公路鋼箱梁頂推法施工技術及數值模擬分析

魯美 劉敏

云南省公路工程監理咨詢有限公司 云南昆明 650021

鋼箱梁頂推施工法的雛形就是鋼橋的縱向拖拉施工法。上世紀70年代，我國修建狄佳河鐵路橋時首次采用了頂推法。改革開放以來，我國交通基礎設施飛速發展，采用頂推法施工修建的橋梁猶如雨后春筍般出現，使得我國的橋梁頂推施工技術不斷進步、成熟。

1 頂推法施工技術

1959年，前聯邦德國建造Ager橋過程中，萊昂哈特博士和鮑爾教授提出并運用了頂推施工法，從此該施工方法在世界橋梁建設中被廣泛運用[1]。

橋梁頂推法中，用液壓千斤頂裝置取代了縱向拖拉法中的卷揚機裝置，并用板式滑動裝置代替縱向拖拉法中的滾筒裝置，使得頂推法在應用中比縱向拖拉法更加方便、優越，適應性更強。頂推法的出現，彌補和消除了縱向拖拉法的一些不足之處。例如，鋼箱梁下方用板式滑動裝置取代了縱向拖拉施工法中的滾筒裝置，使得梁底的應力集中現象得以減小甚至消除。

鋼箱梁頂推施工大致流程是在沿橋梁縱向的后方鋼箱梁拼裝平臺上將梁體進行拼裝焊接，并梁體前端安裝導梁，然后用液壓頂推系統施加頂推力，使梁體通過各墩頂的臨時滑動支座面到達設計位置。接著繼續在箱梁拼裝平臺上拼裝焊接下一節段梁體，循環操作，直到梁體全部頂推施工到設計位置。

圖1 頂推法施工示意圖

1.1 頂推施工分類

頂推法施工多種多樣，按照頂推時對梁體的施力點位置及數量的不同，可將頂推方法分為單點頂推和多點頂推兩種。

1.1.1 單點頂推

單點頂推法施工是指將水平頂推力集中施加在在橋臺或者某個橋墩上，而其他橋墩和橋臺上僅設置滑道裝置。單點頂推法中，水平頂推力較為集中，若橋梁墩臺剛度較小時，頂推過程會在墩臺頂部產生較大的水平變形和位移，對橋墩臺結構安全及其不利。

1.1.2 多點頂推

多點頂推法施工，是在每個墩臺上設置水平千斤頂，通過該方法，把集中力分散到各個墩上。通過利用多個墩臺的反作用力平衡梁體頂推時在滑道上產生的摩阻力，使得橋梁墩臺梁體在頂推過程中承受的水平力較小，因此該方法可以在柔性墩上應用[2]。

1.2 頂推中的臨時設施

為了減小施工中梁體所承受的內力值，從施工安全和方便角度考慮，鋼箱梁頂推法施工中還可能使用一些臨時設施結構，如鋼導梁、臨時墩、頂推導向及糾偏裝置、拼裝平臺、滑動裝置等。

1.2.1 鋼導梁

所謂的鋼導梁就是在鋼箱梁頂推施工時在主梁頂推方向鼻端安裝的等截面或變截面鋼桁梁或鋼板梁。在主梁前端安裝導梁后，減小了主梁最大懸臂長度和主梁在頂推過程中的彎矩值，使主梁受力更加合理。鋼導梁的使用除增大橋梁頂推施工的適用跨徑范圍外，還能能提高梁體在拼裝平臺上拼裝時的梁體抗傾覆能力。

鋼導梁對于橋梁頂推施工來說是一個非常重要的輔助結構。一個科學合理的導梁設計方案，不僅可以有效改善梁體內力分布情況，降低梁體頂推施工難度，還能提高導梁的重復利用性和頂推施工法的經濟性。

1.2.2 臨時墩

橋梁頂推施工中采用的臨時墩主要能提供三個作用：①頂推過程中，鋼箱梁承受的最大彎矩值與跨度呈正相關。臨時墩減小了頂推跨度，進而減小了梁體跨中彎矩內力值大小，擴大了鋼箱梁頂推法的適用范圍；②設置臨時墩可以降低梁端鋼導梁的安裝難易程度，還能提高頂推初始階段的平衡性和抗傾覆穩定性；③臨時墩能減小梁段頂推完成后鋼箱梁梁尾的轉角，進而減小頂推施工過程中梁體安裝誤差的積累，提高橋梁安裝施工的精確度

