钢桁梁自锚式连续顶推施工支架安全性研究

茆峰

中铁二十四局集团上海铁建工程有限公司 上海 200070

1 工程概述

京沪铁路昆山至陆家浜段改建工程改造范围为K1403+796-K1408+418，改建铁路的主桥位于DK1405+975处，主桥下方为青阳港三级航道，设计采用80m钢桁梁跨越青阳港航道。由于既有青阳港航道施工期间不断航，桥梁上跨处河道宽度为82m，通航空间狭小，不允许在航道中直接搭设支架，故钢桁梁架设采取岸上拼装，在钢桁梁前端设置36m导梁悬臂，采用自锚式连续顶推法施工架设钢桁梁，施工期间临时封闭航道。

2 施工方案

2.1 钢桁梁结构

钢桁梁结构为80m无竖杆整体节点平行弦三角桁架下承式钢桁梁，共8个节段，每个节段长度为10m，桁高为11.6m，两片主桁间距为11.8m。主桁采用栓焊结合的整体节点，在工厂内将杆件和节点板加工完成，运到工地架设。除桥面板和下弦杆顶板采用熔透焊接连接外，其余杆件均在节点外采用高强度螺栓连接。主桁、纵梁及横梁采用Q370qE钢材，桥门架及横联采用Q345qD钢材。

2.2 自锚式连续顶推法

80m钢桁梁采用自锚式连续顶推法顶推通过青阳港航道，通过将钢桁梁拼装支架与桥梁下部结构相结合形成顶推施工平台，钢桁梁下弦杆节点处设置滚动式重物移运器降低摩阻力，纵梁上设置锚固销孔，根据长行程千斤顶的工作原理，将一体化自锚式顶推千斤顶自动锚固于纵梁，形成自锚式的动力系统。一个顶推行程结束后，千斤顶自动松锚，回缩至下一锚固位置停止，自动锚固装置将锚钉插入纵梁销孔，千斤顶与纵梁再次形成整体进行下一个顶推循环。

80m钢桁梁采用“厂内分段制作+现场整体拼装+自锚式连续顶推法施工”，钢桁梁厂内制作完毕运至现场采用1台150吨履带吊拼装，在青阳港东岸设顶推支架，在支架上拼装钢桁梁结构。当钢桁架顶推至纵桥向设计位置后，再横向顶推至横桥向设计位置，最后落梁就位。

2.3 支架设计与施工

2.3.1 支架基础

陆地支架基础采用长×宽×高为110.5m×4m×0.5m的钢筋混凝土，在钢筋混凝土基础下方用级配碎石进行回填。南侧支架基础采用条形钢筋混凝土基础，基础间距为11.8m，底部用级配碎石进行回填，根据实际现场地面标高调整开挖厚度，对回填基础进行夯实，对于土体较差区域，加大开挖深度，使用级配碎石进行换填并进行压实，直至要求标高。砼基础采用C30混凝土，基础配筋采用上下两层钢筋，纵向钢筋为Φ12@30，横向钢筋Φ8@30。承台边支架直接利用桥墩承台作为钢管立柱基础。

2.3.2 陆地支架

陆地支架共82根钢管立柱，南北两侧各41根，横桥向两组立柱间距11.8m。钢支架横桥向每列共4根钢管立柱，两根组成一组，纵桥向间距5m。钢管长度6m，顶面标高为8.8m，钢管立柱顶面设置Ф800mm法兰盘作为纵横梁结构支撑面。钢管采用φ609×12mm的螺旋钢管，为增加支架结构稳定性，在钢管之间设剪刀撑，剪刀撑规格为16号槽钢。

2.3.3 水中支架

水中支架钢管桩基础采用φ630×12mm钢管，共设置10列，靠近桥墩侧纵向间距为3×3m+2.3m+1.7m，横向单侧3根一组，间距为1.5m，横桥向两组立柱间距为11.8m。单根钢管桩长度24m～27m，打入持力层2m以上。钢管桩之间设置上下两道剪刀撑，上下间距2.5m，剪刀撑规格为16号槽钢。

