曲线段变高度连续钢箱梁顶推施工控制策略研究

（中铁十一局集团第四工程有限公司，湖北武汉 430074）

1 工程概况

某城市环线快速公路与京广铁路成79.4°夹角相交，交叉点位于线路圆曲线上，曲线半径R=6 200 m，跨铁路部分采用（35+50+50+35）m等截面变高度钢箱梁桥，结构中心处梁高2.3 m；梁面路幅宽40 m，双向横坡2.5%，纵坡范围为-1.40%～0.80%，按设计要求设置预拱度。桥梁下部结构为桩柱式桥墩，上跨铁路钢箱梁采用步履式顶推法进行施工。

2 钢箱梁顶推施工

2.1 顶推节段划分

根据钢箱梁分段及合拢位置，将钢箱梁分为4个节段进行顶推。

左幅西段57.42 m，质量为798.3 t，左幅东段79.50 m，质量为1 105.05 t；

右幅西段54.42 m，质量为756.4 t，右幅东段82.50 m，质量为1 146.75 t。左幅、右幅分段方案如图1所示。

图1 钢箱梁分段方案图（单位：mm）

2.2 顶推施工流程

钢箱梁单元构件在胎架上匹配组装焊接成箱梁节段后，左、右幅同时顶推，先将左幅西段由西向东顶推54 m，右幅西段由西向东顶推46 m；再将左幅东段由东向西顶推35 m，右幅东段由东向西顶推33 m，钢箱梁4个节段均顶推至中部合拢处，完成顶推。

2.3 胎架及步履机设置

顶推胎架设置须遵循结构简单、设计合理且施工简便、使用效果好的原则，应为钢箱梁施工提供平稳的拼装平台，实现钢箱梁顶推时简便、快速纵移[1]。

根据现场空间、地质、管线、构筑物情况及拟用步履机性能，本项目左幅布置9组步履机支架，1号和5号墩可以共用1组步履机，右幅布置8组步履机支架，两幅需要17组32台步履机，东侧长节段顶推选用800 t步履机，西侧小节段顶推选用450 t步履机[2]。

顶推胎架布置图如图2所示。

图2 顶推胎架布置图

在步履机前后布置搁墩，搁墩上部放置搁墩梁。搁墩梁与步履机上的分配梁腹板与钢箱梁腹板对应，防止钢箱梁因局部压力过大产生形变。由于箱梁受拱度影响，钢箱梁高度存在变化，导致顶推过程中梁底不在同一水平线上时，会产生过大偏心力。为了防止此种情形的发生，在搁墩及步履机竖向千斤顶上布置了半球形球冠，保持球冠上的分配梁始终与钢箱梁底板紧密接触，防止钢箱梁底板与步履机产生脱离[3]。根据选用的步履机规格参数，配置1 000 mm×400 mm的分配梁，搁墩上配置500 mm×400 mm的搁墩梁。左右幅支架及步履机布置立面图如图3所示。

图3 左右幅支架及步履机布置立面图

2.4 顶推工况分析及检算

根据顶推施工步骤，对左幅小节段在顶推过程中出现的工况进行分析。①钢箱梁顶推即将到达3号步履机时，2号步履机支墩所受反力最大，此时钢箱梁前端悬挑长为21.29 m；②钢箱梁顶推恰好离开1号步履机时，2号步履机支墩所受反力最大，此时钢箱梁后端悬挑长为22 m；③钢箱梁顶推即将到达4号步履机时，3号步履机支墩所受反力最大，此时钢箱梁前端悬挑长为22.69 m；④钢箱梁顶推即将到达5号步履机时，3号步履机支墩所受反力最大，此时钢箱梁前端悬挑长为13.84 m；⑤钢箱梁顶推恰好离开2号步履机时，3号步履机支墩所受反力最大，此时钢箱梁后端悬挑长为21.29 m；⑥钢箱梁顶推即将到达中部合拢处时，5号步履机支墩所受反力最大，此时钢箱梁悬挑长为17.42 m[4]。

对右幅小节段、左幅大节段、右幅大节段在顶推过程中出现的工况进行分析，分别出现五种、四种、四种情况。

采用Midas/Civil有限元软件建立单梁模型，考虑在顶推时荷载包括钢箱梁自重（含横隔板）、桥面防撞栏（偏心均布荷载）及温度荷载等因素的作用，从支座反力、应力、弯矩、剪力、远端位移等特性进行整体稳定性检算[5]。支座反力检算结果如图4～图7所示。

图4 左幅小节段支座反力

图5 右幅小节段支座反力

图6 左幅大节段支座反力

图7 右幅大节段支座反力

东侧大节段钢箱梁顶推时，最大反力值为396 t，西侧小节段钢箱梁顶推时，最大反力值为372 t，东侧步履机可承受的最大反力为800 t，西侧步履机可承受的最大反力为450 t，因此，配置的步履机满足使用要求[6]。

