高架桥钢箱梁顶推施工研究

陈亚娟

（山东高速畅通路桥工程有限公司，山东 高密 261500）

0 引言

20 世纪60 年代，委内瑞拉卡罗尼河桥首次成功利用顶推施工技术建设，其技术优势使该项技术广泛应用于世界建桥史中。20 世纪70 年代，我国在延安狄家河桥建设施工中，第一次使用了顶推施工工艺，该桥跨度为40 m，结构为钢箱混凝土预应力桥。以此为起点，我国在桥梁施工中，开始了对顶推施工工艺的应用，且应用技术实现了快速发展。现阶段，在城镇交通设施建设中，高架桥越来越多见，很大程度上改善了城市交通。但同时，城市高架桥建设环境通常处于交通繁忙地区，交通网络交汇，传统的施工方法受周边复杂环境限制较大，顶推施工技术则可以有效解决这方面的难题。近年来，高架桥钢箱梁结构应用广泛，钢箱梁具有自重轻、安装简便、运输便利等优势，可以提高高架桥施工效率和质量，因此，钢箱梁顶推施工技术在高架桥施工中的应用具有较高价值。该文以某跨地铁高架桥工程为例，分析高架桥钢箱梁顶推施工技术，为类似工程施工提供参考。

1 工程概况

某高架桥工程位于城市中心区域，工程线段存在与已建地铁4 号线重叠，须进行跨地铁施工。高架桥桥墩的Pm45#到Pm48#段为主线桥段，墩柱梁体结构采用钢墙梁结构，全长为89.9m，孔跨为三跨，分别为23.8m、39.2m、27m。在Pm46#-Pm47#跨部下有地铁轨道穿过，桥底距离轨道面净空高度大约为4.25m。钢箱梁制作选用Q345qD 钢板，质量大约为410t。在该部位钢箱梁施工中，采用个双导梁顶推施工工艺。

2 钢箱梁结构设计

该在该工程中，钢箱梁结构为单箱四室，具体的结构构成部分及组成示意如图1 所示。中心线梁高2m，箱体宽度13.8m，两侧挑臂宽度为2m，底板总宽10.6m，并与桥面设计2%双向横坡。钢箱梁纵向设计7 段，长度为7.05m～13.7m，横向六块，长度为1.9m～3.9m，共42 块。

图1 钢箱梁结构示意图

3 顶推施工技术

3.1 顶推施工方案

顶推系统构成包括液压顶推系统、滑移梁及轨道、滑靴等。具体来说，液压顶推系统主要由以下几个部分构成：液压顶推器、泵源、检测系统、控制系统。滑移梁设置：在施工两侧分别设置2 个，为箱型结构，发挥主要承力作用；中间位置设置2 个，为H 型结构，主要作为顶推器行走用的滑移轨道设置，不作为承力构件。滑移轨道设置：轨道材质为钢轨，型号为P43；轨道固定构件包括滑移梁、压板，其中，压板材质为钢板，大小为20mm×100mm×50mm，，分布在轨道的左右侧，间隔距离为30mm。滑靴设置：顶推施工的重要滑移工具，使钢箱梁在轨道中顺利推进，在轨道上要每隔6m 设置滑靴，其顶板要钢箱梁底板进行连接，采用牢固的焊接方式，操作中焊缝长度应当控制在50mm，间隔距离为100mm。顶推支墩设置：其主要作用是缩短顶推跨度，使施工中的正负弯矩变化可以在可控范围内，是施工过程中的主要承力构件，承受力主要是在钢箱梁本身的荷载以及在顶推过程中产生的摩擦力；该工程中，该部分设置设置在Pm46#和Pm47#墩的两边，包括钢管柱、横向分配梁、滑移垫梁，其中柱为直径630mm、壁厚10mm，分配梁为三拼40a 工字钢，垫梁结构为箱型，截面大小为600mm×500mm。在支墩布设完成后，再铺设一层聚乙烯板来减少滑移施工中产生的摩擦力。纠偏装置设置：该装置共设置3 对，分别在顶推的前部、中部和后部，主要是为了控制施工误差。

