鋼桁架拱橋整體頂推施工技術(shù)研究

摘要 為了對(duì)桁架拱橋的頂推施工技術(shù)進(jìn)行研究，文章以某跨運(yùn)河鋼桁架拱橋?yàn)橐劳校瑢?duì)鋼桁架拱橋的整體頂推施工技術(shù)進(jìn)行研究。通過理論分析與數(shù)值模擬的方法對(duì)整體頂推的總體工藝設(shè)計(jì)、關(guān)鍵工藝控制技術(shù)及頂推受力性能進(jìn)行了研究。研究表明對(duì)鋼桁架拱橋的拱肋和系梁之間設(shè)置臨時(shí)加勁桿件，形成整體桁架結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)整體頂推；通過設(shè)置桁架型導(dǎo)梁，分別與拱肋和系梁相連接，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的平順過渡；頂推過程鋼桁架拱橋整體受力安全可靠。

關(guān)鍵詞 鋼桁架拱橋；整體頂推；施工技術(shù)；受力分析

中圖分類號(hào) U445.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2023）13-0042-03

0 引言

鋼桁架拱橋具有良好的承載能力和結(jié)構(gòu)剛度，是大跨徑橋梁的主要橋型之一，也是適合跨越內(nèi)河航道的合理結(jié)構(gòu)形式。大跨徑桁架拱橋常用施工方法主要包括纜索吊裝懸拼拼裝、轉(zhuǎn)體施工、分段支架安裝法等。對(duì)于內(nèi)河航道地區(qū)一般采用“先梁后拱，分段吊裝”的施工方法居多，對(duì)于橋面板系為鋼箱梁的拱橋，也有采用先將鋼箱梁頂推安裝，后在鋼箱梁上安裝拱肋[1-3]。

也有對(duì)鋼箱拱橋采用整體頂推施工的相關(guān)實(shí)踐，但對(duì)于鋼桁架拱橋，采用整體頂推法施工的實(shí)踐和研究均較少[4-5]。在保持通航的同時(shí)，如何經(jīng)濟(jì)、快速、環(huán)保地完成鋼桁架拱肋與系梁的安裝是此類橋梁在內(nèi)河航道施工的關(guān)鍵。該文通過本鋼桁架拱橋整體頂推施工方法的研究，從導(dǎo)梁設(shè)置、臨時(shí)加勁、頂推控制等方面可指導(dǎo)內(nèi)河航道大跨徑鋼桁架拱橋整體頂推施工，保障施工質(zhì)量，為同類橋梁的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝

1.1 工程背景

該文以某跨運(yùn)河鋼桁架拱橋?yàn)橐劳虚_展整體頂推技術(shù)研究。大橋采用鋼桁架系桿拱橋，總體布置如圖1所示，跨徑為106 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬35.5 m，端部加寬至38 m。拱肋是上拱肋、下拱肋及腹桿組成的桁架結(jié)構(gòu)。上拱肋、下拱肋截面均采用箱型截面形式，上拱肋、下拱肋在橋墩處采用箱型腹桿連接，其他腹桿均采用工字型截面。主拱設(shè)置鋼系梁，鋼系梁與拱肋進(jìn)行固結(jié)，主梁由橋面系和鋼梁組成，主梁、鋼系梁及鋼桁梁之間均采用焊接連接。

兩個(gè)雙拱肋之間的中心距為26.8 m。上下弦桿在拱頂處豎向中心間距為5.0 m，上下弦桿均采用同心圓曲線。行車道混凝土橋面板布置在鋼系梁內(nèi)側(cè)的系梁翼緣之間，并和鋼系梁翼緣連接，全橋橋面板由縱橫梁分割成180塊預(yù)制橋面板，橋面板厚為25 cm，濕接縫寬度為0.45 m。現(xiàn)澆混凝土濕接縫處的鋼板上布置焊釘，將混凝土橋面板與鋼系梁和鋼橫梁連接為一體。大橋共設(shè)置15對(duì)吊桿，吊桿間距為6.0 m，均采用單絲涂覆型環(huán)氧鋼絞線吊桿形式。

1.2 總體施工方案設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目采用整體頂推施工的思路是通過將鋼桁架拱肋及鋼系梁在岸上支架拼裝成型后，利用桁架式鋼導(dǎo)梁與鋼系梁和鋼桁架拱肋連接，形成梁拱組合結(jié)構(gòu)后整體頂推，完成鋼桁架拱橋跨越通航運(yùn)河施工。

