三角变截面轻型桁架导梁设计与顶推施工关键技术

2020-03-18李吉勇

建筑施工 2020年11期

李吉勇

上海市基础工程集团有限公司上海 200433

自1959年顶推法施工成功地应用于奥地利Ager预应力混凝土连续梁桥后，因顶推法施工具有安全、优质、快速、经济、不需支架和占用场地少等优点，在国外的中等跨径桥梁中被广泛采用。

我国最早采用顶推法的是1974年狄家河4×40 m的预应力混凝土连续梁单线铁路桥。随着交通工程建设和市政工程建设的发展，桥梁跨径不断增大，向着更长、更宽和更柔的方向发展，传统的混凝土箱梁桥已经越来越难以满足实用要求，钢箱梁在大型桥梁中的应用日趋普遍。钢箱梁由于采用高强材料，构件质量轻、强度高、运输安装简捷，是大跨桥梁的理想桥型。钢箱梁用于桥梁的结构形式其主要优点有桥式整体性好，外形美观大方，行车和行走平稳，冲击性小，结构轻巧，跨越能力大，施工便捷，工程造价适中。

目前在顶推施工方法以及相关问题的研究中，对混凝土箱形梁顶推方面做了大量的工作，且取得了相当多的成果；对钢箱梁的顶推和分析也介绍了一些，但由于钢箱梁自身的特性（接口连接复杂、无预应力、局部问题复杂），从而使得对钢箱梁顶推的研究还需进一步探讨。

1 工程概况

温州七都北汊桥工程主桥为（58＋102＋360＋102＋58） m的5跨半漂浮体系的双塔中央索面钢混叠合梁斜拉桥，如图1所示。该桥桥面宽37.6 m，属于特大型桥梁。

图1 温州七都北汊桥工程主桥总体布置

引桥七都侧跨径布置为2×52 m＝104 m（23#～25#墩），如图2所示。道路平曲线均为直线，最大纵坡3.48%，双向六车道，单幅桥梁全宽15.95 m（2.7 m人行道＋0.5 m防撞栏＋12.25 m车行道＋0.5 m防撞栏），中央分隔带宽5.56 m，引桥不通航。七都侧钢箱梁划分为11个节段，永嘉为32个节段，钢箱梁标准长9 m。节段最大质量为85 t。

七都侧引桥24#～25#墩由于存在防洪堤及该处地貌高地不平，上部结构施工时该跨场地条件受限。故该侧引桥采用顶推导梁法进行施工，在22#—24#墩区域搭设临时支架，分段安装钢箱梁结构。

图2 七都侧引桥立面布置

2 导梁顶推方案比选及设计

2.1 导梁方案比选

目前，实际工程中采用的钢导梁结构形式主要有以下3种：由杆件拼成的桁架导梁、由翼板和腹板组装成的箱形导梁、变截面工字形钢导梁。

其中，桁架导梁自重较轻，钢材用量少，拆除后可重复利用，利用率高，经济性较好。箱形导梁梁截面的抗弯和抗扭刚度均较大，整体性好，但钢材用量多，故梁体自重较大，运输、保存较困难。变截面工字形钢导梁制作简单、操作方便，刚度大，可承受较大弯矩，但运输、保存困难，拼装及后期拆除时需用大吨位吊车配合，顶推施工完成后导梁无其他用途。结合本桥梁工程施工期间各类型钢等临时构件较多，后续施工过程中各类杆件的重复利用率高，从现场安装便利性及经济性综合考虑，本工程导梁采用三角变截面的桁架导梁形式。

2.2 三角桁架导梁尺寸控制要点

结合相关类似工程实践，导梁的设计关键尺寸控制主要包括导梁与顶推跨径比l0/L[1]、导梁与钢箱主梁的刚度比（E0I0）/（EI）、最大顶推导梁悬臂状态下的抗倾覆性、悬臂段最大位移控制及导梁与主梁的连接接头处理。

