跨鐵路鋼主梁頂推施工技術(shù)及全過程受力分析

韓玉霞

（山西省公路局 長治分局，山西 長治 046000）

1 工程概況

主橋采用獨(dú)塔雙索面疊合梁斜拉橋，跨度布置為2×140 m=280 m，下部結(jié)構(gòu)2號(hào)墩為獨(dú)塔，主塔采用花瓶形橋塔，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，塔高106 m，整個(gè)高度方向設(shè)上、中、下3道橫梁。塔柱均為矩形空心截面，其順橋向尺寸為5.5～6.5 m，上塔柱和中塔柱橫橋向尺寸均為3.2 m，下塔柱橫橋向尺寸為3.2～5.0 m。

主梁全長為279.4 m，梁高2.6 m，斷面采用鋼邊主梁結(jié)合橋面板的整體斷面，橫向共兩處邊主梁，兩主梁橫向中距28 m，主梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長12 m。橫梁標(biāo)準(zhǔn)間距為4 m，單個(gè)橫梁橫向3個(gè)節(jié)段進(jìn)行拼裝。橋面板為27 cm等厚度部分預(yù)制橋面板，端部橋面板厚度為50 cm，橫向分兩塊，縱向按橫梁間距劃分，預(yù)制板之間通過橋面現(xiàn)澆濕接縫連接。斜拉索采用雙索面扇形布置，下端通過錨拉板錨固于主梁頂面。

小里程側(cè)主梁上跨4條既有線路，施工采用頂推方式[1]進(jìn)行，該側(cè)拼裝115.2 m鋼梁，頂推過鐵路既有線，為了減小對(duì)鐵路的干擾，剩余29 m采用吊車支架拼裝。

圖1 橋型布置圖（單位：cm）

圖2 橫斷面布置圖

2 總體施工方案

小里程側(cè)上跨既有線路部分采取先在引橋處搭設(shè)支架拼裝[2]，再以頂推方式將鋼梁架設(shè)到位；大里程側(cè)上跨洪溝部分，采取搭設(shè)支架，直接在設(shè)計(jì)位置拼裝鋼梁。鋼梁跨越鐵路，施工期間需要封道，考慮到頂推施工對(duì)鐵路的影響，須盡量減小跨鐵路頂推的時(shí)間，因此考慮占用引橋部分作為拼裝導(dǎo)梁區(qū)域，增加一次性拼裝頂推的梁段數(shù)量。拼裝支架按照鋼邊主梁節(jié)點(diǎn)間距布設(shè)，同時(shí)在N01墩與1號(hào)墩中間位置設(shè)導(dǎo)梁拼裝支架[3]，頂推過程中承受鋼梁重力。小里程頂推施工區(qū)域臨時(shí)墩共5個(gè)（P1～P5），其中在第一跨鐵路間共3個(gè)（P3～P5）；臨時(shí)支墩及過洪溝部分拼裝支架基礎(chǔ)采用鉆孔樁基礎(chǔ)，其余拼裝支架基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。

圖3 頂推場地布置圖

該項(xiàng)目頂推施工工藝采用多點(diǎn)連續(xù)頂推法[4]（簡稱拖拉法），拖拉法通過張拉千斤頂牽拉鋼絞線，拖動(dòng)梁段在臨時(shí)支墩頂設(shè)置的滑道上滑移，牽引梁體安裝就位。頂推施工需要設(shè)置滑道系統(tǒng)（四氟滑板、鋼墊梁等）、牽引系統(tǒng)（穿心式連續(xù)液壓千斤頂、頂推反力架、牽引索、拉錨器等）和豎向調(diào)節(jié)系統(tǒng)（豎向千斤頂、鋼墊塊）等。在搭設(shè)好的拼裝平臺(tái)上拼裝導(dǎo)梁及鋼梁分段，在第1個(gè)分段上設(shè)置后錨點(diǎn)，在開發(fā)區(qū)側(cè)原位拼裝好的鋼梁第一個(gè)梁段上設(shè)置反力架，安裝拖拉設(shè)備并完成調(diào)試，進(jìn)行頂推。