该工程吊装施工机器选型为汽车吊，施工方式为分段吊装，实际施工中，吊装施工最大施工幅度可达到14m，最小在7m，施工作业最高可承受30t 的吊装质量。在实际施工条件下，同时分析吊装起重作业量、吊机工作臂回转范围、起吊高度等因素，确定吊机选型。具体如下：单机作业能够满足工程需求，钢箱梁、索具以及其他质量总质量大约在31t 左右，因此单机起重量不能小于这一质量值；分析现场平面布置，并综合分析吊机站位及吊装顺序，起重机回转半径为14m；吊装为四点起吊法，吊索与水平面夹角60°，起吊时仰角70°，起重机高度大于30m。根据工程实际需求，该工程采用220t 汽车吊，起吊能力为71.5t～46.5t，主臂长30.8m，作业半径7m～14m，类型为单机吊。

钢箱梁各段中均在主隔板上方设置吊耳，其制作选用Q345 钢板，共设置4 个，如果施工中需要在其他位置设置，则通过焊接连接使其牢固。

根据公式（1）计算扣体。

式中：代表扣体直径，单位mm；取值12.8t，取值22.5mm，取值500MPa，取值45mm（D 型卸扣取值90mm）取值90mm。最终计算得出为28.7mm。

根据该工程实际，共配备2 台液压泵站，泵站型号规格选择TX-80-P-D，液压设置的额定压力在31MPa，流量为每分钟80L；功率设置在50kW 以上。

钢箱梁提升过程中，各个点位都需要设置千斤顶，该工程中共设置4 台，350t。设备型号选用YA-350-J，荷载额定值为3500kN；千斤顶的高度为1.77m，直径为0.635m，质量为2000kg，共32 根钢绞线设置的0.27m 直径孔。

导梁设置成钢桁梁结构，位置设置在主梁前部，二者连接构件为预应力钢筋。导梁的关键作用是能够有效降低顶推中在主梁前部处在最大悬臂状态时的结构应力，避免影响主梁的安全性。该工程中，导梁总长20m，材质为Q345 钢，总质量约26t，前端上翘方便上顶推支墩。

为防止顶推初期梁体倾覆，将临时墩布置在第一跨内；同时，为降低顶推跨度，提高顶推适用跨径，设置临时墩降低顶推中的梁体内力。该工程中设置2 个临时墩，并采用斜拉索与相邻永久墩或制作平座连接加固。

主要是进行钢箱梁现场再次制作的平台，包括梁体预制平台和平台内滑到支撑蹲。该工程制作平台采用刚性设计，整体框架结构，刚度、强度满足施工要求，高程准确、平台平整度良好，能够保证钢箱梁生产质量。

该工程共设置四道滑移梁，分别为箱型梁和H 梁，主承力构件为箱型梁，H 梁作用是为顶推器提供行走轨道。

3.2 顶推施工工艺

该工程中，由于上跨地铁轨道，因此选用顶推施工技术。钢箱梁顶推节段是第3-5 节，桥墩号从Pm46#到Pm47#。施工中，先用汽车吊对其他钢箱梁节段进行吊装施工，然后再进行滑移设备等设备的拼装，以及导梁、钢箱梁顶推段等，最后涂装防护设施；相关准备工作完成后，则开始进行顶推施工，完成高架桥的架设，避免在地铁轨道上部作业可能对其造成的不利影响。施工步骤如下。

首先进行顶推装置及临时设施的安装。滑移胎架分别设置在Pm41#到Pm43#两墩中间的梁上，以及Pm44#到Pm45#中间的地面上，根据实际需求设置临时支架。然后，在Pm41#墩到Pm43#墩的两边，进行顶推段钢箱梁的拼装，并完成导梁拼装；拼装完成后，进行防护措施安装，在Pm44#墩和Pm45#墩中间的支架上也进行导梁的安装，并与前部的钢箱梁焊机固定，然后再钢箱梁前后设置防护设施；降液压顶推系统、限位装置等设置在Pm41#墩的钢箱梁后端。

借助液压滑移系统，进行钢箱梁顶推，注意顶推施工时间需要在地铁运行的“天窗”期，即晚23：00 至次日凌晨5：00，顶推施工用时两个“天窗”期，去除清理时间后，每次施工时间限制在5h 内。在第一期施工中，顶推距离39m，导梁需要跨过Pm47#墩的支墩。在第二期施工中，继续顶推距离32m，与前期相加顶推距离总长度在71m，钢箱梁位置与设计相符。同时，在这一阶段施工中，须测量放样，并提前设置好限位挡板，在实际施工中，导梁达到限位挡板后则立即停止顶推。