通过有限元软件检算，顶推过程中钢箱梁所受最大应力值为76.8 MPa（钢箱梁悬臂端最大挠度值为8.4 cm）。

查表可知，钢箱梁Q345钢材的许用应力为310 MPa，取1.5倍的安全系数，许用应力[σ]=206 MPa，大于钢箱梁的最大弯曲应力，因此，钢箱梁顶推过程中整体稳定，具有安全性、可靠性[7]。

2.5 曲线对顶推的影响分析

由于钢箱梁处于R=6 200 m的水平曲线上，因此，梁体呈现曲线线形，步履机呈直线布置。为了确保在顶推过程中钢箱梁底板加强位置始终处于步履机分配梁作用范围内，顶推前应对钢箱梁顶推过程产生的最大偏移量进行计算[3]。

由顶推支架图纸可知，步履机与合拢支架距离最大的是左幅西段1号步履机与合拢处支架，距离为97.11 m，根据几何关系计算横向最大偏移量为0.19 m。

每台步履机分配梁的宽度为0.40 m，足以保证钢箱梁在顶推过程中底板加强位置不会超出步履机分配梁作用范围，因此，可不考虑曲线因素对底板受力变化的影响[8]。

2.6 顶推施工监测控制

顶推施工监测控制主要目的是确保梁体的应力、线形与设计误差控制在合理的范围内，保证整体结构的施工质量和施工安全[9]。明确梁体顶推施工过程中的受力、变形情况，对保证工程质量和施工安全有重要意义[10]。

2.6.1 线形高程、轴线监控

采用精密仪器测量梁段在拼装、顶推施工时的高程、轴线、沉降、位移等线形特征值并分析参数误差，保证顶推过程中和到位后符合理论预期。

2.6.2 梁体内力监控

钢箱梁拼装完成后，采用振弦式应变计可简单、准确地进行桥梁应力监测，保证梁体应变在安全受力范围内。振弦式应变计的钢弦自振频率与张力的大小有关，钢弦几何尺寸确定后，振弦振动频率的变化量，可表征受力的大小：

式中：f——钢弦谐振频率；m——钢弦质量；Lw——钢弦长度；F——钢弦张力。

2.6.3 临时支架动态监控

支架受力监测主要是监控顶推过程中支架受力前后的墩柱轴向受力变化情况，结合墩柱承载能力区间，判断墩柱受力是否处于安全区间内，保证临时支架的结构安全[11]。

2.6.4 温度变化影响监控

桥梁表面和内部受环境温度的影响形成瞬时不均匀温度场，对桥梁的线型会产生重要影响，尤其在最大悬臂时，须对温度场进行长期监测，以控制温度对悬臂端标高影响。

2.6.5 几何形态挠度监控

桥梁施工过程中，挠度计算与控制是两个将要合拢的悬臂端达到设计期望标高线形的重要保证，影响桥梁整体质量与运营安全[12]。

3 顶推施工控制难点及策略

（1）钢箱梁在顶推过程中，每个顶推支架所受反力差异较大，即使同一支架上的2台步履机所受的反力也存在较大差异。因此，钢箱梁底部必须进行局部加强措施，保证步履机顶升点与梁底局部加强部位重合，控制梁底局部应力集中的影响。

（2）钢箱梁受预拱度变化的影响，每个支架的落梁高度变化较大，增加了顶推安全风险和纵断面线形控制的难度。施工时应实时监控每台步履机顶升压力值与位移值，及时调整每台步履机受到的顶升反力。

（3）钢箱梁在顶推过程中发生横向偏移超出许可位移时，必须及时进行纠偏。可在钢箱梁前端和尾端中线位置设置控制点，在每次顶推行程完成后检查钢箱梁是否偏移。由于本项目的钢箱梁在曲线上，其顶推运动轨迹应在同一圆弧上，此方法可较好控制顶推轨迹。

（4）钢箱梁顶推应做到同步顶升、同步前进、同步下降、全速后退，实现钢箱梁同步顶升脱离临时垫梁，同步前进到行程上限，同步下降到临时搁墩梁，全速后退到初始状态。循环以上动作，实现钢箱梁整体安全、高效顶推到预定位置[13]。

4 结语

在桥梁施工条件复杂、施工干扰因素多的环境下，可采用步履式顶推法进行施工。施工过程中加强各种顶推工况施工时的受力与变形分析，采取主动监测控制措施，可有效提高桥梁顶推施工的质量和整体安全。顶推施工控制策略在实践中的成功应用，对类似桥梁顶推施工具有指导意义。