鋼箱梁步履式頂推過程中的結構行為研究

康長波，吳 超

(中國十九冶集團有限公司湖北分公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

我國步履式頂推施工方法近幾年在國內得以迅速發展，步履式頂推施工法具有占地小，不影響交通，便于跨越深谷、道路等障礙物的特點，在實際應用中可有效地防止“梁體爬行”現象發生。根據《公路橋涵施工技術規范》規定，在頂推施工中，鋼箱梁的軸向偏移在10 mm內，如果控制效果不好，則會造成糾偏次數過多，從而增加工程工期和造價，因此分析連續鋼箱梁橋步履式頂推施工過程中的結構行為具有重要意義。因此，本研究以灃東立交E匝道橋項目為背景，利用Midas/Civil建立了鋼箱梁的結構模型，分析了頂推過程中的支反力的變化，以及對局部產生的影響，其結果可以為步履式頂推施工工程提供參考。

1 步履式頂推施工方法應用現狀

從施工角度，頂推施工方式分為兩種，即步履式頂推和拖拉式頂推，前者率先應用于我國杭州九堡大橋，后得到廣泛的推廣與發展。

1.1 步履式頂推施工方法應用現狀

連續鋼箱梁頂推施工期間[1]，需要做好方案的選擇及設計，要預先做好對現場作業情況、頂推作業對象以及對象結構類型等的實際調研，以此來掌握施工方案管控的重要參考信息。同時在施工方案的選擇中要充分考慮施工單位實際情況，其包括施工團隊的人員配置、設備配置以及施工人員技術水平等，這樣才可以有效的做好施工流程推演。

步履式頂推千斤頂裝置自成一體，施工步驟為“頂、推”兩個步驟交替進行，豎向千斤頂會在豎直方向頂起主梁，水平千斤頂則是頂推滑塊，滑塊會帶動主梁向前移動，豎向千斤頂在回落過程中會將主梁放置于墊梁上，滑塊將從箱梁梁底脫落，最終完成一個循環過程，如圖1所示。與其他頂推方式有所不同，步履式頂推可以適應不同的橋型結構和橋型曲線，整個施工過程中使用到全液壓系統，設備體型較小，頂推力比較強，容易控制，相應的安全性也有所提升。

由于步履式頂推方式采用液壓電器控制，在同步性和精準度方面更容易控制，同時也可以調整好墩頂所承受的水平方向的推力，豎直方向調節更加便捷，若是超過箱梁應力，可以通過對豎向千斤頂伸縮量的調節，實現控制好各個支點的反力，目前在我國九堡大橋、紹興濱海大橋都用到了步履式頂推方法。

1.2 頂推施工中存在技術問題

雖然目前頂推施工技術逐漸成熟，也拓展了應用領域，但是在頂推過程中對橋梁結構存在安全性問題，主要表現在：

1)頂推施工預應力混凝土箱梁[2]逐漸演變后成為頂推施工鋼箱梁，在頂推過程中會因為工況變化受力原因影響到結構安全，為此需要強化對整體結構受力問題的分析，集中解決因局部力量較大影響到箱梁出現變形現象，但是目前在這方面的學術研究相對較少。

2)頂推施工期間往往更多的關注主梁結構，反而對下部結構中所使用的臨時墩或者是永久墩受力情況分析研究不足，頂推力較大的時候會使得支撐墩出現縱向位移，此時因為墩承受荷載較大，鋼結構支墩有安全問題存在，同時混凝土墩也有開裂的風險，這就需要在施工期間強化對下部結構的受力分析。

3)對主梁施加的水平推力在分配時會受到豎向支反力和橋墩剛度以及支撐摩擦阻力影響，但是目前的學術研究中往往只看到了橋墩剛度與橋墩間的正向關系，但是未能充分結合理論來計算出數值范圍。

2 工程背景

本研究主要是以陜西省西咸新區灃東新城灃東立交橋工程為研究對象，灃東立交橋工程共有5條匝道橋，其中E匝道橋第三聯采用54 m+65 m+58 m+52 m連續鋼箱梁，第1跨和第4跨跨越城市道路，第2跨跨越新西寶高速公路和新建C匝道橋。鋼梁位于平曲線與豎曲線雙曲線上。梁高采用2.2 m～2.6 m變高設計，橋面寬度為19.5 m，第2跨擬采用步履式頂推法施工。頂推段總質量達到了1 200 t，縱坡為1.8%和-3.47%。E匝道平面圖和立體圖如圖2所示。分別在9號墩、10號墩、11號墩間安裝支架，并分別放置了8組步履式頂推裝置，墩頂處安裝滑道，滑道結構與步履裝置結構相同。在鋼箱梁的前段安裝導梁，導梁使用兩根變高H型鋼，間距在8.4 m，導梁端部焊接在鋼箱梁鋼板上，其焊接板的厚度為26 mm。H型變高鋼導梁示意圖如圖3所示。

