大跨鋼箱拱橋整體頂推施工順序優化研究

王美男，馬華軍

（1.臺州科技職業學院，浙江 臺州 318020；2.蘭州交通大學土木工程學院，蘭州 甘肅 737000）

頂推施工技術自1959 年奧地利Ager 橋[1]應用誕生以來，在世界得到廣泛應用。對于梁拱組合橋的頂推施工，傳統的施工工藝以“先梁后拱”為主，即先將梁頂推至橋位，再于梁上施工拱結構。該方法優勢是技術相對成熟，但其也具有明顯缺點，即工期較長。隨著施工設備的完善和技術的不斷發展，梁拱施工完成后頂推至橋位的整體式頂推施工工藝已經開始在工程中應用。由于該工藝應用較少，施工過程中存在的一些問題還需進一步探索與研究。本文以京雄城際鐵路112.5m 簡支鋼箱拱為工程背景，討論整體頂推過程中拱肋拼裝支架受力問題，提出一種新思路。

1 工程概況

京雄城際鐵路112.5m 簡支鋼箱拱橋，橫跨65m的京開高速公路及輔路。鋼箱拱橋如圖1所示。

圖1 112.5m雙線簡支鋼箱拱橋圖（單位：cm）

2 施工方案

112.5m 雙線簡支鋼箱拱先在引橋處進行拼裝主梁和橋面系的拼裝。主梁和橋面系的拼裝完成后，搭設拱肋拼裝支架開始安裝鋼箱拱。接著全橋縱向頂推至主橋橋墩處。施工過程示意圖如圖2 所示。

圖2 頂推過程示意圖

3 拱肋拼裝支架

拱肋拼裝支架在拱肋拼裝完畢后并未拆除，隨著頂推過程的進行，拱肋支架起到鏈接拱肋和縱梁的作用。本橋拱肋拼裝支架有鋼管立柱和墊座組成，其布置圖如圖3、圖4所示。

圖3 拱間臨時支撐總體布置圖

圖4 拱間支撐示意圖

整體頂推施工過程中，拱肋拼裝支架除在拱肋拼裝中起支撐作用外，在整體頂推過程中一般不進行拆除，而是起著連接縱梁與拱肋的關鍵作用。本背景橋拱肋拼裝支架與主縱梁的連接方式為焊接，實際連接如圖5、圖6所示。

圖5 拼裝支架頂部連接

圖6 拼裝支架底部連接

整體頂推施工一般均采用步履式多點頂推，頂推過程橋梁支點不斷發生變化，拱肋拼裝支架作為連接構件，其受力復雜，鋼結構焊縫是否出現應力超限需單獨驗算。在本橋中，根據鋼結構設計規范焊縫強度相關內容，全熔透對接焊縫或對接與角接組合焊縫應按下列規定進行強度計算。

在對接和T 形連接中，垂直于軸心拉力或軸心壓力的對接焊縫或對接與角接組合焊縫，其強度如下

式中N——軸心拉力或軸心壓力，N；

lw——焊縫長度，mm；

he——對接焊縫的計算厚度，在對接連接節點中取連接件的較小厚度，在T 形連接節點中取腹板的厚度，mm；

將墊座處焊縫相關數值代入計算可得焊縫可承受最大拉力378kN。

對全橋建立有限元模型，可得出支撐在不同頂推距離下的受力情況。該橋頂推過程中各工況支撐所受最大軸力出現在頂進距離為40.1m 時，支撐頂部受力如圖7 所示，最大拉力為401kN，已超過焊縫強度限值，墊座與拱肋間連接可能斷開，影響結構安全。

圖7 不安裝吊桿頂進40.1m時拱肋拼裝支架頂部軸力

整體頂推過程由于支點不斷變化，多次超靜定結構會出現構件受力拉壓交替的情況，有限元軟件進行分析，可以起到良好的預判作用。對于頂推過程可能出現的焊縫拉裂，筆者建議通過先安裝并張拉吊桿的方式解決。吊桿的安裝與張拉可有效減小拱肋拼裝支架所受的拉力，但由于超靜定次數高，體系復雜，吊桿張拉力大小仍需進行迭代計算。

下面對拱肋拼裝支架編號，討論施加吊桿初拉力大小對支撐所受軸力的影響。自線路方向小里程側至大里程側，左側依此為A～H，右側依此為A′～H′。每個支撐架4 根鋼管自左上順時針依次為1～4，編號示意如圖8 所示。將不同初張力下各支架頂部軸力整理至表1。鑒于篇幅有限，此處僅列舉了線路拉力大于100kN 的部分鋼管。

圖8 拱肋拼裝支架編號圖

由表1 可以得出如下結論。

表1 線路左側不同初張力拱間支撐軸力表 (kN)

1）隨著吊桿安裝并逐漸加大初張力，A、B、C、D 支撐表現為1、4 鋼管拉力減小，2、3 鋼管拉力增大。E、F、H支撐表現為2、3 鋼管拉力減小，1、4 鋼管拉力增大。對于G 支撐，無明顯規律。

2）對于大部分鋼管，未安裝吊桿及安裝并張拉50kN、100kN、150kN、200kN 時的拉力峰值隨著初張力的增大而減小，但在150kN 處出現拐點，繼續加大初張力支撐所受拉力值再次增大。

鑒于此，考慮將150kN 設為目標索力，并以此確定施工索力指導施工。此目標索力在實際工程中得到采用并取得較好效果，頂推過程支撐頂部焊縫未被拉壞，保證了頂推的順利進行。

4 結語

整體頂推過程中，拱肋拼裝支架作為主要受力構件，其在多次超靜定下，受力十分復雜，鋼結構焊接焊縫強度難以保證。鑒于此，筆者提出先安裝并張拉吊桿以降低焊縫拉力的施工方法，并通過有限元軟件midas civil 正裝迭代分析，得出最佳初張力150kN 并以此為目標索力施工，該方法得到施工單位認可，在實際工程中取得良好效果，可為后續同類橋型施工提供參考與借鑒。