圖4 頂推場地布置圖

3 頂推施工流程

主梁頂推方向?yàn)樾±锍滔虼罄锍添斖?，主要頂推步驟如下：

a）第一步 首先施工小里程方向1號(hào)邊墩及引橋下部結(jié)構(gòu)施工。

b）第二步 在1號(hào)邊墩及引橋范圍內(nèi)搭設(shè)拼裝支架及頂推支架。鋼梁每個(gè)節(jié)段分5個(gè)單元進(jìn)行組拼，即2個(gè)縱梁節(jié)段和3根橫梁。橫梁提前在存放區(qū)拼裝成整根。拖車運(yùn)至現(xiàn)場。由吊車起吊拼裝。各單元之間采用高強(qiáng)螺栓連接。

c）第三步 在1號(hào)邊墩及引橋N01～N03墩范圍拼裝鋼梁節(jié)段及導(dǎo)梁，分3次拼裝頂推，先拼裝鋼梁48 m+導(dǎo)梁32 m。

d）第四步 第一次鋼梁拼裝完成后，在6個(gè)支墩上設(shè)置24臺(tái)200 t豎向千斤頂將鋼梁及導(dǎo)梁頂起，安裝滑道，落梁將鋼梁及導(dǎo)梁落在滑道上。

e）第五步 將該部分鋼梁向大里程方向頂推36 m，使導(dǎo)梁前端落在P3臨時(shí)支墩上，需要4～5個(gè)小時(shí)跨越既有線。

f）第六步 第一次鋼梁頂推到位后，進(jìn)行第二次鋼梁拼裝。該次拼裝36 m，向大里程頂推36 m，導(dǎo)梁前端落在P4臨時(shí)支墩上。

g）第七步 第二次鋼梁頂推到位后，進(jìn)行第三次鋼梁拼裝。該次拼裝31.2 m。并對(duì)鋼梁進(jìn)行調(diào)整，作好各種準(zhǔn)備工作，連續(xù)頂推到達(dá)P5臨時(shí)墩。對(duì)鋼梁進(jìn)行調(diào)整后，繼續(xù)向前頂推29 m達(dá)至鋼梁最前端到達(dá)P5臨時(shí)墩，拆除導(dǎo)梁，后再頂推至設(shè)計(jì)位置。

h）第八步 剩余29 m3節(jié)鋼梁，采取支架上拼裝鋼梁。與兩側(cè)鋼梁合攏，拆除滑道、落梁，調(diào)整至設(shè)計(jì) 位置。

圖5 頂推場地布置圖

4 受力分析

4.1 鋼導(dǎo)梁受力分析

導(dǎo)梁由兩片等高度工字形實(shí)腹板鋼板主梁組成，橫向中心距28.8 m，導(dǎo)梁縱向長32.0 m，高度與鋼梁兩側(cè)腹板對(duì)應(yīng)一致。導(dǎo)梁根部高度為2.1 m，前端4 m底板逐漸抬高1 000 mm，便于導(dǎo)梁上墩。工字形鋼板主梁頂、底板厚度30 mm，翼板寬度600 mm，腹板厚度20 mm，設(shè)置有12 mm厚的橫向加勁肋和12 mm厚的縱向加勁肋。兩片主梁之間設(shè)有圓管組成的橫向聯(lián)系和上、下平面聯(lián)系，將整個(gè)導(dǎo)梁形成整體，其中弦桿采用H250×125×6×9，斜撐采用P114×4。導(dǎo)梁重量后端約12 kN/m，前端重量約10 kN/m。

圖6 臨時(shí)支架分析模型

表1 鋼導(dǎo)梁主要計(jì)算參數(shù)表

考慮第P4、P5臨時(shí)墩之間跨度最大，導(dǎo)梁到達(dá)第P4臨時(shí)墩時(shí)繼續(xù)前移至導(dǎo)梁尾部到達(dá)第P5臨時(shí)墩，導(dǎo)梁會(huì)出現(xiàn)最大受力[5]。采取將導(dǎo)梁前端到達(dá)第P5臨時(shí)墩后，每移動(dòng)2 m間隔進(jìn)行全過程分析[6]（縱向移動(dòng)16次32 m，導(dǎo)梁尾部達(dá)到第P5臨時(shí)墩進(jìn)行計(jì)算）。導(dǎo)梁彎矩圖、導(dǎo)梁剪力圖如圖7。

