海上大跨徑大曲率高墩槽型梁橋頂推方案優(yōu)化設(shè)計

陳宏寶

（中交二航局第四工程有限公司，安徽 蕪湖 241000）

1 應用背景

頂推施工方法的雛形來自早期鋼橋的拖拉法、導梁拖拉法、縱向連接拖拉法等。隨著頂推工藝的不斷完善，頂推方式從單點集中頂推到多點分散頂推，間歇式頂推到連續(xù)頂推，拖拉式頂推等，逐步過渡到現(xiàn)如今成熟的步履式多點連續(xù)頂推[1]。國內(nèi)已有頂推結(jié)構(gòu)橋梁，大部分以市政鋼橋居多，橋梁線形單一，墩高較矮，橋長或單次頂推長度均較?。?00 m 左右），且頂推場地開闊。在復雜施工條件下，長度更長，墩高更高的彎橋頂推施工，可靠有效的方案比選和優(yōu)化設(shè)計顯得尤為重要。

2 工程概況

寧波至東莞國家高速公路沙埕灣跨海大橋位于福建省福鼎市境內(nèi)，其中南引橋坐落于沙埕灣南汊水域，采用鋼混組合梁橋[2]，左右幅各兩聯(lián)，跨徑布置分別為（6×80）+（64+4×80+64）=928 m 和（6×80）+（64+4×80）=864 m。

南引橋地形地勢和水文條件復雜，北（島）側(cè)橋頭與主橋相接，為坡度約70°的山坡，南側(cè)橋頭與互通匝道銜接為山坡坡腳，兩側(cè)橋頭高差超過20 m。橋址區(qū)最大水深26 m，潮差5~7 m，水上墩身平均高度接近50 m。

南引橋總體布置見圖1。

圖1 南引橋橋型布置圖（mm）Fig.1 South approach bridge layout（mm）

組合梁為等高單箱單室鋼混組合連續(xù)結(jié)構(gòu)，中心線高3.72 m（不含28 cm 橋面板），頂板寬17.9 m，底板寬7.6 m，挑臂長3.45 m。位于R1= 肄、R2=1 730 m 的緩和曲線及R3=1 730 m 的圓曲線段上，縱斷面位于半徑R4= 50 000 m 兩側(cè)坡度分別為-2.499%與-2.0%的豎（直）曲線內(nèi)。左右幅橫坡分別為：2.713%~3%和-0.158%~3%。典型跨中斷面見圖2。

圖2 槽型梁跨中橫斷面圖（mm）Fig.2 Diagram of traverse cross section of groove beam（mm）

3 施工難點

1）施工條件惡劣多變，安全風險高。橋址區(qū)降水頻率高，且夏秋季臺風和季風頻發(fā)，對頂推作業(yè)，尤其是現(xiàn)場焊接質(zhì)量影響大。地形地勢起伏較大，梁段需要通過臨時碼頭、施工棧橋、施工便道和國道進行場地內(nèi)轉(zhuǎn)運，施工組織協(xié)調(diào)工作量大。頂推作業(yè)全為水上作業(yè)和高處作業(yè)，安全管控難度大。

2）施工技術(shù)復雜，線形控制難度大。梁段槽口開敞，頂推過程中梁體截面正負彎矩交替變化，需采取合理有效的方法將結(jié)構(gòu)應力和變形控制在合理范圍內(nèi)。頂推過程中槽型梁因自重產(chǎn)生的撓度，頂推和落梁過程中底板與墩頂臨時支墊的不均勻接觸，均可引起槽梁結(jié)構(gòu)的變形不可逆。因此，在確保千斤頂同步頂推的同時，需確定合理的頂推步距及糾偏措施。

4 頂推方案優(yōu)化

橋位單幅整體頂推施工主要施工流程為，梁段場地內(nèi)轉(zhuǎn)運（或提梁）寅存梁寅導梁組裝與首片梁焊接寅梁段滾動拼裝焊接寅梁段滾動頂推及糾偏寅頂推到位后，拆除導梁，整體落梁進行體系轉(zhuǎn)換寅拆除兩聯(lián)之間臨時剛接寅墩頂雙結(jié)合施工寅橋面板安裝寅橋面濕接縫澆筑寅橋面系施工[3]。其中導梁采用桁架變截面構(gòu)造，長3×10+2×7.5+1×5=50 m，分5 節(jié)制造，相鄰節(jié)段之間栓接，末端與首片鋼槽梁焊接。

