探討某小半徑大坡度連續鋼箱梁頂推施工技術

鄭 彬

（貴州省公路建設養護集團有限公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

等高直線正交梁橋是所有梁體形式中最能發揮頂推法優勢的結構形式，變高度梁和曲線梁也可使用頂推法施加頂推力，提高橋梁穩定性。某立交橋項目梁體形式為變高度梁，頂推法施工過程中，梁底位置以楔形墊墊平，使其等高度發揮出頂推法的最佳效果。與此同時，大量施工實踐證實，平面圓曲線彎梁橋、豎向圓曲線彎橋也可應用頂推法提高結構穩定性[1-3]。國內研究者對頂推法在斜交梁橋、豎向曲線梁、變高度梁中的應用進行了大量研究且取得了豐碩成果，而頂推法在小半徑大縱坡連續鋼箱梁中的應用相關研究不足。頂推施工技術在跨線橋梁施工過程中具有節約勞動力、對道路交通影響小、機械設備簡單、對施工場地要求不高等優勢，為提高橋梁結構穩定性做出了突出貢獻[4-5]。由此可見，頂推施工在彎橋、坡梁橋的應用意義巨大。

1 工程概況

某匝道橋為小半徑、大坡度連續鋼箱梁橋，橋體跨越內環快速公路，作為城市主干道之一，內環快速公路交通量大，為減小橋梁施工對道路通暢度影響，綜合設計后擬定頂推法，對F匝道跨越內環高速段橋梁進行施工。F 匝道梁體為等高鋼箱梁設計，梁體規格為31 m+39 m+30 m，平面半徑為300 m，豎向縱坡、橫向縱坡坡度分別為5.3%和1.5%。鋼箱梁為斜腹式單箱單室斷面，梁高2 m，總長度100 m，頂板寬6.8 m，底板寬3 m，箱梁總重300 t。為便于施工，結合現場條件、運輸要求，總長100 m 的箱梁被分解成25 節長度為3～4.5 m 的節段分別加工。

該項目箱梁頂推跨徑小、梁體頂推重量輕，為提高施工便捷性，選定拖拉式頂推法。選用型號為ZLD-100的穿心式連續頂推千斤頂，完成拖拉式頂推工作，該型號千斤頂配備兩臺油缸交替運行，確保其可連續頂推施工，提高施工穩定性。使用工具錨夾將傳力鋼絞線鋼絞絲固定后，箱梁底板處焊接錨扣點與鋼絞絲連接以提高結構穩定性。借助鋼絞絲拉力，將穿心式千斤頂頂推箱梁使其移動。完成施工操作后將固定在箱梁上的耳板切割，使用下一個耳板錨繼續操作，最終使箱梁頂推到預定位置。為確保箱梁結構穩定性，并降低損害風險，橋梁頂推過程中搭設臨時支撐體系，避免永久墩受損，也可以根據項目情況選用逐段焊接的工藝進行頂推，或采用逐段頂推的方式完成箱梁移位。

2 曲率對頂推過程中鋼箱梁的抗傾覆穩定性的影響

頂推過程中箱梁處于懸臂狀態，重力作用下易出現梁體偏離軸心現象，使其抗傾覆穩定性降低，線形曲率半徑對鋼梁頂推施工環節的抗傾覆穩定性影響顯著[6]。

（1）車道荷載在梁體施工中抗傾覆穩定性研究中的影響很小，可忽略不計。故此，只需考慮箱梁自重對梁體抗傾覆穩定性的影響。為便于計算，假定梁體自重在箱梁頂板均勻分布，箱梁截面中間荷載密度明顯高于兩翼，該簡化模型與實際情況吻合，對抗傾覆穩定性的相關分析有利。

（2）采用模型簡化后，箱梁荷載可以頂板面積代替，采用穩定性系數代替抗傾覆穩定性，并以下列公式進行計算：抗傾覆穩定系數=抗傾覆力矩/傾覆力矩。根據該項目實際情況，選定頂推力最大懸臂24.8 m，箱梁長度與寬度分別為101 m 和6.9 m，固定上述參數不變，同時保持臨時支架、臨時墩的軸線距離固定，選定曲率半徑為100 m、200 m、300 m、400 m、500 m、600 m、700 m、800 m、900 m、1 000 m，對不同條件下的鋼箱梁抗傾覆穩定系數進行測量。計算機模擬的橫向抗傾覆穩定性系數和縱向抗傾覆穩定性系數如圖1 和圖2 所示。

圖1 橫向抗傾覆穩定系數

圖2 縱向抗傾覆穩定系數

（3）對圖1 分析可知，保持其他條件不變的情況下，曲率半徑大于400 m 時，頂推懸臂下鋼箱梁橫向抗傾覆穩定系數基本保持穩定，當曲率半徑增加時，橫向抗傾覆穩定系數略微增加，梁體與直梁水平接近時，橫向抗傾覆穩定系數小范圍內減小。曲率半徑小于400 m 時，鋼箱梁橫向抗傾覆穩定系數隨著曲率半徑減小而下降，曲率半徑取值為100 m 時對應的橫向穩定系數不足曲率半徑為300 m 橫向穩定系數的一半。

（4）對圖2 分析可知，保持其他條件不變，曲率半徑大于300 m 時，頂推懸臂下鋼箱梁縱向抗傾覆穩定系數不變，基本上呈現為直線，隨著曲率半徑減小，鋼箱梁縱向抗傾覆穩定系數略有減小。

