簡支鋼桁架橋頂推法施工計算

李建剛 王桂智 蔣文志 孫云翰

(江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225127)

0 引言

跨河橋梁建設中，對于城鎮密集的橋位處，為減少橋梁建設對河道附近城鎮的影響，并縮短橋梁落地接線長度，簡支鋼桁架橋受到設計者的青睞。鋼桁架橋施工工藝主要有：支架施工、吊裝施工、頂推施工，對于橋下有通航、行車以及橋下無法搭設支架的特殊橋位地理位置有不可替代的作用。隨著近年施工裝備、材料的進步，頂推施工技術在鋼桁架施工中得到了廣泛應用。頂推施工技術在我國的發展始于二十世紀七八十年代，初始在PC梁橋使用較多，后經眾多橋梁建設者的推廣，在不同結構、材料形式的橋梁結構中均有見其身影。早期頂推施工采用卷揚機滑車組進行縱向拖拉得以實現，現代頂推法施工中用千斤頂取代了傳統的卷揚機滑車組，用板式滑動裝置取代滾筒，無論是從頂推精度上還是頂推能力上都得到了很大的提高[1]。現存文獻中，對鋼桁架頂推施工研究主要集中在頂推工藝方面，對于頂推施工過程中，結構受力規律較少涉及，本文結合實際工程，介紹了頂推系統的各個組成部分，并通過有限元分析程序分析論述鋼桁架在頂推施工中桁架桿件受力性能。

1 工程概況

本工程為國內某Ⅲ級航道上的一座跨河橋梁。主橋采用簡支鋼桁架梁結構，橋梁總長80.42 m，計算跨徑為79.32 m；主桁采用帶豎桿三角形桁架體系，節間長度6.61 m；橫向布置兩片主桁，中心間距11.2 m；主桁上、下弦桿、端斜桿截面為箱型，其余桿件截面均為H型；桁架桿件通過高強螺栓現場拼裝；橋面板采用預制鋼筋混凝土板，成橋后安裝。

主桁立面見圖1。

應當地航道部門的要求，施工期間橋下不斷航，且通航凈寬不小于30 m；而且該橋位處大型浮吊船不便進出，如果采用搭設支架及浮拖頂推對橋下通航影響較大；綜合上述因素，最終決定采用鋼導梁頂推施工工藝。

2 支撐系統及頂推系統

鋼導梁頂推系統主要由支撐系統、頂推系統，以及導梁組成。支撐系統主要承受結構上部荷載，并兼做施工操作平臺且承受施工階段荷載，其布置需要綜合考慮頂推作業空間、桁架桿件吊裝作業時所需的吊裝空間、結構桿件堆放空間；頂推系統需要根據所需頂推力大小合理選擇；導梁可根據頂推最大懸臂跨徑而定，頂推跨徑較小時，可采用加強型工字鋼作為頂推導梁；當頂推跨徑較大時，導梁可采用桁架式。

2.1 支撐系統

支撐系統主要由臨時墩、墩頂橫梁、滑道組成，其布置需要根據施工現場確定，本項目受限于河道兩側地理位置的影響，采用圖2,圖3的布置形式。桁架拼裝區及主橋承臺上設置格構式臨時支墩，臨河側設置直徑600 mm、間距5 m鋼管排架墩；橫梁擱置于臨時墩頂，其中主墩承臺的臨時墩頂橫梁采用3 拼Ⅰ56b工字鋼，其余支墩橫梁采用雙拼Ⅰ56b工字鋼；在橫梁上布置縱向拖拉滑道，滑道采用5拼Ⅰ56b工字鋼組焊而成。

2.2 頂推系統

該鋼桁架頂推滑移為縱向滑移，其動力系統采用2臺ZLD200連續頂推千斤頂頂推滑移前進，在縱向滑道上桁架大節點下方設置滑靴承重；全橋頂推總重603 t，頂推摩阻力計算值為90.5 t(H=K×G×μ+G×I=1.5×603×0.1)[2,3]，牽引拉索采用2束6φs15.2鋼絞線(每主桁側各一束)，其0.5倍抗拉強度設計值為156.2 t，滿足頂推滑移要求。

頂推系統布置詳見圖4。

2.3 鋼導梁及其連接

鋼導梁采用長22 m工字形變高截面，材料為Q345b；導梁前端梁高1 686 mm、根部梁高3 062 mm，腹板厚20 mm、上下翼緣板厚40 mm，其寬度為400 mm；鋼導梁與鋼桁架端部E0節點板采用栓焊組合連接，其連接形式如圖5所示。

