大跨徑混凝土鋼管拱橋梁頂推施工技術研究

楊小強

（中鐵十八局集團第二工程有限公司,河北 唐山 063000）

上承式鋼管混凝土鋼管拱橋憑借跨越距離大、便于作業、承載力強、占地空間小、作業裝配式、精細化、數字化、工廠化的優勢，愈來愈得到廣泛應用。本文以國內首座高鐵上承式鋼管混凝土鋼管拱橋--成（都）貴（州）高鐵西溪河大橋作為研究對象，在鋼管拱橋墩立柱上開展鋼箱梁施工，通過對步履法頂推和拖拉式多點連續頂推法（簡稱拖拉法）兩種不同頂推方案開展綜合比選，依據工程實際，在確保質量以及安全的前提下，選擇更便捷、更高效、更經濟的拖拉法頂推作為施工技術應用[1]。

拖拉法通常借助張拉千斤頂對鋼絞線開展牽拉，在橋墩頂配制的滑道上將每段箱梁水平拖動滑移后使其各就各位[2]。在西溪河大橋鋼管拱上箱梁頂推施工時，橋墩立柱較高大，且易受牽拉破壞，鋼管拱圈如果偏壓會導致不均勻變形。結合西溪河大橋項目實際，通過在鋼管拱圈偶數號橋墩立柱最底部拱圈串聯鋼絞線并對稱預加拉力，可以有效控制鋼管拱上橋墩水平位移；為克服鋼管拱圈受偏壓變形出現不對稱的狀況，采取在鋼管拱圈上開展對稱斜拉鋼絞線，有效控制鋼管拱圈豎向位移，確保頂推時鋼管拱圈不產生變形。施工時嚴格實時監控，確保頂推施工符合設計精度要求，橋梁建設安全有效推進。

1 工程概況

成貴高鐵西溪河大橋是一座鋼管混凝土提籃拱橋，橫跨西溪河大河谷，施工條件差，總長約493.70 m，大橋橋面到河面高差約261 m，孔跨度為4×32.7 m ＋240 m ＋3×32.7 m，兩側為簡支箱梁，中間橋梁為主跨度240 m 的承式鋼管混凝土提籃鋼管拱橋，左右線間距4.6 m。其極不對稱“雙向水平轉體”技術非常“高精尖”，西溪河大橋實景見圖1。

圖1 西溪河大橋實景

西溪河大橋鋼梁在工廠開展鋼梁板節段加工后運至現場進行拼裝，然后對鋼梁開展噴漆等防腐施工和拆除臨時支架。

大橋橋面到河面高差約261 m，施工環境極為復雜，在深谷上空開展高空作業非常危險。鋼管拱上部是比較柔性的橋墩立柱,不能抵御側移力,這也是開展梁頂推施工難點。另外鋼管拱圈剛性不強，在開展頂推時易受偏壓，影響橋梁性能發揮，需要進行重點分析研究。

2 頂推方案優化比選

當橋梁施工環境比較特殊,無法通過滿堂支架法開展施工的客觀條件下，頂推法是一種較好的施工技術。成貴高鐵西溪河大橋關鍵點是上承式鋼管混凝土提籃拱橋主橋，常規的頂推法施工通常單獨配置鋼導梁，但無論是臨時墩還是導梁，在后期拆除時均費時費力，且屬超高空作業，危險性非常大。為降低超高空作業風險，確保施工安全，降低后期拆除工作量，該項目不再單獨設置導梁和臨時墩。

頂推施工工藝常見有步履式頂推和拖拉式頂推，在不同環境下各自優勢不同。結合實際，從安裝頂推設備、受力狀況及費用情況三方面開展比選和論證。

2.1 頂推設備安裝

(1)步履式頂推施工：該工藝的施工設備運行系統通常由頂推數控系統、機械升降前進系統以及液壓驅動系統三部分構成。與拖拉式頂推工藝相比，步履式頂推工藝設備必須同時具備頂升及水平頂進兩種功能，同時還必須具有豎向頂進和水平頂進協調性和及時糾偏功能。若采用步履式頂推，則需要在多個支點布置設備，另外配置的同步控制裝置也務必能覆蓋所有頂推設備。如此操作會極大增加設備倒運、更換和重新連接調試等繁瑣步驟，增加設備安裝和施工繁瑣性。步履式頂推施工工藝通常應用于頂推距離不長，規模小的工程[3]。