4.1 梁段轉(zhuǎn)運（或提梁）方案比選

南引橋水域水深適合大型運輸船靠泊，滿足水上運梁條件?；A(chǔ)及下部結(jié)構(gòu)采用全棧橋施工，并在棧橋下游側(cè)搭設(shè)一靠船高樁碼頭與棧橋相連，可以滿足槽梁場地內(nèi)轉(zhuǎn)運需要。梁段拼裝與頂推施工有兩種方案可供選擇，第一種為在南引橋兩聯(lián)交界的水中墩（15 號墩）設(shè)置提梁門架[4]和高支架拼裝平臺，門架與拼裝平臺一并在水上搭設(shè)。第二種則通過臨時碼頭上岸，陸運至地勢相對較平緩的南橋頭（20 號墩）后方存梁，直接采用龍門吊起吊梁段進行梁段拼裝頂推。南橋頭頂推場地布置見圖3。

兩種方案的優(yōu)缺點比較見表1。

圖3 南橋頭頂推場地總體布置圖（m）Fig.3 Overall layout of the push field at the south bridgehead（m）

表1 水上提梁頂推和南橋頭陸上頂推方案優(yōu)缺點比較一覽表Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of water lifting beam top push and south bridgehead land top push scheme

通過表1 綜合評估可知，在南橋頭進行槽型梁拼裝和頂推施工，支架投入量小，安全風險顯著降低。實際施工階段采用方案二。

4.2 頂推設(shè)備占位優(yōu)化

國內(nèi)已有的頂推成功案例，由于墩頂和梁底之間的凈高難以滿足頂推設(shè)備——三向千斤頂?shù)恼嘉恍枰?，均需另行設(shè)置墩旁支架或臨時墩。水上高墩搭設(shè)墩旁支架或臨時墩，與拼裝高支架和提梁門架的搭設(shè)和拆除一樣，安全風險高。且設(shè)備和支架材料投入大。需要合理規(guī)避。經(jīng)對擬采用的三向千斤頂和墩頂結(jié)構(gòu)尺寸的比對發(fā)現(xiàn)，橋墩墩頂中心位置縱向位置設(shè)置有U 形槽，凈高和凈寬均不能滿足頂推設(shè)備占位需要。經(jīng)與設(shè)計溝通，調(diào)整墩頂U 形槽的橫橋向?qū)挾群蜕疃?，并對墩頂結(jié)構(gòu)進行加強滿足受力需要，解決了頂推設(shè)備的占位問題。U 形槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化后見圖4。

圖4 南引橋橋墩U 形槽尺寸優(yōu)化調(diào)整圖（cm）Fig.4 Optimization adjustment of U-groove dimensions of the south approach bridge pier(cm)

頂推三向千斤頂布設(shè)位置位于墩中心，但槽型梁的擱置支點位于腹板和底板的交界位置，千斤頂直接作用在槽型梁的底板中心位置，底板僅設(shè)置通長板式加勁肋難以滿足受力需要。因此，需在千斤頂與槽型梁之間設(shè)置橫橋向布置箱型結(jié)構(gòu)的墊梁[5]，避免千斤頂直接作用在相對較弱的底板中心位置。頂推施工時，千斤頂作用在墊梁底，墊梁頂承受槽型梁在頂推過程中的豎向力。從而確保了頂推施工過程中，槽型梁的主體結(jié)構(gòu)不因局部荷載過大而變形。墊梁結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 墩頂墊梁結(jié)構(gòu)圖（cm）Fig.5 Structure diagram of bearing beam on the pier top（cm）

4.3 槽型梁結(jié)構(gòu)臨時加勁

1）首跨跨中槽梁局部加強

通過MIDAS 建模，右幅首跨槽型梁在頂推至最大懸臂（32 m 長梁段+50 m 導梁，導梁前端未擱置在墩頂）時，跨中腹板（16 mm）和底板（20 mm）承受最大支撐反力，對應最大應力達到了312.5 MPa，超過了強度設(shè)計值275 MPa，需要臨時加勁補強[6]。加勁結(jié)構(gòu)見圖6。臨時加勁結(jié)構(gòu)與槽型梁按永久結(jié)構(gòu)一并在工廠內(nèi)制造完成。

圖6 首跨鋼槽梁跨中臨時加勁橫斷面圖（mm）Fig.6 Temporary stiffened cross-section diagram of the first span steel groove beam（mm）