本工程顶推跨径为52 m，导梁度控制36 m，导梁与顶推跨径比l0/L＝0.69[1]。为确保导梁最大悬臂状态抗倾覆性，采用变截面的三角桁架控制导梁的抗倾覆性安全系数K＝2.3＞1.3。导梁与钢箱主梁的刚度比结合相关工程案例一般控制为1/15～1/10，而变截面三角桁架导梁结构因其高度不断在变化，截面刚度也在变化，为此采用悬臂最大挠度控制法，在最大相等跨度悬臂状态下，设置三角桁架导梁的最大挠度与不设导梁下主梁的最大挠度比为1/9进行控制。

2.3 三角桁架导梁结构尺寸确定

结合上述导梁设计控制要点及原则，本工程导梁采用变截面的三角桁架导梁。钢导梁材质采用Q235，导梁下弦杆主梁采用H700 mm×300 mm×13 mm×24 mm型钢，上弦杆主梁采用H588 mm×300 mm×12 mm×20 mm型钢，后端焊接到横隔板上，长度36 m。竖向支撑杆为H588 mm×300 mm×12 mm×20 mm，为保证横向连接稳定，每隔4 m设置横向连杆，连杆为22a#工字钢及双拼22a#槽钢。因主梁设有2%横坡，为方便导梁与主梁连接，将导梁末节段上翼缘板也设置2%横坡。导梁主要结构如图3、图4所示。

图3 导梁前立面

图4 导梁底平面

主梁与导梁的端口连接处是导梁最大负弯矩处，为保证端口的强度，导梁与主梁横隔板纵向加劲肋采用全断面实腹钢板连接，并增设横向加筋板，侧向钢板和主梁腹板封闭以确保稳定。由于端口连接复杂，加工前采用BIM进行三维实体1∶1建模，进行各细部尺寸的放样。连接构造具体如图5所示。

图5 导梁连接端口三维

3 三角桁架导梁顶推施工关键控制技术

3.1 临时支架设置

导梁临时支架设置在22#～24#墩之间，钢箱梁拼装过程中用钢支架作为竖向支撑。临时支架主要由φ700 mm@10 mm的钢管、三拼45a#工字钢横向分配梁、双拼HN700 mm×300 mm设备平台、双拼HM600 mm× 300 mm拼装纵梁组成。由于本导梁施工过程中支架需承受顶推过程中的推力，故临时支架上下设置2道横向连杆，横向连杆采用双拼16#槽钢。

3.2 顶推支座设置

导梁顶推共设置4个顶推点[2]，其中3个顶推点设置在永久墩23#墩、24#墩、25#墩墩顶，另外1个顶推点设置在23#～24#墩之间的临时钢管支墩上，具体布置如图6所示。顶推支座采用步履式千斤顶。

图6 顶推支座布置示意

3.3 顶推施工主要流程

顶推主要施工流程为：支架搭设完成→钢箱梁运输就位→依次吊装钢箱梁（22#—24#）→焊接导梁→顶推约17 m→25#接收墩接收→二次吊装→焊接→二次顶推到位（约52 m）→落梁→浇筑23#、25#墩顶混凝土块→桥梁上部结构施工。

3.4 导梁顶推施工控制要点

3.4.1 导梁顶推大坡度纵向标高控制

本工程引桥钢箱梁有约3.48%的纵坡，大坡度的纵向顶推控制是施工控制的关键。在施工前，先对顶推施工的受力情况作理论分析，确保施工的可行性及安全性，同时，在箱梁后端设置纵向限位系统，每次顶推完毕后，除锁定千斤顶以外，利用限位系统确保钢箱梁结构的稳定。

根据导梁设计计算，导梁处于最大悬臂状态时，最大挠度为400 mm，因此导梁加工时，底部主梁设置400 mm的反向预拱度。迎墩时，先将迎墩千斤顶缩缸到底，根据迎墩高差设置对应的垫梁，再利用迎墩千斤顶将鼻梁顶起，越过步履顶推滑箱后，将滑箱行程回位，卸掉迎墩千斤顶荷载，将力转移到滑箱，迎墩完成以后，把垫块恢复到顶推状态，并投入该墩的步履顶推设备。

