三跨連續鋼箱拱橋整體頂推設計及施工過程受力性能分析

盧元剛

(1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司 合肥市 230088；2.公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心 合肥市 230088)

0 引言

頂推施工具有安全、快速、環境影響小和施工場地少等優點，在國內外中小跨徑橋梁建設中得以廣泛應用，隨著設計和施工技術的不斷提高，頂推法也被逐漸應用于長大跨徑橋梁，所應有的橋梁類型有斜拉橋、拱橋等復雜橋梁。

以淮南孔李淮河大橋為工程背景，首先介紹本橋拱梁整體頂推施工過程及構造措施，然后采用有限元軟件，結合該橋結構特點，進行整體頂推施工仿真分析，對主橋和臨時構件在頂推過程中的受力和變形進行計算，得出各構件最不利的應力、位移及各關鍵工況臨時墩反力，分析結果驗證拱梁整體頂推施工可行性。

1 工程概述

孔李淮河大橋主橋為三跨連續下承式鋼箱系桿拱橋(圖1)，跨徑布置為(110+180+110)m，主拱跨徑180m，立面矢高45m，邊拱跨徑110m，立面矢高27.25m[1]，雙向六車道，橋梁全寬42m。主梁與拱圈(主拱圈高45m)整體頂推過河，實現橋梁貫通，為淮河橋建設首次應用。

圖1 孔李淮河大橋總體布置圖及建成后實景

2 頂推施工方案及施工響應措施

主橋采用整體頂推施工法，具體頂推過程如下：

(2)施工河道中臨時墩。

(3)在河岸邊已建拼裝平臺上采用先梁后拱的順序進行拱梁拼裝。

(4)安裝主縱梁與拱肋之間的臨時支撐及鋼導梁，鋼導梁長45m。

(5)頂推左邊拱和中拱，直至左邊拱和中拱頂推到位。

(6)在支架上拼裝右邊拱[2]。

根據現場條件，在中拱跨中設置2個臨時墩，左邊拱設置2個臨時墩，施工期間各永久橋墩不承擔荷載，臨時墩間最大間距80m[3]，右邊跨完全在臺架上拼裝，各臨時墩布置如圖2。

圖2 臨時墩的布置圖

結合施工過程和成橋，以成橋運營控制設計為原則，設置臨時拱梁間A型臨時支撐、前導梁，配合多點步履式自平衡整體頂推系統，實現頂推過程中受力均勻和整體穩定性[4-5]。頂推過程中拱肋撐桿等臨時構造設置如圖3。

圖3 頂推期間中拱肋臨時撐桿構造設置

主橋拼裝頂推過程現場整體實景如圖4所示。

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圖4 拱梁整體頂推施工實景圖

3 頂推施工計算模型

頂推過程中主梁和拱圈受力處于連續變化狀態，且對橋梁整體穩定性要求高。設計階段分析各不利施工工況橋梁受力，采用有限元軟件對主橋結構進行頂推施工仿真分析，采用梁單元模擬拱肋、主縱梁及臨時支撐等構件，用索單元模擬吊桿[6]。

頂推過程模擬采用梁不動，通過調整支承體系，隨頂推階段變化而變化的方法，對主橋頂推施工過程進行仿真模擬，并以主橋每向前頂推5m作為一個頂推工況，整個施工過程共分為75個施工工況。

成橋階段及頂推過程計算模型(最大懸挑工況)如圖5、圖6所示。

圖5 主橋成橋計算模型

圖6 主橋頂推計算模型(最大懸挑工況)

計算模型的邊界條件：主拱肋與主梁之間、主拱肋與臨時支撐之間采用共節點的剛接，主縱梁與前導梁連接采用固接。

計算模型荷載條件如下：結構荷載主要包括豎向自重荷載；使用階段荷載包括溫度梯度、不均勻沉降和活荷載等，其中不均勻沉降主墩設置2cm。過渡墩設置1cm不均勻沉降，主梁截面梯度溫度參照英國BS5400規范取值[7]。