3 計算分析

3.1 頂推方案及建模

受限于施工場地限制，在橋位位置處，沒有足夠的安裝空間，支撐系統一次只能提供結構長度50 m以內的安裝平臺；故全橋共分三次拼裝，三次頂推完成，具體施工步驟及內容見表1。

表1 頂推施工步驟及內容

全橋施工過程計算采用有限元計算軟件MIDAS/Civil建立鋼桁架空間桿系模型進行施工過程分析，其中，導梁及鋼桁架單元采用梁單元進行模擬，全部模型離散為396個單元、310個節點。結構計算模型見圖6。在實際頂推施工中，結構的支撐點設置在頂推側主桁大節點下，支撐實際采用設置于大節點下的滑靴模擬；頂推時，結構通過滑靴在導梁上前行滑移。

3.2 主桁應力

針對施工過程中結構受力特點，主要對桁架桿件應力以及桁架在支撐系統中的支反力情況作了具體分析，其計算結果及圖示見表2。表2中列出了具有代表性的各施工階段桁架最大拉、壓應力值，并示意出最大拉、壓應力對應的結構組成及支撐反力方向。

表2 施工階段桁架應力 MPa

根據計算分析得知，桁架在頂推施工過程中，結構桿件應力均較小，最大壓應力為102.3 MPa、最大拉應力為100.5 MPa，均小于容許應力[σw]=210 MPa，滿足結構施工過程中的受力要求。而在頂推過程中，局部大節點支撐位置處會出現負反力，這與結構在頂推過程中受力形式及支撐點位置的設置相關。

頂推施工過程中，鋼桁架受力主要分三個階段：導梁懸臂階段、導梁到達對岸支架階段、鋼桁架到達對岸支架階段。

3.2.1導梁懸臂階段

第一次拼裝到第二次頂推結束之前，鋼導梁均處于懸臂狀態，在這個階段中，導梁與桁架端節點板(E0節點板)連接處，桿件受力較為復雜。在端節點處，下弦桿壓應力較大，其值在100 MPa左右；端斜桿主要受拉，其拉應力值在80 MPa左右；桁架的其余位置處，桿件拉、壓應力較小，其值均在20 MPa左右。

3.2.2導梁到達對岸支架階段

當導梁到達對岸支架且擱置在支架上時(非懸臂狀態)，受結構約束體系的改變，桁架構件拉、壓應力明顯減小。在這個階段的頂推施工過程中，結構桿件最大拉、壓應力出現的位置隨著約束位置的改變而改變。在這個階段，導梁與桁架連接處(E0節點)，桁架桿件主要受拉，當桁架端節點到達對岸支架但未擱置在支架上時，E0節點處下弦桿拉應力達到最大，為100 MPa左右；而在頂推端，靠河側滑靴支撐處，桁架斜腹桿壓應力較大，其值在50 MPa左右，在桁架其余位置處，桿件應力均較小。

在這個階段中，部分頂推滑移支座位置處，支撐反力出現了拉力，最大拉力為81 kN，拉力可能會使頂推滑靴與桁架下弦脫空；為避免頂推滑移支座與桁架節點脫空，可在桁架相應位置設置與其拉力等值的配重。

3.2.3鋼桁架到達對岸支架階段

這個階段，桁架結構約束體系為一個連續鋼桁架梁結構，受到多支點約束，桿件內力均較小。在這個階段中，桁架桿件拉、壓應力均小于50 MPa。

3.3 鋼導梁應力

導梁主要作用是減少頂推懸臂跨徑，并在結構成型前起到傳遞荷載作用，通過計算分析可知，鋼導梁在整個施工過程中受力均較小。最大懸臂時，導梁拉、壓應力均為20.1 MPa；導梁處于對岸支架上且受支撐作用時，導梁的最大拉、壓應力均為20.5 MPa。在整個施工過程中，導梁應力均小于容許應力[σw]=140 MPa。

4 結語

在有通航要求的河道中，鋼桁架橋頂推滑移施工可以有效減少對河道通航的影響；頂推施工過程中，部分桿件拉壓應力交替出現，但桁架桿件應力均較小，結構受力較為合理；在頂推至最大懸臂過程中，頂推側部分滑靴支撐處會出現負反力情況，為避免支座脫空對結構施工產生不利影響，可在相應位置增設配重。