高架橋鋼箱梁頂推施工研究

陳亞娟

（山東高速暢通路橋工程有限公司，山東 高密 261500）

0 引言

20 世紀60 年代，委內瑞拉卡羅尼河橋首次成功利用頂推施工技術建設，其技術優勢使該項技術廣泛應用于世界建橋史中。20 世紀70 年代，我國在延安狄家河橋建設施工中，第一次使用了頂推施工工藝，該橋跨度為40 m，結構為鋼箱混凝土預應力橋。以此為起點，我國在橋梁施工中，開始了對頂推施工工藝的應用，且應用技術實現了快速發展。現階段，在城鎮交通設施建設中，高架橋越來越多見，很大程度上改善了城市交通。但同時，城市高架橋建設環境通常處于交通繁忙地區，交通網絡交匯，傳統的施工方法受周邊復雜環境限制較大，頂推施工技術則可以有效解決這方面的難題。近年來，高架橋鋼箱梁結構應用廣泛，鋼箱梁具有自重輕、安裝簡便、運輸便利等優勢，可以提高高架橋施工效率和質量，因此，鋼箱梁頂推施工技術在高架橋施工中的應用具有較高價值。該文以某跨地鐵高架橋工程為例，分析高架橋鋼箱梁頂推施工技術，為類似工程施工提供參考。

1 工程概況

某高架橋工程位于城市中心區域，工程線段存在與已建地鐵4 號線重疊，須進行跨地鐵施工。高架橋橋墩的Pm45#到Pm48#段為主線橋段，墩柱梁體結構采用鋼墻梁結構，全長為89.9m，孔跨為三跨，分別為23.8m、39.2m、27m。在Pm46#-Pm47#跨部下有地鐵軌道穿過，橋底距離軌道面凈空高度大約為4.25m。鋼箱梁制作選用Q345qD 鋼板，質量大約為410t。在該部位鋼箱梁施工中，采用個雙導梁頂推施工工藝。

2 鋼箱梁結構設計

該在該工程中，鋼箱梁結構為單箱四室，具體的結構構成部分及組成示意如圖1 所示。中心線梁高2m，箱體寬度13.8m，兩側挑臂寬度為2m，底板總寬10.6m，并與橋面設計2%雙向橫坡。鋼箱梁縱向設計7 段，長度為7.05m～13.7m，橫向六塊，長度為1.9m～3.9m，共42 塊。

圖1 鋼箱梁結構示意圖

3 頂推施工技術

3.1 頂推施工方案

頂推系統構成包括液壓頂推系統、滑移梁及軌道、滑靴等。具體來說，液壓頂推系統主要由以下幾個部分構成：液壓頂推器、泵源、檢測系統、控制系統。滑移梁設置：在施工兩側分別設置2 個，為箱型結構，發揮主要承力作用；中間位置設置2 個，為H 型結構，主要作為頂推器行走用的滑移軌道設置，不作為承力構件。滑移軌道設置：軌道材質為鋼軌，型號為P43；軌道固定構件包括滑移梁、壓板，其中，壓板材質為鋼板，大小為20mm×100mm×50mm，，分布在軌道的左右側，間隔距離為30mm。滑靴設置：頂推施工的重要滑移工具，使鋼箱梁在軌道中順利推進，在軌道上要每隔6m 設置滑靴，其頂板要鋼箱梁底板進行連接，采用牢固的焊接方式，操作中焊縫長度應當控制在50mm，間隔距離為100mm。頂推支墩設置：其主要作用是縮短頂推跨度，使施工中的正負彎矩變化可以在可控范圍內，是施工過程中的主要承力構件，承受力主要是在鋼箱梁本身的荷載以及在頂推過程中產生的摩擦力；該工程中，該部分設置設置在Pm46#和Pm47#墩的兩邊，包括鋼管柱、橫向分配梁、滑移墊梁，其中柱為直徑630mm、壁厚10mm，分配梁為三拼40a 工字鋼，墊梁結構為箱型，截面大小為600mm×500mm。在支墩布設完成后，再鋪設一層聚乙烯板來減少滑移施工中產生的摩擦力。糾偏裝置設置：該裝置共設置3 對，分別在頂推的前部、中部和后部，主要是為了控制施工誤差。