利用桁架式導(dǎo)梁的上下弦桿直接與桁架拱肋的上弦桿及系梁連接，將導(dǎo)梁和桁架拱橋形成桁架式梁拱組合結(jié)構(gòu)，提高頂推體系剛度，優(yōu)化頂推過程桿件內(nèi)力，確保頂推過程結(jié)構(gòu)安全。設(shè)置桁架式前導(dǎo)梁，將桁架式導(dǎo)梁和鋼架拱橋形成臨時(shí)的梁拱組合結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)降低了在頂推過程中導(dǎo)梁及主體結(jié)構(gòu)桿件的內(nèi)力，改善了桁架拱橋整體頂推過程的受力狀態(tài)。

在臨時(shí)支架上完成鋼桁架拱橋的拼裝，在鋼桁架與鋼系梁之間設(shè)置臨時(shí)型鋼斜撐，使得拱肋與系梁形成整體框架，提高鋼系梁的抗彎承載能力，使其在頂推過程中內(nèi)力始終處于良好狀態(tài)。在系梁下方搭設(shè)臨時(shí)支架，布置縱向滑移軌道，利用步履式頂推裝置將與桁架式導(dǎo)梁連接在一起的梁拱組合結(jié)構(gòu)連續(xù)頂推，跨越航道，后安裝橋面板與附屬構(gòu)造，完成橋梁施工。

1.3 整體頂推施工系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)場(chǎng)地情況，該橋頂推需要在岸上搭設(shè)8組拼裝臨時(shí)支架，支架下方需設(shè)置樁基礎(chǔ)和擴(kuò)大基礎(chǔ)。南北河岸橋墩內(nèi)側(cè)各設(shè)置2組鋼管樁基礎(chǔ)，鋼管樁為φ1 020×12 mm，如圖2所示。臨時(shí)支架立柱型號(hào)均為φ1 020×12 mm的Q235鋼材，在臨時(shí)支架頂部設(shè)置雙拼HN56滑道梁。

頂推支座設(shè)置在鋼系梁底面，頂推耳板設(shè)置在頂推支座上，MGE滑板設(shè)置在頂推支座下方。頂推耳板由兩塊耳板組成，用于連接頂推支座和頂推器，頂推器反推頂緊塊，從而實(shí)現(xiàn)鋼桁架拱橋向前移動(dòng)。頂推支座在頂推過程中起到傳遞上部荷載和導(dǎo)向的作用。共設(shè)置16臺(tái)YS-PJ-50型液壓頂推器，頂推器設(shè)置在頂推支座處，在頂推過程中移動(dòng)配置。

導(dǎo)梁采用空間桁架形式，頂推前導(dǎo)梁與鋼桁架拱橋連接成整體單元，頂推過程整體滑動(dòng)。導(dǎo)梁總長(zhǎng)度為40 m后端上弦桿與桁架拱肋上弦相連接，下弦與系梁頂面相連接。

為了在頂推過程中，在公路和系梁支架形成整體桁架式結(jié)構(gòu)，改善鋼系梁的受力，在頂推前在拱肋和系梁之間設(shè)置臨時(shí)加勁桿件，桿件上端與拱肋吊桿節(jié)點(diǎn)相連接，下端與系梁與吊桿錨固位置進(jìn)行連接。臨時(shí)加勁桿件有P600×10，P550×10組成。

2 頂推施工過程受力分析

為了對(duì)大橋在采用整體頂推施工過程的受力性能進(jìn)行分析，利用有限元軟件Midas Civil建立空間有限元模型對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。模型建立中各桿件的尺寸均按照實(shí)際尺寸進(jìn)行模擬，頂推過程按照每2 m一個(gè)工況進(jìn)行模擬，頂推支點(diǎn)約束按照僅受壓彈性支撐進(jìn)行模擬，計(jì)算模型如圖3所示。

通過對(duì)頂推全過程的模擬，可以得到在整體頂推施工過程中鋼構(gòu)件的應(yīng)力最大值變化情況及結(jié)構(gòu)的變形情況，相關(guān)計(jì)算結(jié)果如表1所示。由表中數(shù)據(jù)可知，在頂推過程中，上部被頂推鋼構(gòu)件在頂推過程匯總的最大組合拉應(yīng)力為165 MPa，最大組合壓應(yīng)力為?174 MPa，均小于240 MPa，滿足規(guī)范要求。在頂推過程中上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的最大豎向位移為104 mm，小于l/400，滿足頂推施工過程剛度要求。在頂推過程中加固桿最大組合應(yīng)力為53 MPa，小于Q235型材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)安全可靠。

在頂推過程中共設(shè)置12個(gè)頂推支點(diǎn)，13個(gè)支點(diǎn)在頂推全過程中出現(xiàn)的最大反力分布情況，支點(diǎn)最大反力出現(xiàn)在9號(hào)支點(diǎn)位置，最大反力值為9 189 kN，經(jīng)驗(yàn)算支點(diǎn)局部支撐結(jié)構(gòu)和支架承載能力滿足要求。