3 頂推施工關鍵技術分析

在連續鋼梁頂推施工過程中需要結合工程項目選擇合適的施工技術以及做好各個環節的把控，確保最終施工安全性和可靠性。頂推法施工核心在于使用千斤頂工具對梁體實施水平方向的推動力，在推力和預先設計好的臨時滑道實現最終的推滑，其原理在于梁體以分段或者是全段的方式向前頂推，有效的克服了因特定環境制約施工問題。同時頂推施工期間，需要及時對梁體進行橫向糾偏，避免出現較大差距的橫向偏移，否則會偏離橋梁中軸線，造成橋梁支點和橋墩受力不均，導致箱梁底部的應力較大，最終出現頂推困難的現象，嚴重還會出現梁體傾覆，增加施工難度和危險性。

3.1 頂推施工方法優點分析

目前，因為頂推施工的方法種類較多，優勢較為明顯，因而被廣泛推廣，其具體的優勢在于頂推除了工作平臺不需要再進行其他臨時支架的搭設[3-5]，這樣不會影響到橋下正常的交通秩序，因而非常適合于需要橫跨深谷或者是已有路線以及其他障礙物(高壓線路)的橋梁施工中使用；頂推所需要使用到的梁體構件都可在工廠進行預制，所耗費的時間周期比較短，質量也相對容易控制，施工現場只需要在工作臺上對其進行拼裝即可，整體來看可以有效的降低施工成本。頂推施工橋梁中單跨頂推力可以達到梁體總質量的6%～15%，具體數值情況要參考摩擦系數，同時頂推施工期間所使用到的設備相對小巧、輕便，不需要動用較大的吊裝運輸，更符合需要跨越公路、河流等特殊場景使用。

3.2 頂推施工方法缺點分析

在眾多優勢當中頂推施工方法對于精準度和施工技術提出了較高的要求，采用頂推方式進行橋梁建設，需要考慮到橋體結構受力，這是因為施工階段與運營階段有著非常明顯的差距，為此需要在施工中把握好頂推力、摩擦系數等，這些都呈現出動態變化趨勢，會影響到臨時墩位發生偏移，甚至改變梁體應力與內力參數，這些不確定性的存在會導致頂推施工更為煩瑣，不安全因素加劇。

4 頂推施工中鋼箱橋梁受力分析

由于頂推施工的方式是一種動態性，與它相關的邊界條件和負載情況都會不停地發生改變，不同階段下頂推部位受力狀態存在明顯的差異，為此需要對橋梁頂推全過程展開受力分析，避免在施工期間因支座脫落、頂推不同步以及滑塊填塞厚度不精準等問題影響到局部受力突出。在關于鋼箱梁受力分析中使用Midas/Civil，以此來探究隨著頂推工序的進行，梁體前段豎直方向位移情況、橋墩支反力變化規律，分析不同落梁方案對于支反力的影響，確保最終頂推施工的安全性。

4.1 Midas仿真模型搭建

對鋼箱梁頂推全過程下受力分析，需要先建立梁體模型，并非常細致的劃分出施工階段，保證實體單元計算數值精準度，若是按照這樣的過程進行，需要耗費大量的時間，不易修改，一般項目分析中不會采用這樣的形式。為此，利用空間梁單元構建鋼箱梁模型，其核心在于用Midas/SPC模擬截面形狀，搭建梁單元模型，以及其對應截面，分析每道工序，提取最終計算結果。

頂推施工中常用的兩種模擬形式即“墩動梁不動”和“梁動墩不動”，結合項目具體情況，考慮本項目中所使用的梁單元較多，若是采用對固定單元節進行編號的方式更容易進行數據提取，鋼箱梁與支撐體系采用分開建模的方式，對鋼箱梁模型分析時可以引入約束模擬支撐體系。綜上，最終選擇使用“墩動梁不動”的模擬計算方式。

該過程需要假定梁體位置不改變，每次進行頂推，就需要變換一次邊界條件和支座信息，在梁體與墩頂空隙處使用彈性鏈接，這樣當支座表現出拉力時，需要解除該工況狀態下支座連接后，再重新迭代計算，以此模擬脫空現象，具體模擬過程如圖4所示。