該工程吊裝施工機器選型為汽車吊，施工方式為分段吊裝，實際施工中，吊裝施工最大施工幅度可達到14m，最小在7m，施工作業最高可承受30t 的吊裝質量。在實際施工條件下，同時分析吊裝起重作業量、吊機工作臂回轉范圍、起吊高度等因素，確定吊機選型。具體如下：單機作業能夠滿足工程需求，鋼箱梁、索具以及其他質量總質量大約在31t 左右，因此單機起重量不能小于這一質量值；分析現場平面布置，并綜合分析吊機站位及吊裝順序，起重機回轉半徑為14m；吊裝為四點起吊法，吊索與水平面夾角60°，起吊時仰角70°，起重機高度大于30m。根據工程實際需求，該工程采用220t 汽車吊，起吊能力為71.5t～46.5t，主臂長30.8m，作業半徑7m～14m，類型為單機吊。

鋼箱梁各段中均在主隔板上方設置吊耳，其制作選用Q345 鋼板，共設置4 個，如果施工中需要在其他位置設置，則通過焊接連接使其牢固。

根據公式（1）計算扣體。

式中：代表扣體直徑，單位mm；取值12.8t，取值22.5mm，取值500MPa，取值45mm（D 型卸扣取值90mm）取值90mm。最終計算得出為28.7mm。

根據該工程實際，共配備2 臺液壓泵站，泵站型號規格選擇TX-80-P-D，液壓設置的額定壓力在31MPa，流量為每分鐘80L；功率設置在50kW 以上。

鋼箱梁提升過程中，各個點位都需要設置千斤頂，該工程中共設置4 臺，350t。設備型號選用YA-350-J，荷載額定值為3500kN；千斤頂的高度為1.77m，直徑為0.635m，質量為2000kg，共32 根鋼絞線設置的0.27m 直徑孔。

導梁設置成鋼桁梁結構，位置設置在主梁前部，二者連接構件為預應力鋼筋。導梁的關鍵作用是能夠有效降低頂推中在主梁前部處在最大懸臂狀態時的結構應力，避免影響主梁的安全性。該工程中，導梁總長20m，材質為Q345 鋼，總質量約26t，前端上翹方便上頂推支墩。

為防止頂推初期梁體傾覆，將臨時墩布置在第一跨內；同時，為降低頂推跨度，提高頂推適用跨徑，設置臨時墩降低頂推中的梁體內力。該工程中設置2 個臨時墩，并采用斜拉索與相鄰永久墩或制作平座連接加固。

主要是進行鋼箱梁現場再次制作的平臺，包括梁體預制平臺和平臺內滑到支撐蹲。該工程制作平臺采用剛性設計，整體框架結構，剛度、強度滿足施工要求，高程準確、平臺平整度良好，能夠保證鋼箱梁生產質量。

該工程共設置四道滑移梁，分別為箱型梁和H 梁，主承力構件為箱型梁，H 梁作用是為頂推器提供行走軌道。

3.2 頂推施工工藝

該工程中，由于上跨地鐵軌道，因此選用頂推施工技術。鋼箱梁頂推節段是第3-5 節，橋墩號從Pm46#到Pm47#。施工中，先用汽車吊對其他鋼箱梁節段進行吊裝施工，然后再進行滑移設備等設備的拼裝，以及導梁、鋼箱梁頂推段等，最后涂裝防護設施；相關準備工作完成后，則開始進行頂推施工，完成高架橋的架設，避免在地鐵軌道上部作業可能對其造成的不利影響。施工步驟如下。

首先進行頂推裝置及臨時設施的安裝。滑移胎架分別設置在Pm41#到Pm43#兩墩中間的梁上，以及Pm44#到Pm45#中間的地面上，根據實際需求設置臨時支架。然后，在Pm41#墩到Pm43#墩的兩邊，進行頂推段鋼箱梁的拼裝，并完成導梁拼裝；拼裝完成后，進行防護措施安裝，在Pm44#墩和Pm45#墩中間的支架上也進行導梁的安裝，并與前部的鋼箱梁焊機固定，然后再鋼箱梁前后設置防護設施；降液壓頂推系統、限位裝置等設置在Pm41#墩的鋼箱梁后端。

借助液壓滑移系統，進行鋼箱梁頂推，注意頂推施工時間需要在地鐵運行的“天窗”期，即晚23：00 至次日凌晨5：00，頂推施工用時兩個“天窗”期，去除清理時間后，每次施工時間限制在5h 內。在第一期施工中，頂推距離39m，導梁需要跨過Pm47#墩的支墩。在第二期施工中，繼續頂推距離32m，與前期相加頂推距離總長度在71m，鋼箱梁位置與設計相符。同時，在這一階段施工中，須測量放樣，并提前設置好限位擋板，在實際施工中，導梁達到限位擋板后則立即停止頂推。

