顶推通道上一座大桥桥梁方案研究

张科峰

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

自1959年奥地利的阿格尔桥首次成功采用顶推施工以来，顶推已成为桥梁施工中一种常用的成熟工法，在桥梁建设中发挥了巨大的作用。顶推法的构思来源于钢梁的纵向拖拉施工法。顶推法用水平千斤顶取代了卷扬机和滑车，用板式滑动支座取代了滚筒，改善了由于卷扬机和滑车组启动时造成的冲击和滚筒的线支撑作用引起的应力集中。

在我国，陕西的耿家河桥首次采用顶推施工之后，陆续已有上百座桥梁采用，为该工法在我国的应用与创新积累了丰富经验。顶推施工最初适用于直线桥梁，到现在已发展到曲线连续梁、变高度连续梁、简支钢桁梁、拱桥、斜拉桥主梁、自锚式悬索桥加劲梁等多种结构类型的桥梁。

顶推施工时，对桥下既有公路、铁路、水运的正常通行基本不影响或干扰较小，不需要大型起吊设备和大量脚手架，大幅减少高空作业，特别适合跨越公路、铁路、既有线、航道、大堤以及重要建筑和复杂地形的桥梁。

1 项目概况

临猗黄河特大桥及引线工程是国高网菏宝线（G3511）的重要组成部分，也是山西省高速公路规划网的重要段落，是山西省西通陕西省渭南、西安两市，达陕、甘、宁等地，东抵河南省济源市，连接豫、鄂、皖等地的重要通道，是一条出省的康庄大道。临猗黄河特大桥桥型概略图见图1所示，结构局部效果图见图2。

图1 临猗黄河特大桥桥型概略图（单位：cm）

图2 临猗黄河特大桥局部效果图

1.1 地形地貌

本次研究的大桥位于临猗黄河特大桥引线，为跨越黄土冲沟而设，桥位东侧桥台处（小桩号侧）为宽缓的山梁，冲沟坡度约45°，高差约80 m；西侧桥台（大桩号侧）位于细长的山梁上，冲沟坡度约45°，高差约50 m，整体上坡陡沟深，地势变化剧烈。

1.2 水文地质

桥址区地下水主要为松散岩类孔隙水，以大气降水及地表水渗透为主要补给方式，以蒸发为主要排泄途径。地下水埋藏较深，勘察期间内未揭露稳定地下水位。地下水对工程的影响较小。

1.3 地层岩性

根据工程地质调绘及钻探，桥址区地层为：第四系全新统冲洪积（Q4）粉土、新生界第四系上更新统（Q3）粉土及第四系中更新统（Q2）粉土、粉质黏土，下更新统（Q1）粉细砂、粉质黏土、粉细砂及第三系（N）粉砂、粉质黏土。

1.4 不良地质及特殊性岩土

桥址区无不良地质。桥位处特殊性岩土为湿陷性黄土，根据地勘资料，湿陷类型为非自重湿陷，湿陷等级为Ⅰ级（轻微），湿陷深度为12 m。

1.5 地质构造与地震

桥址区无活动构造，区域稳定性较好。根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015），桥址区地震动峰值加速度为0.15g，地震动反应谱特征周期为0.40 s，抗震设防烈度为Ⅶ度。

1.6 场地稳定性评价

根据工程地质调绘及《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015），桥址区无活动构造，区域地质稳定性较好，地表下20 m范围内的土层综合评定为Ⅲ类场地。两侧桥台位于宽缓山梁上，整体稳定性较好。

1.7 设计标准及桥梁线型

a）荷载等级 公路Ⅰ级；b）桥面净宽 2×11.5 m；c）地震动峰值加速度 0.15g，抗震设防烈度Ⅶ度，抗震措施等级三级[1]；

d）桥梁线型 平面分别位于缓和曲线（Ls=225）+圆曲线（半径：2 000 m，左偏）；纵断面在R=33000的凸形竖曲线上。

2 方案研究总体思路

本桥在初设阶段已就路基和桥梁两个方案分别从造价、环保、征地等主控因素方面进行过综合对比，比较后推荐采用桥梁方案。桥位处于陕西侧临猗黄河特大桥顶推通道，本桥的设置除应满足正常桥梁功能外，施工期重点应保证黄河特大桥的顶推施工，这是施工期的关键点。基于此出发点，才引出本次方案的研究与比选。

