澳门大学连接横琴口岸通道桥钢箱梁顶推施工关键技术研究

吕舜

摘要：为研究钢箱梁顶推施工关键施工技术，依托澳门大学连接横琴口岸通道桥钢箱梁顶推施工案例，详细介绍步履式顶推施工技术的工艺流程，采用有限元数值模拟顶推过程中结构在不同工况下的强度，并进行稳定性验算。数值计算表明，不同工况下钢箱梁和导梁的强度和稳定性均满足顶推安全要求。

关键词：钢箱梁；顶推施工；桥梁工程；稳定性

0   引言

钢箱梁具有结构自重小、抗拉强度高、施工快速方便以及抗震性能优越等优点[1-4]。针对复杂环境下大跨长联钢箱梁顶推施工工艺，冯文园[5]依托临猗黄河大桥分析了钢箱梁顶推施工关键技术，认为合理配置钢导梁各段截面特性，可有效保证导梁受力均匀，达到截面最优化效果。熊斌等[6]创新的采用BIM技术研究了新型BIM设计技术在钢箱梁顶推施工中的应用，为类似工程提供新的设计指导。易善德等[7]研究了双向超宽变腹板钢箱梁顶推新工艺，结果表明，采用文中的新工艺可以有效提高施工效率，节约工程造价。

深入分析钢箱梁顶推施工关键技术具有非常重要的工程意义[8-9]。相对于传统的拖拉或者推动式顶推法，步履式顶推法可以显著改善梁体受力的均匀性，提高施工精度。本文依托澳门大学连接横琴口岸通道桥钢箱梁顶推工工程，系统分析钢箱梁顶推法在桥梁工程的应用，在此基础上建立数值计算模型，系统研究了顶推法在不同工况下的强度和稳定性。

1   工况概况

本项目位于澳门莲花大桥南侧，连通莲花大桥与澳门大学横琴校区，项目竣工后可以实现澳门大学横琴校区与内地的互联互通。桥梁全长529.3m，分为A、B匝道，其中钢箱梁部分为A、B匝道合并段。结构形式为单箱三室等高简支梁，跨径75m，梁高3.75m，桥面宽17m，底板宽13m，左侧挑翼宽2.5m，右侧挑翼宽1.5m，采用单箱三室截面。

全桥材质为Q345qC钢，顶板和底板厚度均为20mm，腹板厚度均为14mm，两端支座处顶、底板厚度为16mm，腹板加厚至24mm。顶板采用U型和I型加劲肋，间距600mm，底板采用I型加劲肋，间距300mm。腹板采用I型加劲肋，挑翼采用倒T型和I型加劲肋。全桥桥面为双向横坡2%，底面无横向坡度。钢箱梁采用工厂预制，现场采用步履式顶推架设法施工。钢箱梁顶推施工平面图如图1所示。

2   施工思路及重难点分析

根據钢箱梁生产与现场施工特点，钢箱梁采用工厂分段及分块加工制造，然后对运输到现场的拼装支架进行焊接。考虑到在不影响交通状况的情况下，便于施工组织和管理等因素，本工程综合采用步履式顶推施工工艺将钢箱梁顶推至桥位。根据项目的要求，存在以下重点和难点：

为保证顶推结构整体刚度和跨度，顶推施工除了永久荷载以外，还存在大量密集的顶推临时结构，这些临时性的器械增加了顶推重量，增大了施工难度。

顶推施工范围内存在大量的通信光缆、电缆及管网，施工时需保证电力管线等的绝对安全。钢箱梁顶推距离长，需频繁倒换垫块，对顶推设备的控制要求较高。项目南侧毗邻澳门大学，对防尘防噪及安全文明施工要求高。

3   钢箱梁顶推工艺

3.1   顶推施工支架系统组成

顶推施工支架体系设计考虑施工工艺、钢箱梁分段和拼装需求，由拼装支架与顶推支架组成。拼装支架高度约为8m，采用4管（2×2）布设，管中距为13m×18.8m，主管采用Φ630×8钢管，平联和支撑采用H型钢HN400×200×8×13，上部分配梁采用H型钢HM588×300×

12×20双拼，搭配321型贝雷片组成；顶推支架高度约为7.6m，采用8管（2×4）分布，主管采用Φ630×8钢管，平联和支撑采用H型钢HN400×200×8×13，上部分配梁采用H型钢HM588×300×12×20双拼组成。

3.2   钢箱梁顶推之前准备工作

桥跨顶推采用边顶推边安装钢箱梁的工艺，分次安装和顶推。导梁焊接完成后，即可开始箱梁顶推施工。其中，箱梁顶推之前的准备工作如下：拼装平台和临时墩搭设完成后，安装顶推设备；在临时墩上对顶推设备进行调试，检查传感器是否工作正常；检查各顶推面是否全部脱开。