圖7 鋼導(dǎo)梁頂推全過程受力分析

由導(dǎo)梁彎矩圖中可知，當(dāng)導(dǎo)梁尾部接近P5臨時(shí)墩時(shí)受力最大，根部最大彎矩為9 562.5 kN·m，根部最大剪力為1 098.9 kN，導(dǎo)梁應(yīng)力驗(yàn)算：

σmax=Mmax/（γx×Wx）=9562500000/（1.05×50646130.3） =179.8 MPa ＜1.25[σw]=1.25 ×200=250 MPa，

τ=Vmax×Sx/(Ix×Tw)=1098900 ×2930290/（53532959774.0 ×20）=30 MPa＜1.25[τ]=1.25 ×125=156 MPa。

即導(dǎo)梁的最不利受力滿足要求。

4.2 鋼主梁頂推最不利受力分析

鋼梁總重量為2 661 t，每延米重2 661/279.4=9.524 t，考慮高強(qiáng)螺栓及部分臨時(shí)荷載，頂推重量按10 t/m進(jìn)行計(jì)算，每片主梁承受自重約10 000/2×10/1000=50 kN。

拼裝墩間距與縱梁節(jié)點(diǎn)間距相對(duì)應(yīng)，為4×12 m，鐵路間臨時(shí)支墩布置間距為（35+29.69+41.36+33.96）m，拼裝臨時(shí)墩設(shè)在N01與N02墩處。頂推過程中臨時(shí)墩對(duì)各階段中受力較為不利的工況進(jìn)行建模計(jì)算。

考慮第P4、P5臨時(shí)墩之間跨度最大，導(dǎo)梁到達(dá)第P4臨時(shí)墩時(shí)繼續(xù)前移至導(dǎo)梁尾部到達(dá)第P5臨時(shí)墩，導(dǎo)梁會(huì)出現(xiàn)最大受力，鋼梁也處于不利[7]。采取將導(dǎo)梁前端到達(dá)第P5臨時(shí)墩后，每移動(dòng)2 m建立模型計(jì)算（縱向移動(dòng)16次32 m，導(dǎo)梁尾部達(dá)到第P5臨時(shí)墩進(jìn)行分別計(jì)算）。

鋼梁從導(dǎo)梁至第P5臨時(shí)墩在前移過程中彎矩圖、剪力圖如圖8。

圖8 鋼主梁頂推全過程受力分析

經(jīng)過全過程模擬、分析、計(jì)算，拼裝115.2 m鋼梁+32 m導(dǎo)梁，頂推至鋼梁尾端脫離P2臨時(shí)墩時(shí)（最大懸臂狀態(tài)），鋼梁所受彎矩最大Mmax=21257.6 kN·m，鋼梁應(yīng)力驗(yàn)算：

σmax=Mmax/ （γx×Wx）=21257600000/ （1.05 ×108051479.0）=187.4 MPa＜[σw]=200 MPa，

同理，處于上述狀態(tài)時(shí)剪力最大，Vmax=1490.4kN。

τ=Vmax×Sx/(Ix×Tw)=14904000×75493741.5247/（143419233733.625×28）=28 MPa＜120 MPa。

即鋼梁的最不利受力滿足要求。

5 結(jié)語

本文以某單塔雙索面斜拉橋?yàn)槔?，?duì)頂推臨時(shí)支墩布置及頂推施工方法進(jìn)行了介紹，同時(shí)對(duì)頂推施工的詳細(xì)施工流程進(jìn)行說明，并借助空間有限元模型建立導(dǎo)梁及鋼主梁分析模型，對(duì)頂推全過程結(jié)構(gòu)的最不利受力進(jìn)行了分析，通過分析確定了頂推全過程鋼導(dǎo)梁及主梁的最不利施工階段，有效指導(dǎo)現(xiàn)場頂推施工，同時(shí)也驗(yàn)證了臨時(shí)支墩布置的合理性及頂推方案的可行性，可供類似工程借鑒。