1.2.3 頂推導向和糾偏裝置

鋼箱梁施工過程中，為了保證梁體中線始終在設計允許范圍內，需要使用橫向導向裝置和糾偏裝置。橫向導向裝置在曲線橋梁頂推施工中作用顯得更加重要。

1.2.4 梁體拼裝平臺

梁體拼裝平臺是鋼箱梁加工、安裝、焊接、線形調整的操作平臺。鋼箱梁段在其上面可以通過平移、滑動來調整位置姿態，是梁體頂推施工的起始平臺。

1.3 鋼箱梁頂推施工監測

鋼箱梁頂推施工過程中，施工監測是保證橋梁頂推施工質量和安全的一項有效重要措施。鋼箱梁頂推施工中，主要的監控項目有三個：①箱梁線形控制；②應力控制；③穩定控制。其中，線形控制可以通過施工測量來實現；應力控制和穩定控制可以通過數值模擬計算來實現[3]。

2 工程概況

圖2 橋型布置示意圖

云南某高速公路馬朗立交E匝道橋為跨越A匝道和主線公路而設,全橋按9聯布置。該橋第四聯采用標準跨徑50m的簡支鋼箱梁上跨高速公路。

本工程所采用的簡支鋼箱梁為單箱雙室結構，材質為Q345C鋼材，跨徑50m。箱梁跨中內輪廓梁高2.27m，外輪廓梁等高為2.3m。單幅頂面全寬11.74m，兩側各設2.25m寬挑臂。橋梁平面處于直線上。箱梁頂板厚16mm，U形加勁肋板厚8mm，板式加勁肋160×14mm。箱梁底板板厚14mm，腹板板厚12mm，橫隔板厚10mm。

圖3 鋼箱梁截面示意圖（cm）

3 有限元模型建立

有限元結構模型中，鋼箱梁和導梁都采用梁單元進行模擬，材質為Q345C鋼材。頂推裝置中滑道、支架材料采用Q235鋼材。本模型中鋼導梁由兩片主梁和兩道橫撐組成，與主梁頂底腹板采用焊接相連。鋼導梁長32m，兩片導梁的中心間距為7.3m。導梁的兩主梁為變截面工字型結構，高度為0.74m～22.2m。模型中鋼材彈性模量取2.06×105MPa，泊松比取0.3，密度取78.5kN/m3。

本模型將鋼箱梁頂推施工過程劃分為四個階段。階段1：導梁和主梁拼裝；階段2：導梁即將到達10號墩；階段3：導梁到達10號墩；階段4：主梁到達10號墩。

4 頂推過程各階段受力分析結果

4.1 導梁和主梁拼裝階段

鋼箱梁、導梁及滑道系統的最大組合應力為14.8MPa，最大剪應力為7.3MPa，導梁最大位移量為4.74mm。本階段最大應力點出現在導梁支撐處，最大撓度點出現在導梁前端。

圖4 階段1 組合應力分析結果

4.2 導梁即將到達10 號墩階段

導梁即將到達10號墩階段，鋼箱梁、導梁及滑道系統的最大組合應力為157.4MPa，最大剪應力為41.4MPa，導梁最大位移量為112.7mm。本階段最大應力點出現在主梁支撐處，最大撓度點出現在導梁前端。

圖5 階段2 組合應力分析結果

4.3 導梁到達10 號墩階段

導梁到達10號墩階段，鋼箱梁、導梁及滑道系統的最大組合應力為117.4MPa，最大剪應力為52.9MPa，導梁最大位移量為21.6mm。本階段最大應力點出現在導梁根部，最大撓度點出現在導梁前端。

圖6 階段3 組合應力分析結果

4.4 鋼箱梁到達10 號墩階段

導梁到達10號墩階段，鋼箱梁、導梁及滑道系統的最大組合應力為117.4MPa，最大剪應力為52.9MPa，導梁最大位移量為21.6mm。本階段最大應力點出現在導梁根部，最大撓度點出現在導梁前端。

圖7 階段4 組合應力分析結果

通過以上對鋼箱梁頂推過程的模擬分析，將四個階段下鋼箱梁和導梁的最大組合應力、最大剪應力及最大位移值統計情況如圖8所示。

圖8 各階段分析結果匯總

5 結語

根據以上有限元模擬分析結果得，鋼箱梁頂推施工中最大組合應力為157.4MPa，最大剪應力為52.9MPa，最大撓度值為112.7mm。導梁、主梁材質為Q345C，強度和剛度均滿足要求。

頂推法施工中梁體在頂推過程中所受彎矩、應力反復變化，正、負彎矩交替變化，造成結構受力相對復雜。

簡支梁橋頂推施工中，導梁處于最大懸臂狀態階段階段時，鋼箱梁及導梁的組合應力、撓度值最大值出現在導梁根部，最大撓度點出現在導梁前端。該階段導梁豎向撓度值大，對結構較不利，應加以重視，必要時可設置臨時支撐結構。