顶推完成后，落梁系统主要是为了将导梁拆除，其安装位置在钢箱梁两边并将其提起；拆除滑移设施并清理干净，通过落梁系统，将钢箱梁落至设计位置完成施工。

在Pm45#-Pm46#、Pm47#-Pm48#墩之间安装临时墩，并将剩余钢箱梁第2-1 节段、第6-7 节段吊装施工。吊装施工完成后，拆除所有支架、安装剩余挑檐、防撞墙、防护罩等。

4 顶推施工关键部位安全分析

4.1 有限元计算

利用有限元软件Midas 进行安全计算，建立施工关键部位有限元模型，计算分析各部位施工受力变化，得到在最不利状态下的各项受力值，同时对比分析施工中监测值。顶推施工设计方案见表1。

表1 顶推施工设计方案

整理钢箱梁、导梁、支架系统相关材料参数，计算构件质量结果为钢箱梁412t、导梁28.5t、防护罩88.8t、防护栏199.8t。

共选择5 个重要阶段工况，见表2。

表2 钢箱梁顶推施工工况

各构件模型均采用杆系单元模拟，如图2 所示。

图2 结构构件模型

顶推施工中，支墩顶部承受荷载力最大，其所产生的墩顶支反力如果过大，则会直接造成施工安全风险。同时，千斤顶的施力也需要根据墩顶支反力来控制。在施工中，Pm46#墩和Pm47#墩承受了主要荷载，在顶推施工中，支墩墩顶支反力同样处于动态变化过程中。结果显示，工况1 向工况2 过渡中，Pm46#墩的墩顶支反力处于上升状态，并且在达到工况2 时达到最高值，为1492.5kN；此时，导梁部分尚且没有到达Pm47#墩，其与主梁形成的结构状态达到了最大悬臂状态；工况2 向工况3 过渡中，Pm46#墩的墩顶支反力持续在一个较高的水平中，并且在工况3 中，Pm47#墩开始受力，其所承受的支反力呈现出上升趋势，在工况4 达到了最大值1552kN。施工结束后，2 个主承力墩的墩顶支反力达到平衡状态。

工况2 中，导梁以及钢箱梁前部的挠度达到了最高水平，最大值分别为65.1mm、67.8mm；工况3 中，导梁、主梁的挠度开始呈现出向下趋势。钢结构设计规范要求其挠度值最大不能超过/400，其中，表示结构长度。以此为依据，该工程中的导梁挠度应当控制在75mm 以内，钢墙梁挠度应当控制在97.88mm 以内。根据实际数据与允许数值对比可知，在该施工中，导梁与主梁最大悬臂状况下的挠度值可控。

当顶推施工在工况2 时，导梁应力达到最高，最高值部位在导梁根部，应力值为102.4MPa；在施工到达工况4 状态时，钢箱梁应力值最高，最高值部位在钢箱梁中部119.8MPa。二者设计允许数值最大为210MPa，因此均为超出允许值，施工安全。

5 监测结果分析

该工程中，由于施工环境及场地等各方条件限制，将应变片布设在钢箱梁上部。监测点布置：导梁根部2 个，钢箱梁上部3 个，并每距离4m 布置3 个，共3 排；在钢箱梁中跨截面25.2m 处布置3 个，共14 个。

根据现场监测数据，与有限元模型计算结果对比，见表3。

表3 有限元模型计算结果与现场监测结果对比表am

从表3 可知，钢箱梁顶推施工中导梁、钢箱梁在现场实际监测中的所得数据均比模型计算所得结果数据更小，这表明现场实际施工能够控制各项应力值在规定范围内，保障施工安全。同时，在现场挠度监测中，在最不利工况中的导梁挠度最大为68.8mm，钢箱梁最大挠度为66mm。与模型计算相比，导梁的实际挠度要大，但在允许最大值范围内；钢箱梁挠度要小于模型计算结果，同样满足施工安全要求。

6 结语

高架桥钢箱梁施工是一项非常复杂的施工工艺，需要各方协调配合、精准控制，才能保障施工安全。在该工程中，由于工程跨城市地铁轨道，施工限制条件较多，对施工安全稳定提出了更高的要求。通过合理制定顶推施工方案，优化施工设计及施工设备选用，有效保证了顶推施工的顺利进行。同时，通过有限元分析及现场监测结果显示，顶推施工中导梁、钢箱梁应力、挠度等相关安全指标均在规范允许范围内，表明该工程采用顶推施工具有较高安全性、稳定性，钢箱梁顶推施工优势显著。