3 整體頂推關(guān)鍵工藝控制

3.1 頂推準(zhǔn)備工作

鋼桁架拱橋在整體頂推施工前應(yīng)做好以下頂推準(zhǔn)備工作。

（1）在頂推前對(duì)各臨時(shí)支墩及滑道梁頂面的標(biāo)高進(jìn)行復(fù)核，確保滑道頂部標(biāo)高滿足頂推設(shè)計(jì)的要求。

（2）對(duì)頂推系統(tǒng)進(jìn)行試頂推試驗(yàn)，測(cè)試頂推液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，確保頂推工作可以連續(xù)順利完成。

（3）完成頂推過程高程、軸線測(cè)點(diǎn)的布置，并進(jìn)行數(shù)值采集，準(zhǔn)備好在頂推過程中各頂推工況下高程和軸線的理論值作為頂推過程控制的理論對(duì)比值。

3.2 頂推過程控制

在整體頂推施工過程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)頂推過程結(jié)構(gòu)姿態(tài)進(jìn)行觀測(cè)與調(diào)整，確保頂推過程線形平順。

（1）在頂推施工前對(duì)橋梁關(guān)鍵位置的高程和平面位置進(jìn)行測(cè)量，以測(cè)量結(jié)果為初始狀態(tài)，編制頂推過程中各控制工況測(cè)點(diǎn)理論變化數(shù)據(jù)。

（2）每頂進(jìn)2 m、橋梁上墩前、導(dǎo)梁上墩后均作為一個(gè)控制工況，每個(gè)工況對(duì)導(dǎo)梁及橋梁結(jié)構(gòu)的高程變化和軸線變化情況進(jìn)行測(cè)量。

（3）及時(shí)對(duì)比頂推過程結(jié)構(gòu)的變化情況，并與理論值進(jìn)行比較，當(dāng)誤差超過限制時(shí)采用糾偏措施進(jìn)行糾偏。

3.3 頂推落梁與調(diào)整

在沿著縱向頂推就位后應(yīng)該對(duì)其姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，并進(jìn)行支座安裝與臨時(shí)加勁桿拆除，應(yīng)注意以下關(guān)鍵問題。

（1）鋼梁沿縱向頂推到位后對(duì)支座位置鋼系梁的高程進(jìn)行調(diào)整，使其平面位置和高程均滿足設(shè)計(jì)要求后進(jìn)行支座安裝。

（2）在支座灌漿達(dá)到強(qiáng)度后，拆除墩頂臨時(shí)支撐，結(jié)構(gòu)重量通過永久支座支撐。

（3）支座支撐轉(zhuǎn)化后，同時(shí)檢查所有吊桿安裝可靠后，對(duì)吊桿進(jìn)行預(yù)緊張拉，預(yù)緊力可控制在5～10 t范圍內(nèi)。這樣可確保在后續(xù)臨時(shí)加勁桿拆除時(shí)系梁的自重可通過吊桿傳遞至拱肋，避免出現(xiàn)過大豎向變形，同時(shí)也不會(huì)給加勁桿內(nèi)施加過大的壓力，并與加勁桿一并拆除。

（4）吊桿預(yù)應(yīng)力施加后，對(duì)稱拆除臨時(shí)加勁桿，可由跨中向拱腳依次拆除，在拆除時(shí)注意接頭位置割除對(duì)運(yùn)營(yíng)結(jié)構(gòu)可能造成的損傷。

（5）臨時(shí)加勁桿拆除后，在橋面板安裝及鋪裝施工過程中吊桿力與系桿力調(diào)整按照施工監(jiān)控對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果和相應(yīng)的指令進(jìn)行張拉與調(diào)整。

4 結(jié)論

通過對(duì)鋼桁架拱橋整體頂推施工工藝及頂推過程中的受力分析可以得到以下主要結(jié)論：

（1）通過對(duì)鋼桁架拱橋的拱肋和系梁之間設(shè)置臨時(shí)加勁桿件，使得拱肋和系梁之間形成整體桁架結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)整體剛度可實(shí)現(xiàn)整體頂推。

（2）在鋼桁架拱橋頂推過程中通過設(shè)置桁架型導(dǎo)梁，上弦與桁架連接，下弦與系梁連接，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力的平順過渡，確保了整體頂推施工的安全合理。

（3）對(duì)頂推過程的受力狀態(tài)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，確保了鋼桁架拱橋在整體頂推施工過程總體受力安全可靠。

（4）對(duì)鋼桁架拱橋整體頂推施工過程的關(guān)鍵工藝進(jìn)行了梳理，形成了關(guān)鍵工藝控制技術(shù)，可為類似橋梁施工提供參考。

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