4 計算結果及其分析

根據主橋結構的頂推施工仿真模擬，給出各構件在最不利頂推工況下的最大應力和位移包絡值[2]。

4.1 應力計算

(1)頂推過程中拱肋、系梁、拱肋臨時支撐、前導梁在荷載組合下應力包絡圖，如圖7。

圖7 頂推過程中拱肋上下緣應力

由圖7看出頂推過程中拱肋上、下緣最大應力為115MPa，最小應力為-175MPa(正值為壓應力，負值為拉應力)，最大、最小應力均出現在左邊拱肋。

(2)頂推過程中系梁在荷載組合下應力包絡圖，如圖8。

圖8 頂推過程中系梁上下緣應力

由圖8看出頂推過程中系梁上、下緣最大應力為239MPa，最小應力為-179MPa(正值為壓應力，負值為拉應力)，最大、最小應力均出現在左邊拱系梁。

(3)頂推過程中拱肋臨時支撐在荷載組合下最大及最小應力包絡情況如下：拱肋臨時支撐上、下緣最大應力為128MPa，最小應力為-133MPa(正值為壓應力，負值為拉應力)。

頂推過程中主拱肋、拱肋臨時支撐、前導梁最大應力及最小應力均不大，均小于180MPa；主縱梁在邊拱頂推100～115m施工段，邊拱局部點最大應力相對較大，為235MPa，但仍小于Q345鋼材施工階段容許應力295MPa。根據以上計算結果看出，主拱結構的設計、臨時支撐及臨時墩的設置是合理的，適用于頂推施工[8]。

4.2 位移計算

為保證頂推過程中主橋各構件的剛度滿足設計要求及前后鋼導梁順利通過支墩，需進行相應位移分析。各構件在荷載組合作用下拱肋、系梁位移包絡圖見圖9。主拱、鋼主縱梁在頂推過程中的最大豎向位移為34cm，滿足設計和施工要求。在頂推階段中，在各不利工況下主體結構位移不大，就剛度而言，主橋結構設計、臨時支撐及臨時墩的設置是合理的，適合頂推施工[9]。

圖9 頂推過程鋼主縱梁位移包絡圖

4.3 連續頂推過程臨時墩支反力計算

施工期間，中跨設置2個臨時墩，邊跨靠近橋墩處設置2個臨時墩，施工期間永久墩不承擔荷載，臨時墩設置需滿足施工期間主孔橋下雙向通航凈寬要求，滿足頂推裝置的安裝與連續頂推工作要求，同時臨時墩布置位置盡量考慮施工期間支反力均勻，施工各主要階段支反力情況如表1，最大懸臂工況各臨時墩反力如圖10所示。

表1 各工況臨時墩支反力表

圖10 最大懸臂工況臨時墩反力圖

由上述分析看出，各施工階段臨時墩反力相對均勻，臨時墩布置合理，頂推設備合理分配豎向反力，實現連續頂推過程平穩。

5 結論

拱梁整體頂推施工減少對航道和環境影響、減少高空水上施工，體現創新、環保理念。對大跨度拱橋拱梁整體頂推施工關鍵技術研究，為拱橋以及其他類型橋梁頂推施工積累經驗，為大跨度橋梁施工方案的選擇提供更廣空間。

通過孔李大橋主橋頂推施工過程分析可得出以下結論：

(1)結合強度和剛度分析，主橋結構的設計、臨時支撐及臨時墩的設置是合理的，適合頂推法施工。

(2)主拱肋、主縱梁、前導梁、臨時支撐的應力不大，滿足規范要求。同時主拱肋與臨時支撐、主縱梁與臨時支撐、主縱梁與滑道板接觸區域受力還需進一步用板單元進行接觸仿真分析[4]。

(3)主撟結構的最大豎向位移能滿足設計和施工要求；前導梁豎向位移偏大，可通過加強前導梁剛度，來減小導梁擾度，同時也可因此進一步減小主體結構位移[5]。

(4)主縱梁在邊拱頂推100～115m施工段，邊拱局部點最大應力相對較大，為235MPa，結合施工過程中監控，確保頂推過程順利。

采取合理的臨時墩、拱梁臨時支撐，主體結構頂推過程中受力和穩定性滿足規范要求，以成橋運營為控制的橋梁結構設計，可滿足步履式整體頂推施工過程各結構受力要求。