(2)拖拉式頂推施工：通過多臺連續千斤頂，借助多個反力墩進行布置，再通過多束預應力鋼絞線進行傳動，在滑道梁與梁底之間展開滑板更換，從而完成連續性的頂推步驟。拖拉法頂推施工工藝通常應用于結構龐大、支撐點數量較多、精度要求高的施工項目[4]。

本工程屬于超級工程，梁體結構超大，所以把拖拉法頂推工藝作為首選。由于本橋梁箱梁質量較大，用千斤頂代替傳統的卷揚機，確保最好的頂推精度及效果。

2.2 受力狀況

步履式頂推施工工藝實際施用時，需將箱梁反復托起和放下。與此同時，千斤頂將巨大的頂升力和臨時墩巨大的支撐反力傳遞至箱梁底部區域。千斤頂進行頂推時，箱梁的支撐位置在豎向千斤頂與臨時墩墊梁上反復、來回進行切換。而拖拉法頂推工藝在梁體進行頂推時，盡管支點位置存在一定變化，但沒有步履式頂推法的反復頂起、落下狀況，受力更為平緩，所以更具受力優勢[5]。

2.3 費用情況

步履式頂推施工工藝由于所需施工設備、同步控制系統等數量龐大，導致造價昂貴，而拖拉法頂推施工工藝盡管需要配備一些臨時設備，但設備總量和設備總體造價與之相比要便宜得多[6]。

結合工程實際，最終選用拖拉法頂推施工工藝。它不僅頂推距離長，而且施工設備簡單，場地不用太大，可降低成本。

3 減少墩立柱水平位移和防止拱圈變形關鍵技術

西溪河鋼管混凝土鋼管拱橋拱上一共有11 個橋墩立柱，從貴陽到成都方向順序是11 號 — 1 號橋墩立柱，西溪河大橋結構設計布置示意見圖2。其中1、11 號柱高約40 m，2、10 號柱高約24 m，3、9 號柱高約13 m，4、8 號柱高約6 m，5、6、7 號墩立柱和蓋梁采取一體化設計。由于鋼管拱上橋墩立柱高度較高，因此抗水平力性能不強，故用鋼絞線把較高的橋墩立柱與其他橋墩連接后開展預張拉。各橋墩立柱的預張拉力要求小于水平力承載功能。借助鋼絞線將3 號主墩與1、2 號橋墩立柱串聯后進行預張拉,將8 號主墩與9、10、11號橋墩立柱串聯后進行預張拉。

圖2 西溪河大橋結構設計布置示意

被頂推的鋼箱梁通過鋼管拱進程中，為不影響大橋成型后的線形，對鋼管拱圈的豎向位移有效控制,削弱因頂推導致對鋼管拱圈的不對稱偏壓影響。在鋼管拱上的梁體被拖拉到鋼管拱上的橋墩立柱前，借助鋼絞線對偶數立柱墩底進行預張拉，從而實現對鋼管拱圈偏壓變形的有效控制。

3.1 Midas/Civil 構建有限元模型

借助Midas/Civil 空間有限元分析軟件構建交界墩及鋼管拱上橋墩立柱三維有限元模型，通過模擬鋼絞線預加拉力，對整個頂推過程開展模擬分析。

3.2 橋墩立柱有限元研究分析

大橋鋼管拱上橋墩立柱在結構自重、張拉力、大橋鋼箱梁重量以及最大水平頂推力（250 t 鋼箱梁被頂推到最大懸臂狀態時的頂推力）綜合作用下，大橋鋼管拱上1、2、3 號以及8、9、10、11號橋墩立柱水平位移情況和橋墩立柱應力分布情況由圖3 可見。

對圖3 進行分析研究可得：

圖3A 中3、2、1 號橋立柱墩頂位移依次是5 mm、15 mm 和21 mm,均不大于22 mm，符合設計規范。由此可見3 號交界墩與鋼管拱上1、2 號橋墩立柱通過鋼絞線連接并張拉的形式，可以極大提升鋼管拱上部墩立柱防變形功能,有效降低鋼管拱上柔性墩水平位移。

圖3B 中（為便于觀測，對K 形撐進行消隱），3、2、1 號橋墩立柱受拉區應力依次是+0.6 MPa、-0.15 MPa、-2 MPa，受壓區應力依次是-2.8 MPa、-3.2 MPa、-2.2 MPa。3 號橋墩立柱最底部出現最大拉應力為+0.6 MPa，說明鋼管拱上橋墩立柱混凝土應力未超出規范，未超過C40 混凝土極限拉應力值1.72 MPa。

圖3C 中，鋼管拱上11、10、9 號立柱墩頂位移依次是13.5 mm、15.5 mm、5.2mm, 均未超22 mm，滿足規范要求。證明頂推控制工藝破解了鋼管拱上柔性墩防水平變形功能不強、容易被拉裂破壞的瓶頸。

