大跨鋼-混凝土組合箱梁無支架頂推技術與控制計算

陳軍剛, 王學勇, 周洲, 陳剛

(1.云南省交通規(guī)劃設計研究院有限公司, 云南 昆明 650041； 2.北京中漢威工程咨詢有限公司)

1 概述

中國西南山區(qū)地形條件復雜，橋隧比例高，且河流多為各大江大河的中上游段，河流比降大、流速快、環(huán)水保要求高；對于涉水跨河橋梁架設往往不具備水中建墩的條件；頂推施工作為當代橋梁施工的重要方法之一，往往會具有較大的優(yōu)勢。

頂推法施工自1959年在奧地利Ager橋成功實施以來，在世界范圍內路橋工程界得以迅速發(fā)展，國外采用頂推法施工具有代表性的橋梁為2004年竣工的法國米約大橋，大橋為主跨342 m的七塔斜拉橋，最高墩墩高245 m，主跨為342 m，該橋施工采用多點柔性正交頂推法施工，為了縮短頂推距離，在中間各跨跨中均架設一套橫截面12 m×12 m、裝有兩套頂推設備的鋼管桁架的臨時支架，頂推跨度達171 m，代表了當時世界頂推技術的先進水平。

中國首次采用頂推法施工的橋梁為1977建成的狄家河橋。中國橋梁頂推施工始于鐵路PC梁橋，但混凝土結構自重大、架設困難，梁體和下部結構開裂問題突出，故其頂推跨徑多控制在60 m以內，代表性橋梁為福建丘墩橋，頂推跨度為52 m；對于山區(qū)深切峽谷、地形復雜地區(qū)長隧間夾大中橋梁、湍急河流地區(qū)常常難以滿足；由此鋼結構和鋼-混凝土組合結構橋梁依托頂推施工法得以發(fā)展。中國國內頂推法施工代表橋梁是2012年建成的杭州九堡大橋，主橋為3跨連續(xù)組合梁-鋼拱拱橋，主跨210 m中間僅設置1座臨時墩，具有頂推跨徑大、懸臂長、重心高及質量大等特點，施工首次采用中國自主研發(fā)的步履式平移頂推裝置及計算機同步控制系統(tǒng)，頂推總重14 000多t；一舉將傳統(tǒng)頂推法施工由原來以拖拉法施工為主，發(fā)展至目前以拖拉式和步履式兩種形式為主的局面。據統(tǒng)計：2014年施工的石濟鐵路濟南黃河公鐵兩用橋鋼梁最大頂推重量達37 000 t，為中國目前可查資料中頂推重量最大者；從頂推距離來看，杭州錢塘江二橋單點頂推距離為800 m，南北引橋合計頂推距離總計達1 504 m；頂推重量、距離在一定程度上反映了中國現階段路橋建設的施工技術水平。該文介紹云南某(70+110+70) m鋼混凝土組合梁橋的頂推方案與施工控制驗算過程。

2 大跨橋梁頂推方案的選擇

大跨頂推橋梁施工控制關鍵因素為頂推跨度。梁體頂推施工過程中，主梁前端支點處的梁體由于負彎矩和支點反力過大，且梁體在頂推過程中結構體系不斷變換，各截面承受正負彎矩的交替，頂推過程主梁的受力和變形往往成為其可行頂推跨徑的控制。為增大頂推的適用跨徑，常采用的措施主要有以下幾種：

(1) 設置導梁

導梁的設置可以有效緩解主梁的受力狀況，目前已成為橋梁頂推施工的標準配置措施。導梁的類型和參數的選擇會對橋梁頂推產生重要的影響。導梁可采用形式主要包括：桁架導梁、工字形鋼板導梁、波形鋼腹板導梁。文獻[7]曾對桁架導梁和工字形變截面實腹鋼板導梁進行了對比分析，由于桁架梁節(jié)點受力性能薄弱，工字形梁各方面更占優(yōu)墊。主梁的結構形式往往會主導導梁結構的選擇，如：波形鋼腹板組合梁需要頂推時，導梁多采用波形鋼腹板導梁；主梁為鋼桁梁時，導梁亦往往采用鋼桁架做導梁。當導梁形式選定后，其具體剛度和長度取值可參閱文獻[8]，該文不再贅述。

(2) 增設臨時墩，減小頂推跨徑

對于大跨頂推橋梁，最直觀、簡單的方法便是中間設臨時墩，縮小實際頂推跨度，減小主梁頂推過程中受力變化幅值和變形。該方法對于橋面以下墩高小、水流緩的橋梁而言，不失為一種好的方法；但對于墩高大、水流急、水深大、水環(huán)保要求高等一些外部約束條件要求高的橋梁，往往適應性差。

主梁采用兩岸相向對頂，也是有效減小頂推跨徑的方式之一，采用此工法施工時，橋梁前端往往不設鋼導梁，以利跨中合龍。但實際施工中，不設導梁、雙向對頂工法適用的跨徑一般也較小，在此不再贅述。

(3) 增加強梁措施，提高主梁頂推階段跨越能力

對于無法增設臨時墩的頂推施工大跨橋梁，為了提高主梁頂推過程中的截面抗力、減小變形，可選擇在結構選型及增加施工臨時措施兩方面考慮對主梁進行加強。

結構選型時選用主梁整體剛度大、受力強的結構類型，可滿足頂推所需的主梁應力和變形要求。例如：2017年11月主體完工的京張高鐵跨官廳水庫特大橋，大橋跨越水源地湖面達880 m，施工面臨水深、風大、環(huán)保要求高的制約，大橋上部采用110 m跨簡支拱形鋼桁梁結構，順利完成了110 m的頂推跨度。