按照高跨比及以往项目设计经验，本桥设置40 m跨径比较适宜，同时优先采用标准化、系列化、通用化的预制拼装结构，力求安全、耐久、适用、环保、经济和美观[2]。设计过程中，建设单位提出尽可能采用“永临结合”构件，以降低工程造价，这也是本次方案研究需重点考虑的方向。综上所述，本次方案研究按图3考虑。

图3 桥梁方案图

3 方案比选

3.1 预制梁方案

3.1.1 预制箱梁

3.1.1.1 工序组织

本方案基于建设单位提出的“永临结合思路”：先架设预制箱梁，以预制梁（简支状态）作为顶推平台，待黄河特大桥顶推结束后，落梁，施工剩余下部结构，施工完成后再重新吊梁安装箱梁。由于黄河桥顶推所需空间问题，本桥下部结构需进行两次施工，即先期施工至顶推平台标高，后期顶推结束后再施工至设计标高，主要施工工序图见图4。

图4 施工工序图

3.1.1.2 主体构件结构验算

根据本方案思路，利用Midas Civil建立有限元模型，进行结构分析验算。荷载主要考虑预制箱梁、顶推平台分配梁、黄河桥上部钢箱梁等上部恒载和其他施工荷载；工况考虑最不利状况下钢箱梁作用在一跨40 m预制小箱梁上，即中支点处40 m长度钢箱梁作用在一跨小箱梁上；极限承载力按单梁简支状态计算，横向分布偏安全考虑。受力简图见图5，有限元模型见图6，计算结果见表1。

表1 预制小箱梁承载力验算结果表

图5 结构受力简图

图6 有限元分析模型

由计算结果可知，小箱梁作为顶推平台在施工过程中极限弯矩承载力Mu小于弯矩设计值M，极限抗剪承载力Vu亦小于剪力设计值[3]。因此，本方案中预制小箱梁抗弯、抗剪均不能满足规范要求，施工期间箱梁开裂、损伤严重，故不能再用于永久性结构。

3.1.2 预制T梁

3.1.2.1 工序组织

T梁本身重心高，简支状态下抗倾覆能力弱，而本桥桥梁线形与黄河桥顶推通道轴线横向存在偏位（0.3～2.81 m），若仍采用将预制梁作为顶推平台，则需加强对T梁的临时稳定措施，钢箱梁体量较大，偏载弯矩大，T梁横向稳定性较难满足。同时鉴于预制箱梁的验算结论，因此，本方案不再考虑将上部结构临时使用，重点考虑将下部结构“永临结合”。桥位处顶推轨道与桥位平面布置图见图7，桥墩一般构造见图8。桥墩构造中为满足顶推设置安装空间，在墩身两侧增加了牛腿。

图7 桥位与顶推通道平面布置图

图8 桥墩一般构造图

施工工序与上述预制箱梁基本一致，即：

a）开挖边坡并做好防护，完成桩基、承台施工，桥墩施工至顶推平台标高处。

b）搭设黄河桥顶推平台所需拼装支架结构，并对本桥桥墩处做好相应防护措施。

c）完成黄河桥顶推施工后，拆除顶推平台，继续施工本桥剩余下部结构。

d）架设上部T梁，完成结构体系转换，施工桥面铺装及附属设施。

3.1.2.2 主体构件结构验算

本方案主要利用下部结构进行顶推施工，因此计算主要是对桥墩的验算。荷载主要考虑黄河桥上部钢箱梁、顶推平台组件、桥墩自重等上部恒载和其他施工荷载；工况考虑最不利状况下钢箱梁作用在一跨40 m预制T梁上，即中支点处40 m长度钢箱梁作用在一跨T梁上；顶推时产生的水平力根据施工单位采用的实际施工方式，摩擦系数μ取0.05，并考虑纵坡、横向偏载影响。计算结果见表2所示。