頂推完成后，落梁系統主要是為了將導梁拆除，其安裝位置在鋼箱梁兩邊并將其提起；拆除滑移設施并清理干凈，通過落梁系統，將鋼箱梁落至設計位置完成施工。

在Pm45#-Pm46#、Pm47#-Pm48#墩之間安裝臨時墩，并將剩余鋼箱梁第2-1 節段、第6-7 節段吊裝施工。吊裝施工完成后，拆除所有支架、安裝剩余挑檐、防撞墻、防護罩等。

4 頂推施工關鍵部位安全分析

4.1 有限元計算

利用有限元軟件Midas 進行安全計算，建立施工關鍵部位有限元模型，計算分析各部位施工受力變化，得到在最不利狀態下的各項受力值，同時對比分析施工中監測值。頂推施工設計方案見表1。

表1 頂推施工設計方案

整理鋼箱梁、導梁、支架系統相關材料參數，計算構件質量結果為鋼箱梁412t、導梁28.5t、防護罩88.8t、防護欄199.8t。

共選擇5 個重要階段工況，見表2。

表2 鋼箱梁頂推施工工況

各構件模型均采用桿系單元模擬，如圖2 所示。

圖2 結構構件模型

頂推施工中，支墩頂部承受荷載力最大，其所產生的墩頂支反力如果過大，則會直接造成施工安全風險。同時，千斤頂的施力也需要根據墩頂支反力來控制。在施工中，Pm46#墩和Pm47#墩承受了主要荷載，在頂推施工中，支墩墩頂支反力同樣處于動態變化過程中。結果顯示，工況1 向工況2 過渡中，Pm46#墩的墩頂支反力處于上升狀態，并且在達到工況2 時達到最高值，為1492.5kN；此時，導梁部分尚且沒有到達Pm47#墩，其與主梁形成的結構狀態達到了最大懸臂狀態；工況2 向工況3 過渡中，Pm46#墩的墩頂支反力持續在一個較高的水平中，并且在工況3 中，Pm47#墩開始受力，其所承受的支反力呈現出上升趨勢，在工況4 達到了最大值1552kN。施工結束后，2 個主承力墩的墩頂支反力達到平衡狀態。

工況2 中，導梁以及鋼箱梁前部的撓度達到了最高水平，最大值分別為65.1mm、67.8mm；工況3 中，導梁、主梁的撓度開始呈現出向下趨勢。鋼結構設計規范要求其撓度值最大不能超過/400，其中，表示結構長度。以此為依據，該工程中的導梁撓度應當控制在75mm 以內，鋼墻梁撓度應當控制在97.88mm 以內。根據實際數據與允許數值對比可知，在該施工中，導梁與主梁最大懸臂狀況下的撓度值可控。

當頂推施工在工況2 時，導梁應力達到最高，最高值部位在導梁根部，應力值為102.4MPa；在施工到達工況4 狀態時，鋼箱梁應力值最高，最高值部位在鋼箱梁中部119.8MPa。二者設計允許數值最大為210MPa，因此均為超出允許值，施工安全。

5 監測結果分析

該工程中，由于施工環境及場地等各方條件限制，將應變片布設在鋼箱梁上部。監測點布置：導梁根部2 個，鋼箱梁上部3 個，并每距離4m 布置3 個，共3 排；在鋼箱梁中跨截面25.2m 處布置3 個，共14 個。

根據現場監測數據，與有限元模型計算結果對比，見表3。

表3 有限元模型計算結果與現場監測結果對比表am

從表3 可知，鋼箱梁頂推施工中導梁、鋼箱梁在現場實際監測中的所得數據均比模型計算所得結果數據更小，這表明現場實際施工能夠控制各項應力值在規定范圍內，保障施工安全。同時，在現場撓度監測中，在最不利工況中的導梁撓度最大為68.8mm，鋼箱梁最大撓度為66mm。與模型計算相比，導梁的實際撓度要大，但在允許最大值范圍內；鋼箱梁撓度要小于模型計算結果，同樣滿足施工安全要求。

6 結語

高架橋鋼箱梁施工是一項非常復雜的施工工藝，需要各方協調配合、精準控制，才能保障施工安全。在該工程中，由于工程跨城市地鐵軌道，施工限制條件較多，對施工安全穩定提出了更高的要求。通過合理制定頂推施工方案，優化施工設計及施工設備選用，有效保證了頂推施工的順利進行。同時，通過有限元分析及現場監測結果顯示，頂推施工中導梁、鋼箱梁應力、撓度等相關安全指標均在規范允許范圍內，表明該工程采用頂推施工具有較高安全性、穩定性，鋼箱梁頂推施工優勢顯著。