為頂推施工的順利進行創設了良好條件。