跨航道鋼箱系桿拱橋拱梁整體頂推施工工藝

武德智，周 盛，胡元峰，陳文強(qiáng)，何艷青

（海波重型工程科技股份有限公司，湖北 武漢 430207）

0 引言

該工程路線由北向南前行，以橋梁形式跨越河道，路線位于直線段上，與航道交角約114.41°。主橋上部跨徑布置為120 m+140 m雙跨簡(jiǎn)支下承式鋼箱系桿拱，橫向雙幅，橋面寬度23.5 m，如圖1所示；單幅拱肋中心間距為25.9 m，橋面橫坡為2%，梁底水平，橫坡通過(guò)系桿不等高設(shè)置。

圖1 主橋橋型布置圖（單位：cm）

主橋上部結(jié)構(gòu)由主拱肋、系桿、橋面系、吊桿、橫撐等結(jié)構(gòu)組成，如圖2所示。主橋計(jì)算跨徑117/137 m，矢高23.4/27.4 m，矢跨比1/5，拱軸線線型為二次拋物線。其中拱肋采用全焊鋼箱結(jié)構(gòu)，拱肋中心橫向間距25.9 m；系桿采用矩形截面結(jié)構(gòu)，沿系桿中心線每3 m設(shè)一道橫隔板；橋面系以橫梁及正交異性頂板作為橋面承重結(jié)構(gòu)，主橋每隔3 m設(shè)一道中橫梁；吊桿在系桿側(cè)采用吊耳銷式連接，在主拱肋采用錨壓板式連接，主拱肋處錨頭為張拉端；120 m跨兩拱肋間設(shè)置4道橫撐，140 m跨兩拱肋間設(shè)置5道橫撐，均采用箱形截面。

圖2 主橋橫斷面示意圖

該項(xiàng)目施工關(guān)鍵技術(shù)有二：一是頂推施工導(dǎo)梁、主拱臨時(shí)撐桿設(shè)計(jì)，二是頂推過(guò)程中的糾偏措施。本文對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 總體施工工藝介紹

該橋上部跨徑布置為120 m+140 m雙跨簡(jiǎn)支下承式鋼箱系桿拱，其中140 m跨采取“異位拼裝，帶拱頂推”的工藝施工，120 m跨采用原位拼裝工藝施工[1]。

140 m跨主橋采用200 t浮吊在120 m跨位置拼裝系桿、橫梁及橋面板分段，完成后在系桿上搭設(shè)格構(gòu)支架，采用200 t浮吊吊裝拱肋節(jié)段，完成后安裝導(dǎo)梁及其他臨時(shí)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行140 m跨頂推施工。單跨拱肋由兩端向跨中對(duì)稱拼裝，最后在跨中附近合龍。施工工序依次為水中臨時(shí)支墩施工→拱腳起吊、拼裝→系桿拼裝節(jié)段起吊、拼裝、連接→拱肋拼裝支架搭設(shè)→拱肋起吊、拼裝、連接→梁拱臨時(shí)連接斜撐吊裝→拱肋拼裝支架拆除→橫撐吊裝→頂推施工→落梁施工，如圖3所示。

圖3 140 m跨主橋拼裝流程圖

2 導(dǎo)梁及主拱頂推臨時(shí)撐桿設(shè)計(jì)

2.1 導(dǎo)梁設(shè)計(jì)

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)條件，頂推用臨時(shí)支墩縱橋向最大間距達(dá)40 m，因此鋼梁前端需設(shè)置導(dǎo)梁。為降低導(dǎo)梁自重，并滿足鋼梁頂推施工要求，設(shè)計(jì)采用變截面工字型導(dǎo)梁[2]，由根部（與鋼梁連接處）向端部逐漸減小。由于橋梁與航道斜交導(dǎo)致導(dǎo)梁兩側(cè)工字梁縱向長(zhǎng)度分別為32 m、25 m，導(dǎo)梁與鋼梁連接處設(shè)有兩組縱梁，導(dǎo)梁的兩組縱梁端部設(shè)計(jì)成臺(tái)階狀，以利于過(guò)墩時(shí)起頂，如圖4所示。

圖4 頂推導(dǎo)梁示意圖（單位：mm）

2.2 主拱頂推臨時(shí)撐桿設(shè)計(jì)