3.4.2 控制临时墩等结构水平载荷

在顶推施工过程中，整套设备顺桥方向和横桥方向的水平推力均来自液压油缸推力，其反作用力与上下部的摩擦力大小相等，方向相反，正好抵消。在计算机的控制下，步履式顶推设备可以调节顶推加速度大小，从而使顶推过程极其平稳，减少惯性载荷。施工间歇静止过程中，钢箱梁结构长度长，易受温度变化的影响，热胀冷缩产生的伸缩量较大。在长时间静止时，除最前端支点外，其他全部落在顶推设备上，利用步履式顶推设备的上下部滑移结构，消除温度引起的水平载荷。

3.4.3 步履顶推设备顶举千斤顶的同步性

竖向顶举顶活塞伸出时，顶推滑箱和梁被顶起，此过程主控台除了控制集群顶举千斤顶的统一动作之外，还要通过安装在滑道和垫梁之间的位移传感器监测顶升的高度，保证各顶举顶的同步。

顶举采取位移控制为主、压力控制为辅的同步控制。竖向顶举顶将主梁顶离垫梁、回缩时将主梁下降回落到垫梁的过程保持同步。每套顶推装置安装4套位移传感器，同一墩台以一侧为基准，位移传感器安装在滑道和垫梁之间以监测顶升的高度，此过程同步精度控制在4 mm之内。

施工过程中：每套顶推装置（2台竖向顶举千斤顶）上安装2个压力变送器，计算机可监测各受力点的荷载变化情况，准确地协调整个系统的载荷分配。每个受力点的最高压力、同一桥墩上各受力点之间的最大压差可通过现场控制器、主控台设定。当荷载达到设定值时，系统会自动停机，并报警示意。

3.4.4 步履顶推设备顶推过程中的纠偏

由于存在荷载分布不均和摩擦力大小不一的客观情况，故当顶推过程中产生偏移现象时，可通过设置在滑箱侧面的纠偏千斤顶实行纠偏。对于大跨度的箱梁来说，难免会出现悬臂端偏差不可控的情况，因此在实际施工过程中通常采用静态纠偏的方式，在条件允许的情况下，采取主动限位的方式是最直接有效的方法。

3.4.5 落梁施工

落梁作为导梁顶推施工过程中的一个重要环节，顶推时梁体标高及线形尽量与成桥状态接近，以减少起落梁高度，尽量使起落梁高度在一个千斤顶行程范围内，避免多次抄垫时因高差不一造成受力不均。

落梁千斤顶的额定能力控制不小于其设计承受荷载的1.5倍；并在梁体与桥墩间设置保险支墩。在千斤顶行程高度内设置钢垫块。

梁体两端落梁千斤顶采用单泵多顶方式并联，并在每个千斤顶上设置截流阀，与油泵上的截流阀共同对落梁过程进行双控。并联千斤顶的规格、油管的长度及规格均应相同，确保梁体一端千斤顶终端压力和顶升力相同且同步运行。

4 三角桁架导梁顶推各工况安全分析验算

钢箱梁顶推过程中施工工况较多，顶推阶段各截面及支点受力也在不断变化。为确保桥梁顶推施工过程中的安全，需对整个顶推过程各工况进行逐步计算。除考虑顶推过程中主梁内力变化外，还需考虑各临时墩支点反力变化[3]。

4.1 三角桁架导梁三维建模

采用Midas Civil软件建立导梁施工各工况分析三维模型。为分析钢箱梁局部节点应力，钢箱梁采用梁板单元建立。导梁属于桁架体系，模型建立采用梁单元方式建模。三维分析模型如图7所示。

4.2 三角桁架导梁顶推各工况的变形、应力及支座反力分析

图7 箱梁及导梁三维模型

对钢箱梁导梁顶推关键工况下的导梁、钢箱梁及顶推支座受力进行分析，根据有限元计算结果可知，温州七都大桥引桥钢箱梁采用三角桁架式轻型导梁顶推施工，最不利工况为导梁接收前最大悬臂状况，此时导梁挠度为413 mm，对应工况导梁最大应力为161.4 MPa，钢箱梁最大应力为115.2 MPa，各结构受力状态良好。顶推过程中，各顶推支座竖向反力也不断变化，支座最大反力为2 210 kN。