2）聯(lián)與聯(lián)之間臨時剛接

一幅兩聯(lián)之間按先后順序分別頂推，第一聯(lián)頂推需要布設(shè)前后導梁，其就位后，后導梁處于水上的兩聯(lián)之間的交界墩15 號墩頂，需要大型起重船才能夠拆除。為此，將兩聯(lián)槽型梁的伸縮縫位置臨時進行連接，連接結(jié)構(gòu)與槽梁主體結(jié)構(gòu)一致，取消了后導梁，既解決了高處拆除的麻煩，又減少了后導梁的投入。一幅槽型梁兩聯(lián)之間的臨時加勁在落梁后切割拆除。

3）墩頂臨時抄墊優(yōu)化

南引橋鋼槽梁在里程樁號K14+129~K14+270內(nèi)縱坡為1%；里程樁號K14+270~K14+830 內(nèi)縱坡為2.499%；里程樁號K14+830~K15+065 內(nèi)縱坡為2%。由于縱坡的不斷調(diào)整，在墩頂位置需根據(jù)頂推過程中梁底與永久支座之間的高差進行臨時抄墊[5]。本橋抄墊的最大高度達到了1 440 mm，抄墊結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)，重量太大不利于現(xiàn)場人工安裝。經(jīng)過計算，采用抗壓強度較高的150 mm ×150 mm ×1 500 mm（橫紋承載壓力大于6 MPa）松木先疊成整塊，然后根據(jù)需要累加。單塊方木之間，以及塊與塊之間均采用螺桿固定。松木的輕便方便了現(xiàn)場人工疊放作業(yè)。

4.4 頂推同步控制及糾偏

1）頂推同步控制

頂推系統(tǒng)主要由三向千斤頂、液壓泵站、主控系統(tǒng)和PC 控制系統(tǒng)組成。以右幅為例，12 個中間墩，以及起始拼裝平臺和末端導梁拆除用臨時墩[7]共投入28 臺套800 t 步履式千斤頂。步履式千斤頂?shù)目v向豎向頂升高度和橫向糾偏距離分別為400 mm、200 mm 和50 mm。

由于槽型梁空間姿態(tài)受大橋平縱曲線影響，其重心和形心不重合，單次頂推豎向千斤頂頂升時，單個墩頂?shù)? 臺千斤頂?shù)牧χ稻嬖谝欢ú町?，即頂升不同步，使得單次頂推工效降低，且可能增加了糾偏的頻次。因此，在控制系統(tǒng)結(jié)合控制軟件對頂推設(shè)備進行有效控制程序設(shè)計時，在液壓控制系統(tǒng)中的液壓泵站加設(shè)流量控制閥，根據(jù)頂升力值自動分配油壓，從而確保了頂升的同步性。

2）頂推糾偏方法

為確保槽梁腹板始終在頂推設(shè)備支承面范圍內(nèi)，經(jīng)計算，在曲率最大區(qū)段，約3 片梁12 m 的頂推行程，其徑向偏位接近122/（2×1 730）=42 mm，即將千斤頂橫向糾偏的最大值50 mm 設(shè)為橫橋向偏位的預警值。頂推過程中，以末端為定點（確保后續(xù)槽梁滾動拼裝在拼裝平臺上），整體向平曲線圓心方向糾偏，輔以部分墩位設(shè)備橫移[8]。

5 實施效果

1）山區(qū)海洋環(huán)境的鋼槽梁的轉(zhuǎn)運（或提梁）方案的比選，以及墩旁支架的取舍，受大橋的結(jié)構(gòu)特點、地形和地貌等因素的制約較多，直接關(guān)系到施工成本和施工安全。本工程選定運梁工藝，并取消了墩旁支架，盡可能將高處作業(yè)改為陸上作業(yè)，明顯地降低施工安全風險，且節(jié)約了大量的機械設(shè)備和鋼管支架投入。

2）通過對過往大量頂推工程實例的調(diào)研，聯(lián)合設(shè)計對大橋橋墩結(jié)構(gòu)形式進行適當調(diào)整，并對梁段結(jié)構(gòu)局部位置進行臨時加強，以較小的成本投入，既滿足頂推施工需要，又確保了大橋成橋后結(jié)構(gòu)的受力安全?？勺鳛楹罄m(xù)采用頂推施工的橋型結(jié)構(gòu)設(shè)計的一種思路或方向。

3）隨著頂推設(shè)備不斷的推陳出新，造就了頂推施工的同步控制和糾偏技術(shù)的日趨成熟和完善，使得過往僅單一線形橋梁才能頂推施工，逐步發(fā)展至曲線橋梁也能采用頂推施工。目前，沙埕灣跨海大橋南引橋右幅頂推施工接近尾聲，已成梁段的線形、軸線偏位和應力等各項技術(shù)指標均達到了優(yōu)良等級。