頂推過(guò)程中，拱肋采用φ1 020×20 mm鋼管組成A字支撐[3]，支撐與拱肋及系桿設(shè)計(jì)專用接頭進(jìn)行插接，如圖5所示。

圖5 主拱頂推臨時(shí)撐桿示意圖

3 頂推施工工藝介紹

3.1 頂推施工工況

該項(xiàng)目為一次頂推過(guò)跨施工，典型施工工況如下：

（1）頂推距離40 m時(shí)，此時(shí)為最大前懸臂工況（前端下?lián)献畲螅鐖D6所示。

圖6 主拱頂推最大前懸臂工況

（2）頂推距離50 m時(shí)，此時(shí)為最大后懸臂工況（后端下?lián)献畲螅鐖D7所示。

圖7 主拱頂推最大后懸臂工況

（3）當(dāng)導(dǎo)梁過(guò)最大跨1/2長(zhǎng)度時(shí)，導(dǎo)梁上拱變形最大工況，如圖8所示。

圖8 主拱頂推導(dǎo)梁上拱變形最大工況

（4）頂推距離80 m時(shí)，導(dǎo)梁上墩，此時(shí)為鋼梁受力最不利工況，如圖9所示。

圖9 主拱頂推導(dǎo)梁上拱變形最大工況

（5）頂推距離120 m時(shí)，140 m跨鋼梁頂推到位，如圖10所示。

圖10 主拱頂推到位

3.2 頂推過(guò)程受力分析

3.2.1 有限元模型建立

采用Midas/Civil建立本工程橋梁頂推分析模型，鋼箱梁與導(dǎo)梁均采用梁?jiǎn)卧M，用“僅受壓”彈性支撐模擬頂推施工過(guò)程中頂推結(jié)構(gòu)的支座豎向受力狀態(tài)，根據(jù)支架模型計(jì)算其抗側(cè)移剛度，用彈性支座模擬頂推施工過(guò)程中頂推結(jié)構(gòu)的支座水平受力狀態(tài)。整體計(jì)算模型如圖11所示。

圖11 有限元頂推計(jì)算模型

3.2.2計(jì)算工況

整個(gè)頂推施工的關(guān)鍵過(guò)程可以分為以下幾個(gè)工況：

工況1：拼裝工況；

工況2：頂推距離50 m，最大后懸臂工況（一）；

工況3：頂推距離80 m，最大后懸臂工況（二）；

工況4：頂推開始，導(dǎo)梁脫離頂推支架，最大前懸臂工況（一）；

工況5：頂推距離40 m，最大前懸臂工況（二）；

工況6：導(dǎo)梁過(guò)墩二分之一，導(dǎo)梁上拱最大工況（一）；

工況7：導(dǎo)梁過(guò)墩三分之二，鋼梁受力最不利工況；

工況8：頂推距離120 m時(shí)，落梁工況。

3.2.3 計(jì)算結(jié)果分析

由表1頂推施工分析結(jié)果匯總可知，最大組合拉應(yīng)力114 MPa，最大組合壓應(yīng)力-183 MPa。拱和橋面梁的材質(zhì)為Q355，斜撐和導(dǎo)梁的材質(zhì)為Q235，最大組合應(yīng)力值均小于容許應(yīng)力值；同時(shí)導(dǎo)梁前端在整個(gè)頂推施工過(guò)程中撓度幅值最大為134 mm，小于1/200L規(guī)范要求，發(fā)生在工況9階段，即落梁工況。因此，在頂推施工中主體結(jié)構(gòu)受力安全。

表1 頂推施工分析結(jié)果匯總表

4 頂推過(guò)程中的糾偏措施

對(duì)鋼箱拱橋，主梁的線形控制是本項(xiàng)目的重難點(diǎn)。結(jié)合該項(xiàng)目的施工特點(diǎn)，在施工過(guò)程及成橋時(shí)，其線形控制主要包括：