表2 桥墩承载力计算结果

3.2 现浇梁方案

3.2.1 工序组织

本方案的提出依然是以“永临结合”为出发点，考虑利用黄河桥顶推支架作为现浇箱梁的支架，完成上部箱梁的现浇。主要施工工序如下：

a）开挖边坡并做好防护，完成桩基、承台施工，桥墩施工至顶推平台标高处。

b）搭设黄河桥顶推平台所需拼装支架结构，并对本桥桥墩处做好相应防护措施。

c）完成黄河桥顶推施工后，拆除顶推平台并拼装至现浇梁底标高，作为现浇梁支架使用。继续施工本桥剩余下部结构。

d）进行支架预压后施工现浇箱梁，待混凝土强度达到90%后，张拉预应力钢束。

e）安装支座，拆除支架，施工桥面铺装及附属设施。

3.2.2 主体构件结构验算

本方案上部结构主要为现浇箱梁，下部主要构件为支架。现浇箱梁的计算亦为常规验算，支架的计算因涉及内容较多，由施工单位完成，限于篇幅本次计算部分不再赘述。经计算分析，主要构件验算均满足规范要求。上部构造典型横断面图见图9。

图9 现浇箱梁典型横断面图（单位：cm）

3.3 比选结果

综上所述，3个方案都体现了建设单位“永临结合”的思路，除方案1外，其余两个方案主要构件计算均满足要求，理论上方案2、方案3都成立。但方案3经与施工单位沟通，由于黄河桥工期有限，现场拆除顶推支架再加高拼装至现浇箱梁支架标高，除了时间上无法保证，现场搭设现浇箱梁支架也较困难[4]，同时增加了高空作业风险，因此本方案也被排除。最终剩余预制T梁方案作为推荐方案。

4 方案优化

4.1 桥跨优化

根据确定的推荐方案，再次考虑对其进行优化。桥位处为“V”型冲沟，坡陡沟深，桥墩承台采用左右幅整体式，体积较大，若将桥墩设置在沟底，则汇水对基础及坡面冲刷将加大。桥址区地质情况较差，长期雨水冲刷下容易破坏坡面防护，甚至危及临近桥墩安全，因此优化阶段考虑墩底不设桥墩。同时为减少桥台处开挖，将边跨调整为30 m，但梁体外形尺寸与40 m一致，以方便施工。为了更好利用桥台处弃渣，考虑将沟底填平，既能方便黄河特大桥顶推支架搭设，也能增加本桥墩台稳定性。原方案中桥墩处为满足顶推设备安装增加了牛腿，经与施工单位研究优化后，取消了牛腿设置，墩型更加美观、协调，施工也更加方便，缩短了工期。优化后桥型总体布置见图10所示。

图10 优化方案桥型总体布置图（单位：cm）

4.2 临时钢管墩优化

根据临时钢管墩受力模式，分别建立2排10根和3排15根两种模型。同时，考虑实际施工中钢管墩的依附，分别对依附永久墩和不依附两种工况下桥墩的受力进行了验算，结果均满足规范要求[5-6]。根据临时钢管墩验算结果，偏保守采用受力计算不依附，实际施工依附永久墩模式。有限元模型简图见图11～图13。

图11 3排钢管柱模型图

图12 2排钢管柱模型图

图13 2排钢管柱依附永久墩模型图

5 结语

本文以一座黄河特大桥顶推通道上的大桥为例，本着“优先保证黄河特大桥钢箱梁顺利顶推”和“永临结合”的思路，分别提出了预制箱梁、预制T梁和现浇箱梁3种桥梁方案。对顶推施工及永临构件间相互衔接、利用的工序进行了论述，并对各工况下主要构件进行了计算分析。计算结果表明，除预制箱梁计算不满足要求外，预制T梁及现浇箱梁方案均满足规范要求，但受制于现场施工条件，最终推荐了预制T梁方案。

对推荐方案又分别从桥孔布置及临时墩柱两个方面进行了优化，优化后桥梁不仅受力更为明确合理，施工也更加方便，总体上提高了桥梁安全度的同时降低了工程造价。本次桥梁方案的研究，可供同类型桥梁的设计与施工借鉴和参考。