綜上可知，曲率半徑較小時，鋼箱梁橫向抗傾覆系數隨曲率半徑變化明顯，而鋼箱梁縱向抗傾覆穩定系數基本保持不變，曲率半徑大于400 m 時，鋼箱梁橫向抗傾覆穩定性降低明顯[7]。

3 縱坡對頂推力的影響

頂推作用下單個作用點的力學原理如下：

頂推力F滿足下列標準時，鋼箱梁才會在力的作用下向前移動。

式中，Gi——第i個滑道受到的瞬時重力；μi——最大靜摩擦系數，ii——箱梁縱坡。一般情況下，ii取值較小，即上坡時取值為正，下坡時取值為負。

由此可知，鋼箱梁的∑iG值相對固定時，摩擦系數μi與縱坡ii取值決定了頂推力大小。為便于計算，假定目標橋梁為直線坡橋且不同滑道的縱坡值一致，取所有滑道的最大摩擦系數值為0.1，按照從上向下頂推的原則，鋼箱梁的∑iG相對于箱梁重力的“頂推力系數”來反映推力大小。

選定軸線縱坡值分別為1.3%、2.3%、3.3%、4.3%、5.3%、6.3%，對應的頂推力系數值如圖3 所示。

圖3 摩擦力系數為1 時頂推力系數

對圖3 分析可知：

（1）滿足上述條件時，隨著縱坡坡度增加，頂推力水平減小，兩者之間具備線性關系。

（2）頂推力與縱坡值密切相關，縱坡取值為5.3%時，頂推力不足無坡度時頂推力一半，表明縱坡坡度值越大，頂推力指標越小。

（3）聚四氟乙烯材料的摩擦系數為0.04，該數據小于動摩擦系數，荷載水平增加，摩擦系數減小，而頂推過程中不銹鋼鋼板的使用，進一步降低了摩擦系數，施工的過程中由于選取的材料表面平整度不足，加之長期使用，表面可能存在坑洼或油污等影響摩擦系數，結合實際情況選定滑倒摩擦系數最大值為0.05。在上述情況下，縱坡與頂推力關系如圖4 所示。

圖4 摩擦力系數為0.05 時頂推力系數

對圖4分析可知，將鋼箱梁滑道摩擦系數確定為0.05，縱坡坡度值為5.3%情況下，頂推力系數為負值，即在此情況下箱梁于縱坡上的重力分量大于摩擦力，無其他外力施加的情況下，鋼箱梁將向下自由滑落，引發重大安全隱患，對橋梁頂推施工產生威脅[8]。

4 頂推施工防滑移措施

由此可見，箱梁頂推施工中，大縱坡橋梁施工環節，需將縱坡坡度對頂推力的影響考慮在內。由此可見，強風、振動等因素都會對鋼箱梁頂推懸臂狀態產生影響，對頂推施工不利，需結合項目實際情況采取積極有效的措施加以防范，避免箱梁滑動。

（1）清除涂抹的硅脂或采取其他可增加摩擦力的措施，可在不銹鋼板上涂抹滑石粉增加摩擦系數。相關措施的實施需結合實際情況，對臨時支撐體系的承受力綜合考慮后認真核算，頂推前需焊接箱梁制動裝置[9]。

（2）箱梁頂推過程中需先將后補焊接段清除，隨后在其尾部設置制動裝置，頂推施工之前需要對倒鏈錨扣的性能進行檢測，并在施工過程中由專人負責倒鏈的操作，避免鋼絞絲松動[10]。

表1 頂推力為0 時給坡對應的摩擦系數

表2 頂推力為0 時摩擦系數對應的縱坡值

5 結論

（1）依據頂推力計算公式可知，保持鋼箱梁自重固定和摩擦系數相對恒定的情況下，隨著箱梁縱坡的增大，頂推力降低，縱坡變化越大，頂推力減小越明顯，即縱坡對頂推力的影響越顯著。

（2）箱梁頂推施工環節，縱坡與頂推力關系密切，縱坡坡度過大會導致箱梁摩擦力不足，在箱梁自重的作用下出現自然滑落，需針對此情況采取有效措施，增大摩擦力，以避免箱梁下滑導致施工風險。可根據項目實際情況選擇增大摩擦系數、箱梁尾部焊接倒鏈葫蘆、焊接制動裝置等措施提高安全性。

（3）結合頂推力計算公式和項目實踐，總結了頂推力取值為零情況下的摩擦系數與縱坡取值，為相關工作提供數據參考。

（4）其他條件不變的情況下，分析了向量抗傾覆穩定性曲率半徑的關系，結果顯示，曲率半徑小于300 m 時，鋼箱梁縱向抗傾覆穩定性系數與曲率半徑變化的關系不大，曲率半徑小于300 m 時，隨著曲率半徑的減小，鋼箱梁縱向穩定系數有小范圍的浮動。曲率半徑大于400 m 時，鋼箱梁橫向抗傾覆穩定系數無明顯變化，曲率半徑小于400 m 時，隨著半徑的減小鋼箱梁橫向抗傾覆穩定系數降低，且半徑減小越明顯，橫向抗傾覆穩定系數降低明顯。曲率半徑為100 m 時，鋼箱梁橫向穩定系數不足曲率半徑為300 m 時的一半。