2.3.4 横梁

钢管顶面设置横梁，陆地钢支架横梁采用2根长2.5m的45号工字钢组拼，其中5道横梁采用整体横梁，横梁长度为14.5m，使支架结构形成整体，增强支架的稳定性。支架尾部用脚手架搭设平台，在其上方铺设钢丝网作为走道板，作为人行通道使用，并在两侧设置防护栏杆。水中钢支架横梁采用4根长4m的40号工字钢组拼，其中最前端3道横梁采用整体横梁，横梁长度为15.8m。横梁与钢管顶面连接部位采用全部电焊连接。

2.3.5 纵梁

在钢桁梁左右下弦杆下方各设置一根纵梁，两根纵梁之间间距为11.8m，纵梁上设置销孔用于自锚。在陆地钢支架上纵梁高×宽尺寸为500cm×600cm，水中钢支架上纵梁高×宽尺寸为700cm×600cm，纵梁腹板共4道，腹板采用钢板厚度为20mm，纵梁纵向每500mm设置一道横向筋板，采用钢板厚度为20mm，顶板采用30mm厚的钢板，纵梁所有连接位置设置在横梁上。在水中钢支架纵梁端头设置船头坡，船头坡的坡长为2m，前端比后端底3cm，使400t重物移运器在纵梁滑道上平顺离开。在接收水中钢支架处纵梁端头设置倒八字形端部，使重物移运器在中心线偏差在10cm都能顺利夹住纵梁。

3 安全性分析

3.1 计算信息

依据《钢结构设计规范》要求，钢结构结构柱顶水平位移最大值 H/500；依据《公路桥涵施工技术规范》，钢结构竖向位移最大值L/400；依据《钢结构设计规范》要求，钢管支架应具有必要的纵横向刚度，施工过程中应保证横向和纵向的倾覆稳定性，稳定系数应不小于 4.0[1]。

3.2 荷载信息

3.2.1 永久作用

钢桁梁自重计算容重采用78.5kN/m3。依据钢桁架拼装施工全过程有限元模型自动加载计算，由于模型与实际重量存在差异，通过自重系数调整为图纸重量，桁架为1056t，导梁为91.2t，重物移运器每个以2t计算。

3.2.2 风荷载

依据《公路桥梁抗风设计规范》可知，80米钢桁架桥桥址处百年一遇基本风速为28.6m/s，施工中结构计算的风速重现期按10年一遇计取。10年一遇的风速重现系数为0.84，则施工过程中计算风速为24m/s，经计算得：主梁风荷载为：FL=1.9kN/m。为计算方便主桁前排风荷载区1.5kN/m，后排风荷载取0.9kN/m；支架风荷载按线荷载布置，横向风荷载作用于有限元模型钢管单元，取值1.5kN/m[2]。

3.2.3 作用效应组合

依据《公路钢结构桥梁设计规范》和《钢结构设计规范》的相关规定，施工阶段考虑钢管支架结构自重、施工机具和人群临时荷载、施工期十年一遇风荷载，以及钢桁梁安装施工过程中作用于钢管支架的最不利荷载等。施工荷载除了有特别规定外均采用标准值，不同类型荷载组合时不考虑荷载组合系数。施工阶段的钢桁梁支架纵横向稳定计算，其构件自重效应分项系数取1.2[3-5]。

3.3 计算模型

采用有限元分析通用软件Midas Civil，建立桥梁钢结构三维有限元杆系模型，进行主梁、主桁等节段块体安装施工的全过程结构计算分析。钢桁梁与支架结构有限元分析模型如图1、图2所示。

图1 80m钢桁梁模型图

3.4 施工模拟

依据桥梁钢结构拼装施工流程，有限元软件结构计算基本完全模拟了钢桁梁桥梁安装工程的施工全过程。在最不利受力条件下结构变形dmax=2.85mm,支架最大组合应力σ=98.8MPa，钢管支撑最大组合应力σ=30MPa，纵梁最大组合应力σ=74.9MPa，结构变形及应力图见图3-图6。