圖3 箱梁頂推最不利位置、鋼管拱上橋墩立柱水平位移及應力分布示意

圖3D 中（為便于觀測，對K 形撐進行消隱），鋼管拱上11、10、9 號受拉區應力依次是-1.4 MPa、+0.6 MPa、+1.0 MPa,受壓區應力依次是-2.8 MPa、-3.6 MPa、-3.2 MPa。9 號橋墩立柱底部出現最大拉應力1.0 MPa，小于1.72 MPa。頂推最不利階段鋼管拱上橋墩立柱混凝土應力未超出規范。

3.3 拱圈有限元研究分析

鋼箱梁在頂推經過鋼管拱時，鋼管拱圈兩側如果不能同時受力，就會產生不對稱偏壓，引起鋼管拱圈兩側產生不對稱變形，嚴重破壞成橋的線形質量[7]。為減少對鋼管拱圈不對稱偏壓，通過科學研判，鋼管拱上箱梁還未被拖拉到鋼管拱上橋墩立柱時，借助鋼絞線對偶數立柱墩最下部進行預張拉，從而對鋼管拱圈豎向位移進行有效限制。預埋件在4、3 號交界墩及10、8、4、2 號立柱墩底牢固埋設鋼絞線，與拱圈10、8、4 以及2號橋立柱墩底鋼絞線錨座進行有效連接，并在柱底進行150 t 的拉力預加。

3 號交界墩半鋼管拱受壓后，在鋼管拱圈自身荷載、橋墩立柱自身荷載、主梁受的壓力綜合影響下，預應力張拉前、后鋼管拱圈偏壓變形情況如圖4 所示。

圖4 預應力張拉前、后鋼管拱圈偏壓變形示意

由圖4 可知,鋼管拱圈在沒有進行預張拉前，在偏壓作用下，貴陽方向鋼管拱圈11、10、9、8號橋墩立柱豎向位移依次是2.9 mm、7.01 mm、7.9 mm、11.9 mm，成都方向鋼管拱圈4、3、2、1號橋墩立柱豎向位移依次是21.01 mm、16.01 mm、4.2 mm 和12.01 mm。貴陽方向豎向位移比成都方向要小，從而造成成都方向和貴陽方向的形變距離存在一定差距，尤其是鋼管拱圈在臨近3 號交界墩處的形變較大,然而鋼管混凝土整體受力情況能夠掌控，符合要求。進行預張拉后，貴陽方向在11、10、9、8 號橋墩立柱位置豎向位移依次是3.4 mm、9.7 mm、12.1 mm 和16 mm；成都方向鋼管拱圈4、3、2、1 號橋墩立柱縱向位移向下依次是16 mm、12 mm、8.5 mm、3 mm。可見，鋼管拱圈整體受壓后,兩側對應位置的豎向位移大致相同。對鋼絞線進行張拉后，兩側不存在偏壓，攻克了頂推過程偏壓導致鋼管拱圈不對稱變形，從而影響大橋建成后線形的瓶頸。

4 施工監控結果

為確保箱梁頂推時鋼管拱圈、墩立柱的形變和受力符合設計規范，需要實時監測鋼管拱圈豎向位移、鋼管拱上橋墩立柱頂部位移和最底部應力。頂推時，同步進行實時監測后，發現鋼管拱上橋墩立柱墩頂變形和柱墩最底部應力正常。充分說明此舉措在確保安全施工的同時，使綜合成本降低的同時，極大節約了施工工期。

5 結語

基于成貴高鐵西溪河大橋施工實際，對步履法和拖拉法頂推施工技術進行比選，最終選用拖拉法頂推施工技術。為攻克鋼管拱上柔性橋墩立柱剛度不強、易受外拉力破壞的難點，在鋼管拱圈偶數號橋墩立柱最底部拱圈串聯鋼絞線對稱預加拉力，有效減少了鋼管拱上橋墩立柱水平位移，確保了成橋線形；為有效規避鋼管拱圈因偏壓嚴重變形，在鋼管拱圈上進行對稱斜拉鋼絞線，并對拱圈豎向位移進行限制，確保頂推時鋼管拱圈不發生變形。此外通過Midas/Civil 空間有限元分析軟件建模驗算、分析受力狀況，通過有效監測，確保施工方案順利實施。拖拉法頂推施工技術設備投入小，場地要求不大，無須大型施工機械，極大地節約了成本，確保了施工安全和質量。