（1）主橋整體拼裝成橋線形；

（2）頂推施工過(guò)程中主橋線形；

（3）頂推施工頂推過(guò)程中主拱的軸向偏位。

4.1 頂推過(guò)程中線型控制

（1）試頂推：正式頂推前，應(yīng)對(duì)主橋整體進(jìn)行試頂推，以便確認(rèn)頂推設(shè)備、支架系統(tǒng)、及導(dǎo)梁均在正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（2）支架狀態(tài)觀測(cè)：在頂推施工過(guò)程中，隨時(shí)觀察支架狀態(tài)（如支架預(yù)留下沉量、支架應(yīng)力、支架位移等數(shù)據(jù)），根據(jù)觀測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整。

（3）實(shí)時(shí)監(jiān)控：在頂推施工過(guò)程中，應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)控線形和應(yīng)力并根據(jù)結(jié)果及時(shí)調(diào)整。觀察液壓系統(tǒng)中各油缸的頂升壓力、高度等數(shù)據(jù)，分析目前狀態(tài)下主橋的受力狀態(tài)并及時(shí)調(diào)整，線型發(fā)生較大偏差（偏差≥30 mm）時(shí)，需立即進(jìn)行糾偏，避免因線型導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力不均衡或失穩(wěn)等問(wèn)題。

4.2 頂推過(guò)程中的糾偏措施

為了防止鋼梁在頂推過(guò)程中發(fā)生橫向偏移，須在每次頂推行程完成后檢查鋼梁是否發(fā)生偏移，若偏移距離在許可范圍之內(nèi)，則可繼續(xù)頂推，若偏移距離即將超出許可位移，則需進(jìn)行糾偏[4]。糾偏主要控制措施如下：

（1）在鋼梁前端和尾端的中部（中線位置）設(shè)置控制標(biāo)志，標(biāo)志地方粘貼全站儀測(cè)量反光設(shè)備。通過(guò)既有的橋梁測(cè)量控制點(diǎn)，用全站儀測(cè)量出其各控制點(diǎn)的坐標(biāo)，從而反算出鋼梁所處位置的對(duì)應(yīng)樁號(hào)和所在位置的橫向偏移量（偏距），將測(cè)量結(jié)果反饋給步履機(jī)操控人員適時(shí)進(jìn)行糾偏。

（2）在梁底作用點(diǎn)位置做上標(biāo)記，頂推過(guò)程中步履機(jī)看守人員必須連續(xù)觀測(cè)，確保頂升的作用點(diǎn)平面位置偏差小于3 cm。條件允許時(shí)，可在梁前端和尾部設(shè)置平面位置觀察點(diǎn)予以監(jiān)控。當(dāng)步履機(jī)作用點(diǎn)位置偏移值大于3 cm時(shí)，必須進(jìn)行糾偏。

（3）當(dāng)中央控制系統(tǒng)檢測(cè)到鋼梁梁體發(fā)生偏移或工作人員發(fā)現(xiàn)梁體偏移后，會(huì)根據(jù)偏移情況決定要糾偏的步履機(jī)號(hào)，由于每臺(tái)步履機(jī)都配置有橫向糾偏頂，可以對(duì)各種情況下的偏移進(jìn)行調(diào)整。若鋼梁只有前端發(fā)生偏移，則只需對(duì)前端步履機(jī)進(jìn)行局部糾偏，若鋼梁整體發(fā)生偏移或者小幅旋轉(zhuǎn)，則可通過(guò)前后糾偏頂調(diào)整偏移距離及偏移角度。在糾偏時(shí)，步履機(jī)豎向千斤頂處于頂升狀態(tài)，兩側(cè)糾偏頂帶動(dòng)步履機(jī)上部千斤頂進(jìn)而帶動(dòng)鋼梁向左或者向右偏移，偏移距離可根據(jù)糾偏頂行程進(jìn)行調(diào)整，糾偏完成后，糾偏頂回收，豎向千斤頂回落。然后再進(jìn)行下一次頂推循環(huán)。

5 結(jié)語(yǔ)

該項(xiàng)目主橋鋼結(jié)構(gòu)采用工廠化大構(gòu)件加工，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝與焊接的模式，提高了施工質(zhì)量和解決了施工場(chǎng)地限制等因素。同時(shí)采用步履式頂整體推施工，有效的解決了跨航道保通施工的問(wèn)題。在頂推過(guò)程中應(yīng)重視線形控制，采取多種措施及時(shí)進(jìn)行糾偏，從而確保頂推線形和結(jié)構(gòu)受力等滿足設(shè)計(jì)要求。