图3 支架变形图

图4 钢管结构应力图

图5 支架应力图

图6 纵梁结构应力图

3.5 支架稳定性分析

综合施工阶段分析，顶推前施工阶段、顶推施工阶段工况下分别进行临时支架稳定性验算。根据施工实际情况，施工荷载为结构自重荷载、风荷载、施工机具人员等活荷载组成。根据有限元屈曲模态分析结果，一阶模态分析临界荷载系数为6.20，二阶模态分析临界荷载系数为6.24。

3.6 分析结论

根据规范可知，最不利受力条件下结构变形允许值为L/400=15mm，有限元计算结果在最不利受力条件下结构变形dmax=2.85mm，满足规范要求。支架及钢管支架厚度均小于16mm，查规范可知抗拉、抗压和抗弯应力允许值为215MPa，有限元计算支架最大组合应力σ=98.8MPa，钢管支撑最大组合应力σ=30MPa，小于允许值，满足材料强度要求。纵梁厚度为20mm-30mm，查规范可知抗拉、抗压和抗弯应力允许值为205MPa，有限元计算纵梁最大组合应力σ=74.9MPa，，满足材料强度要求。钢管支架应具有必要的纵横向刚度，施工过程中应保证横向和纵向的倾覆稳定性，稳定系数应不小于4.0，有限元软件屈曲模态分析一阶临界荷载系数为6.2，二阶临界荷载系数为6.24，大于规范要求。综上，有限元分析结果反映支架结构设计合理，理论分析结果满足规范要求，可按照理论分析结果制定并实施支架施工方案。

4 安全措施

4.1 支架基础

支架搭设前必须将支架区域及周边吊装场地内的耕植土清除完毕，压路机进行初步碾压，铺设一层厚度为20cm的级配碎石，再用压路机压实。地基处理完毕后必须进行承载力试验，地基承载力须达到250kPa以上。对于局部存在淤泥质土区域，应将全部软土挖除，使用级配碎石进行换填并进行压实，直至设计标高。支架砼基础采用C30混凝土，基础配筋采用上下两层钢筋，纵向钢筋为Φ12@30，横向钢筋Φ8@30。为避免基础被积水浸泡导致地基软化，基础周边必须设置排水沟，及时排除基础积水，如果位置较低无法排除，应设置集水坑，采用排水设备排除积水。

4.2 支架预压

由于钢桁梁杆件在工厂制造时，桁架结构进行了总拼预制，精度要求较高，必须确保钢桁梁在顶推过程中不发生形变。为此支架搭设完成后，需按照钢桁梁结构荷载的1.1倍进行预压以消除支架非弹性变形，同时测定支架结构弹性变形数值，为钢桁梁结构预拱度调整提供数据。支架预压采用沙袋进行，分级加上荷载。完成预压并卸载后，及时对支架顶面高程进行测量，对不满足要求的位置进行微调。在钢梁吊装过程中，随时监控支架的沉降情况，随时调整支架顶部钢桁梁线型竖向调整千斤，钢桁梁的线型即可满足设计要求。支架沉降观测数据每日整理上报，出现数据波动较大时应立即停止施工并对沉降数据较大的点加强观测，根据检测结果制定相应的措施。

4.3 拆装安全

钢桁梁架设到位后，采用液压千斤顶将钢桁梁整体顶起使钢桁梁与支架体系分离，再对拼装支架进行拆除作业，支架拆除顺序和拼装顺序相反，依次拆除人行通道、人行通道端横梁、纵梁、横梁及钢管立柱。支架拆除过程采用履带吊进行吊装拆卸，水中钢管采用70t履带吊和DZ90振动锤配合施工分段拔出，预先将焊接部位进行分割使构件独立，零星材料统一收集整理后吊下，大型构件需专人指挥吊装，并注意吊臂旋转方向，严禁向铁路方向旋转。其余构件均拆卸吊装至堆放场地，有序堆码。水中钢支架如无法拆除，采用高压水枪将钢管立柱四周淤泥冲刷完成后采用链锯将钢管进行切割，保证切割面在河床线以下200cm。