4.2 鋼箱梁施工階段劃分

在本次鋼箱梁施工深化設計中使用工廠預制的方式，直接將成型的鋼箱梁運輸到施工現場，通過吊裝設備將其吊到頂推平臺上，完成線性拼裝、焊接以及焊縫檢測等多重工序，待焊縫檢測合格后方可將梁體頂推出工作臺，本項目中具體的頂推流程為：

1)頂升豎向千斤頂，使鋼箱梁豎向上升并脫離支座平臺。

2)調整豎向千斤頂方位高程，使梁體縱向保持水平。

3)移動縱向千斤頂，使梁體進行縱向前移。

4)調整橫向千斤頂，使梁體達到預定平面位置。

5)下降豎向千斤頂，使得鋼箱梁落在預定墊塊上方。

按照上述流程執行，完成一個頂推環節。在完成頂推循環，梁體會在水平方向前進0.5 m，由于一次頂推距離相對較小，整個結構受力狀態差異并不是很大，為此本文按照每頂推1 m進行施工階段的劃分。

4.3 鋼箱梁豎向位移情況

考慮整個裝置的自重，懸臂一端會在豎直方向產生向下的位移，若是擺動幅度過大，將會影響到導梁上墩，進而影響到整個項目的施工進程，為此需要先對頂推過程中的箱梁結構位移情況展開分析，隨著頂推進行，梁體前段的豎向位移變化如圖5所示。

本項目施工采用先拼接再頂推再拼接的方式，因此頂推平臺上方梁體長度相對較大，從而整體結構的自重比較大，需要保證與支座良好的接觸。隨著頂推距離的加深，梁體的移動使得更多的自重荷載移向前端，隨著前端懸臂段長度增加的同時，下撓也會因此增大，這使得整個梁體的后方出現了上翹問題。遵循導梁前端下撓位移規律變化，在n墩到n+1墩的過程中，下撓位移也從0開始增大，當導梁到n+1墩的時候，豎直方向的位移又恢復到最初的0，當工況從導梁前端到10號墩，豎向位移數值在1.3 mm，因為跨中下撓原因，導梁前段有上翹的趨勢，持續的頂推，當整個過程達到最大懸臂狀態時，導梁前端豎向位移在-6.6 mm，向前再推1 m，此時的前端位移又恢復到了4.6 mm。按照上述過程，頂推的最大豎向位移可以達到11.4 mm，此時的形變也達到了最大，若是持續這樣會影響到整個結構的受力與梁體上墩，為此需要不斷地對施工過程進行健康監測，確保裝置結構受力在安全范圍內。

在頂推施工至45 m～49 m的時候，在導梁的前端下撓最大可以達到49.4 mm，在模型中可以發現處于該工況狀態下導梁根部與鋼箱梁連接處正處于10號墩上方，觀察模型，導梁和鋼箱梁的鏈接采用了剛性連接法，導致此刻的剛性達到了無限大。導梁越逼近9號墩時，在自重的作用下下撓達到了最大，導梁的根部正處于9號墩正上方，在連接處出現了轉角現象，導梁自重與剛度數值相對較小，因而會出現上翹的現象。

但當梁體被推出平臺后，由于中心發生了改變，梁體尾部開始出現了上翹的趨勢，上翹現象越明顯，相應的拼裝難度會增大，甚至存在拼裝錯誤的問題，同時頂推平臺無法提供足夠大的摩擦力，很可能出現無法推動的現象，或者是滑塊出現打滑等，這需要在施工過程中加以注意。需要強調的是當完成下一階段梁體吊裝后再進行拼接，最終梁體尾部恢復到原有的狀態，然后再進行新的循環。

5 結語

利用Midas/Civil“梁單元”原理建立了一個完整的箱梁模型，該模型能夠模擬整個頂推施工的全過程，結果表明，施工過程中的梁體前端下撓和尾端上翹，隨著頂推前移，導梁前端下撓呈規律性變化即在n+1～n之間，下撓位移絕對數值在逐漸增大。

對成橋和施工階段的鋼箱梁進行應力比較，分析發現在施工階段，頂板和底板的最大應力集中在同一種情況下，而最大應力截面部位均處于橋墩頂部。通過對局部鋼箱梁應力分析，處于正常 支座位置，受力狀態會以設計中軸線對稱，最大的應力集中在兩個支架和基板的接觸部位，其數值在195 MPa。