當主梁結構自身無法滿足頂推所需跨度時，也可采用臨時外部措施，對主梁進行加強，或形成一種新的臨時結構體系，常采用的是一種俗稱“釣魚”式的施工工法：梁上設臨時斜拉索和塔架，以解決因頂推跨徑大帶來的主梁懸臂彎矩過大問題，如圖1所示。

圖1 “釣魚”式方案

對于鋼結構橋梁，也可考慮主梁上緣臨時增設標準件桁片，制成鋼箱-鋼桁臨時組合結構，對頂推階段主梁進行加強，該工法與釣魚法相比，工程措施費或有增加，但施工期建筑界限小，對于橋上凈空有嚴格限制的橋梁可以考慮采用。隨著中國橋梁技術的不斷發(fā)展和鋼結構的不斷推廣，在頂推輔助措施采用方面，也將會有更大的發(fā)展空間。施工中，各橋梁可根據各自特點，選擇合理、可行、經濟的施工方法和措施。

3 應用實例

3.1 項目背景

為滿足云南保(山)瀘(水)高速公路建設需求，施工便道需在康浪村附近跨越怒江，以滿足怒江兩岸隧道施工物資運送，需盡快完成施工?？道丝缃瓨驑蚩绮贾脼椋?×30 m +(70+110+70 m)；引橋采用2×30 m鋼板-混凝土組合梁，主橋采用(70+110+70) m鋼箱-混凝土組合梁，下部結構橋墩采用柱式墩、樁基礎，橋跨總體布置如圖2所示。

圖2 康浪跨江橋橋跨總體布置示意圖(單位：m)

主梁鋼結構截面由兩個鋼箱和橫梁組合而成，鋼箱高為3 600 mm，鋼箱間橫梁采用工字梁進行連接，工字梁梁高為610 mm，主橋鋼箱與混凝土橋面板采用剪力釘連接，混凝土橋面板厚為300 mm，寬為7 500 mm。鋼結構頂底板平行設置，橫坡0%；混凝土橋面板頂部橫坡為雙向1.5%，主橋主梁標準橫斷面見圖3。

3.2 頂推方案的確定

經現場調查：橋位處所跨怒江河段具有流速大、汛期水位高、汛期時間長等特點，橋梁擬考慮采用頂推方案進行上部結構施工。結合橋位河段特點，河中不具備搭設臨時墩的條件，但中跨跨徑達110 m，需頂推跨越長度大，主梁結構自身顯然無法滿足頂推受力和變形需要。采用“釣魚”法增設臨時塔和索對主梁進行臨時加強，并根據頂推進程的不斷變化，適時增設梁段壓重，以改善臨時結構體系頂推過程中不斷變化的受力狀態(tài)，或可滿足此跨徑頂推跨越要求。該橋主梁為鋼-混凝土組合梁橋，為滿足頂推過程中應力變化幅度、減少頂推重量，主梁頂推階段鋼主梁截面頂推到位后，再進行橋面板混凝土的分段澆筑施工；其中，連續(xù)處負彎矩區(qū)橋面板縱橋向預應力的施加采用調整支點標高法。具體施工關鍵步驟見圖4、5。

圖3 主橋主梁標準橫斷面圖(單位：mm)

圖4 主橋頂推施工關鍵步驟示意(第1～5步)(單位：mm)

圖5 主橋頂推施工關鍵步驟示意(第6～9步)(單位：mm)

其中，前導梁按42 m長、自重120 t考慮；臨時塔高18 m，縱橋向長2.5 m，塔自重按不大于40 t控制設計，臨時塔兩側各設置4束15-15臨時索，塔頂兩側臨時索設計初張力均為700 t，塔中部兩側臨時索設計初張力均為600 t；為避免頂推側支承在施工過程中出現支座全部脫空，對主梁部分梁段進行了壓重，當頂推主梁跨過中跨、支承于4#橋墩后，進行臨時塔、索和壓重的拆卸。

3.3 頂推控制工況結構計算

根據圖4所示的施工步驟，主梁的控制工況主要為兩個：① 工況1：臨時塔通過邊跨時對應的主梁最不利受力狀態(tài)；② 工況2：頂推主梁至4#墩之前主梁最大懸臂狀態(tài)。按以上兩個控制工況分別進行建模計算。

3.3.1 工況1：最大正彎矩驗算

頂推階段中，邊跨荷載最大階段為主塔位于跨徑中心附近時的階段，此時需嚴格控制主塔與支撐間距離不得大于20 m。

工況1經驗算得：主梁最大壓應力為177 MPa，最大拉應力為125.6 MPa，滿足要求。

3.3.2 工況2：最大負彎矩及最大支反力驗算

最大懸臂階段為前導梁頂推跨越中跨時的最大懸臂階段，設計分析時，此階段需進行必要的壓重，壓重采用4 t/m。

工況2經驗算得到：主梁最大壓應力為101.1 MPa，最大拉應力為62.8 MPa，滿足要求；考慮到此工況下中支座處主梁反力達13 134 kN；數值較大，需對該處進行局部受力驗算，經建模驗算得到：

此工況下，主梁中支座區(qū)域鋼板局部最高組合應力為250 MPa，支座區(qū)鋼板應力值小于180 MPa，受力滿足要求。

4 結語

云南跨怒江便橋頂推施工控制計算表明：對于鋼-混組合箱梁橋(或鋼箱梁)等主梁結構相對較弱的大跨結構，通過在主梁上臨時增設塔索結構、并輔以導梁的措施；施工各控制工況均能滿足頂推過程中結構受力和變形要求，達到頂推跨越110 m距離之目的(目前該項目已順利實施完成)。隨著中國橋梁技術的不斷發(fā)展，頂推施工作為橋梁建設重要的施工手段之一，也必將有著更大的發(fā)展空間。