大跨度變截面鋼箱梁頂推施工關鍵臨時構件受力分析

舒育正，何 斌，賈正偉，傅中秋

（1.浙江交工集團股份有限公司，浙江 杭州 310000；2.河海大學土木與交通學院，江蘇 南京 210098）

橋梁作為交通運輸的重要組成部分，連接著中國城市經濟發展的命脈。目前，隨著城市交通需求量的與日俱增，橋梁施工技術也進入了高速發展的階段[1]。鋼箱梁具有質量輕、剛度大、跨越能力強等特點[2]，被廣泛應用于大跨徑橋梁建設中。同時，為了使橋梁建設過程不影響既有交通，鋼箱梁頂推施工法[3]逐漸被人們采用。

鋼箱梁頂推施工過程中，需要搭建臨時構件，包括頂推支架、拼裝支架、臨時扣塔等，臨時構件對頂推施工順利實施及安全保障起到至關重要的作用[4]。趙世超等[5]采用了有限元軟件計算分析不同臨時墩布置方案下鋼箱梁的受力特性，研究發現，隨著臨時墩間距的增大，頂推過程中，主梁產生的最大應力、變形及支反力均增大。潘峰等[6]分析了裝配式混凝土建筑中常見的臨時支撐體系存在的問題，并提出了豎向構件臨時支撐體系。

鋼箱梁頂推施工臨時構件是確保頂推施工質量與安全的重要組成部分。因此，本文以實例工程為背景，研究頂推過程中臨時構件受力情況，用于保障施工的順利進行，得到的結論可用于指導類似工程施工。

1 工程概況

本工程案例橋跨越某榆河，為新建工程，全長約1.6 km，寬40 m。其中橋梁為東西方向的城市主干路，橋長252 m，為主跨120 m 的鋼箱梁結構斜拉橋，斜拉橋外裝飾，跨徑布置為66 m+120 m+66 m。

本工程臨時構件包括：①單幅單邊鋼梁頂推共計3組頂推支架，其中3#支架采用8 根Φ630 mm×10 mm的鋼管，管頂采用雙拼HM588 型鋼作縱梁；1#及2#支架采用8 根Φ630 mm×10 mm 的鋼管，管頂采用三拼H440 型鋼作縱梁。支架鋼管連接系均采用18 號槽鋼。②單幅單邊鋼梁吊裝共計2 組拼裝支架，支架立柱采用8 根Φ273 mm×6 mm 的鋼管，管頂采用雙拼H440 型鋼作分配梁，支架鋼管連接系均采用L80×5 mm 的角鋼。③臨時扣塔由4 根Φ630 mm×10 mm 的鋼管組成，塔頂設雙拼HM588 型鋼作為張拉錨點底座。支架底部采用3 m×1.5 m×0.18 m 的鋼箱板作為底座，箱板底座與鋼梁焊接固定。

2 有限元計算結果

本節主要通過有限元軟件，分析最大頂推懸臂狀態工況下各臨時構件的受力情況。

2.1 頂推支架受力分析

荷載工況取最大反力516.7 t 豎直壓力及516.7×tan4°=36 t 水平分力建模分析，恒載荷載分項系數取1.3，并考慮步履機位于縱梁正中位置及步履機偏離縱梁正中最大距離位置2 種情況驗算。

頂推支架有限元模型如圖1 所示。

圖1 頂推支架有限元模型

將計算結果進行匯總，如表1 所示。從表1 中可以看出，各頂推支架滿足強度要求。根據屈曲分析的計算結果，頂推支架的整體穩定性安全系數均不小于4，支架整體穩定性滿足要求。

表1 頂推支架計算匯總

2.2 拼裝支架受力分析

取最大鋼梁節段136 t 自重荷載并考慮1.5 倍不均衡偏心系數，對H440 型鋼分配梁和P273×6 mm 支架鋼管進行受力分析，有限元模型如圖2 所示。

圖2 拼裝支架有限元模型

根據有限元計算結果，分配梁最大組合應力為59.2 MPa，最大撓度為2 mm。H440 型鋼橫梁最大組合應力為59.2 MPa＜175 MPa，最大撓度為2 mm＜2 000/400=5 mm，H440 型鋼橫梁滿足要求。對P273×6 mm 支架鋼管進行分析，求得支架鋼管最大組合應力為96.2 MPa；支架鋼管最大軸力為331.9 kN；支架鋼管最大反力為27.8 t，根據GB 50017—2017《鋼結構設計標準》，驗證了鋼管穩定性滿足要求，拼裝支架滿足要求。

2.3 臨時扣塔受力分析

鋼梁前端頂推至預定合攏位置后，在P1、P2 墩頂支座中心上方鋼箱梁頂面隔板處安裝40 m高的臨時扣塔，利用鋼絞線張拉提升鋼梁前端下撓部分。根據采用的施工過程計算，頂推到位后搭設臨時扣塔并采用鋼絞線對稱張拉，可分解為98.6 t 豎直向上的力和113 t 水平方向的力。經過計算，成橋后的鋼箱梁成橋組合應力最大值為69.7 MPa，撓度最大值為266.6 mm。臨時扣塔斜拉索張拉后、合攏焊接前，合攏焊縫與距離6.5 m 處的節點之相對位移為14.5 mm，故合攏焊縫處的順橋向折角坡度為2×14.5/6 500≈4.5‰，線形基本平順。

對扣塔縱梁取豎向和水平分力塔進行建模計算，如圖3 所示。根據計算結果，2HM588 型鋼墊梁最大組合應力約為44.3 MPa，剪應力約為0 MPa；支架鋼管最大組合應力約為169.4 MPa＜215 MPa，剪應力最大值約為14.5 MPa＜125 MPa，位移最大值約為95.6 mm。臨時扣塔的鋼管的鋼管立柱最大軸壓力為1955.4 kN，根據屈曲分析的計算結果，臨時扣塔的整體穩定性安全系數為22.7，支架整體穩定性滿足要求。

圖3 扣塔鋼管立柱有限元模型

3 結論

本文主要研究大跨度變截面鋼箱梁頂推施工下臨時結構受力情況，主要結論如下：①在頂推至最大懸臂端工況下，各臨時構件結構受力與整體穩定性均滿足要求；②根據施工方案，頂推至合龍前，現場將在鋼梁尾端配重，建議在滿足鋼梁整體穩定性需求的前提下，嚴格控制配質量，以減少配重對臨時支架受力的影響；③根據計算，頂推至最大懸臂狀態時，臨時扣塔組合應力和軸力均較大，建議線形滿足條件下，調整鋼絞線的張拉力和扣塔高度，以改善扣塔的受力。