3.3   钢箱梁顶推施工步骤

顶推法施工流程如图2所示。在临时墩和拼装支架上安装顶推设备并完成调试，在拼装支架上完成钢箱梁拼装。将导梁吊装至支架图示位置与钢箱梁焊接成整体。将钢箱梁往前顶推12m，顶推过程中保证箱梁腹板始终在顶推设备纵向中心线±100mm范围内。

重复以上顶推步骤，将钢箱梁顶推到设计里程，拆除导梁，根据现场测量数据，对钢箱梁进行纠偏，调整到位完成落梁。

3.4   钢箱梁顶推施工注意事项

为避免钢箱梁的横向偏移超差，顶推过程中对钢箱梁的中轴线进行实时监控，及时调整限位装置，使钢箱梁的偏移始终被限制在误差范围内。

顶推过程中钢箱梁的受力状态与成桥时受力状态完全不同，整个顶推过程的监控应以支反力控制为主，标高控制为辅的原则进行。每轮顶推前依据监控指令，明确该轮顶推钢箱梁所经墩台的竖曲线变化范围（即标高变化值）及钢箱梁允许支反力（即墩台的许用压应力）变化范围。同时明确各顶推工况条件下临时垫墩标高。

钢箱梁线型对临时墩结构布置及其上方的设备行程和反力座垫板高度影响较大，顶推过程中，应根据设备受力与计算结果比较、临时墩反力座顶面与钢箱梁底的接触和间隙情况，对设备顶面和反力座垫板高度进行调整，以适应和较小钢箱梁线型的影响。

4   钢箱梁顶推强度及稳定性验算

4.1   数值模型建立

为验算顶推过程中材料的强度及结构稳定性。本文采用有限元数值模拟，对顶推过程中结构强度和节点反力进行计算。数值模拟中钢箱梁和导梁结构采用beam单元。模型各部分装配采用固定节点约束进行模拟。模型共91455个节点和110420个单元。具体的强度验算工况如表1所示。

4.2   计算荷载

4.2.1   自重及风荷载

根据结构设计单幅钢箱梁自重860t，导梁自重41t。根据《公路桥梁抗风手机规范》，横桥向风作用下，主梁单位长度上顺风向等效风荷载的计算方法为：

（1）

（2）

式中：ρ为空气密度，单位为kg/m3；Ug为等效静风速度；D为主梁特征高度，单位为m；B为主梁特征宽度，单位为m；CH为横向力系数。

计算得到横桥正常工作状态下Fg=909.6N/m；横桥非正常工作状态下Fg=8677N/m；风向下吹时，正常工作状态下Fg=3695N/m；风向下吹时，非正常工作状态下Fg=33458N/m。

4.2.2   计算结果与分析

不同工况钢箱梁和导梁验算结果根据有限元的计算结果见表2。工况6钢箱梁应力云图见图3。工况6钢箱梁竖直方向位移云图见图4。工况8导梁应力云图见图5。工况8导梁竖直方向位移云图见图6。

在工况6时钢箱梁的最大应力为67.5MPa，≤[σ]=

250MPa，在工况8时导梁的最大应力为110.1MPa，≤[σ]=

250MPa，导梁头部最大竖向位移为23.3mm。因此钢箱梁和导梁强度和稳定性均满足顶推安全性要求。

不同施工階段导梁两侧挠度变化规律见图7。从图7可以看出，左侧导梁和右侧导梁在个施工阶段的最大挠曲变形分别为96mm和58mm。其中左侧导梁的最大挠度发生在施工阶段1到施工阶段2过程中，而右侧导梁的最大挠度发生在施工阶段3到施工阶段4的过程中。

总体来看，左右两侧导梁在施工不同阶段均有不同程度的变形，但变形均属于弹性变形。当施工结束时，导梁两侧的挠度均恢复到初始状态，因此施工的安全性是可以保证的。

5   结束语

本文依托澳门大学连接横琴口岸通道桥钢箱梁顶推施工案例，详细介绍步履式顶推施工技术的工艺流程，采用有限元数值模拟顶推过程中结构在不同工况下的强度，并进行稳定性验算。数值计算表明，不同工况下钢箱梁和导梁的强度和稳定性均满足顶推安全要求。

参考文献

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[2] 赵慧军.大跨径钢箱梁顶推安装施工技术[J].安装，2022

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[4] 杨勇，朱志军.大跨径桥梁工程中钢箱梁顶推施工技术应

用难点探讨[J].中国水运（下半月），2016，16（11）：195-196.

[5] 冯文园.复杂环境下大跨长联钢箱梁顶推施工设计研究[J].

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[6] 熊斌，虞志钢，马明等.BIM技术在钢箱梁顶推施工中的应

用[J].建筑结构，2022，52（S1）：1968-1972.

[7] 易善德，王德怀，文定旭等.双向超宽变腹板钢箱梁顶推施

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[8] 陈亚娟.高架桥钢箱梁顶推施工研究[J].中国新技术新产

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[9] 张凯.市政道路钢箱梁桥顶推设计与施工工艺研究[J].工

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