在支架拆除过程中，严禁非作业人员进入拆除危险区域。拆除支架的顺序严格按照“先装后拆、后装先拆”的顺序进行，由上到下逐步拆除，严禁上下同时进行拆除作业。在拆除支架的过程中，必须使用吊车缆索绑住杆件后再进行拆除。对于拆下的杆件，由吊车缓慢吊起放置于材料堆场，吊装期间拆除作业人员离开吊装区域，严禁边吊边拆。拆除细小部件时，严禁直接从高处抛掷。拆除作业人员应带好安全带，安全带做到高挂低用，严禁未佩戴安全带即进行拆除作业。

4.4 作业人员

支架搭设拆除人员必须持证上岗，进场前做好三级教育，不满足登高操作条件的人员如女性、未满18周岁或患有高血压、眩晕症等疾病等人员不允许参与登高安装拆除作业。每月必须开展安全教育培训，确保每名作业人员了解相应安全知识。拆除作业中需要动火作业，相关操作人员须持有特种作业资格证方可进行相应施工内容，严禁非持证人员动火作业。每年对施工人员开展体检，身体条件不满足高处作业要求的，及时对其转岗。为每名作业人员配备齐全安全防护用品，如安全帽、安全绳、劳保服、劳保鞋等，进入工地须穿戴整齐各类安全防护用品方可进场，未佩戴相关防护物品人员禁止进场进行安装拆除作业[6]。

4.5 施工条件

当遇到六级及以上大风或雨雪大雾天气时应停止支架搭设或拆除作业，待天气转好后方可进行作业。确保现场各类安全警示标志悬挂齐全，特别对于洞口、高处、动火等位置必须设置安全警示标志。在支架安装拆除作业时，对作业区域采用护栏或警示带等临时设施进行封闭管理，确保施工现场条件安全有序[7]。

5 变形安全监控

5.1 顶推施工支架监测及控制

在顶推施工准备阶段明确支架施工期间的变形控制目标、预警值及允许值，考虑到现在实际情况及有限元模拟计算结果，根据折算系数等确定控制值、预警值、允许值，水平、竖向变形预警值分别为5mm、7.5mm，水平、竖向变形允许值分别为10mm、15mm。当监测指标超过预警值时，应及时将情况反映给施工安全管理人员，避免支架发生严重事故。当全面排查消除隐患点后，先进行试顶推，变形满足要求方可继续顶推。当变形继续扩大，超过允许值时应立即停工，邀请专家对方案、现场措施等内容进行全面检验核算，查找出原因后方能复工，确保顶推过程中支架结构的安全。

5.2 支架变形监测结果

2019年12月顶推开始，准备阶段期间在5号、16号、20号、25号、45号、60号、75号、80号等支架上布置观测点，进行实时变形监测。监测频率为1次/10分钟，变形超过预警值监测频率提高为1次/2分钟，确保监测及时。由监测结果表1可知，8处支架变形监测点位移均未超过水平变形、竖向变形预警值，说明支架刚度、强度、稳定性均满足要求，支架方案满足施工需要。

表1 支架变形监测表 单位：mm

6 结论

1、京沪铁路昆山至陆家浜段改建工程自锚式连续顶推施工中，运用有限元软件分析支架各项力学指标如支架变形、支架应力、钢管局部应力、纵梁应力等内容，计算结果均满足规范要求，实际施工中也取得良好效果，说明支架方案在类似工程中可广泛推广应用。

2、支架施工中要注意“人机料法环”等安全影响因子，做好支架基础、支架预压、拆装安全、作业人员教育、合适施工条件等关键要素，确保支架施工安全。

3、顶推过程中对支架进行变形监测，监测结果显示支架变形未超过预警值，符合有限元计算结果，满足规范要求，支架方案合理。