福元路湘江大桥梁拱组合桥顶推施工及受力研究

郑建新，姜红涛

（1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040；2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430040）

桥梁顶推施工法因其具有安全、优质、快速、经济、无干扰和场地少等优点，已在国内外中小跨径桥梁上得到了广泛应用。长沙福元路湘江大桥主桥采用步履式多点自平衡顶推系统，将滑移面设置在顶推设备内部，通过顶升、顶推和横向纠偏油缸实现结构的顶推，避免了常规拖拉法以千斤顶通过钢绞线拖拉（或直接通过顶推梁体上的滑块）施加作用力，以结构物在墩（临时墩）滑道上滑移的方式来实现结构在空间位置上的水平移动的不足，解决了顶推动力和结构物滑道（滑移面）两种功能。本文结合工程实际，开展多孔钢拱—结合梁组合体系桥带拱整体顶推施工技术及受力研究。

1 工程概况及特点

1.1 工程概况

长沙福元路湘江大桥主桥为提篮式钢拱—结合梁组合体系拱桥，孔跨布置为3×210 m，主梁连续，三跨拱肋支承于V墩上，支承跨径组合为（188＋22＋188＋22＋188）m。主梁为等截面钢-混结合梁，梁高4.5 m，全宽38.5 m，两侧钢主纵梁间距28.6 m。拱肋截面为矩形，宽2.2 m，高3.2 m，内倾12°，立面矢高43.784 m，两侧拱肋之间设矩形风撑连接，每跨设7道风撑。梁拱间按8.5 m间距布设吊杆。主桥总体布置如图1所示。

图1 主桥提篮式钢拱—结合梁组合体系总体布置图（单位：m）

1.2 工程特点

1）主桥钢拱梁吊装节段自重较大（最重达117 t），起升高度高（拱肋合拢段吊装高度达58 m），对起重吊装设备要求高；

2）钢拱肋设计为空间扭曲线形，加工制作难度大；

3）拱肋支架高约40 m，在高空进行拱肋节段的吊装、定位及精确调位，安全风险大；

4）永久结构墩在顶推过程中受力非常敏感，为满足永久结构墩局部受力的要求，拟采用“步履式平移顶推系统”进行顶推施工；

5）三跨钢拱梁整体顶推其结构刚度变化大，顶推过程受力及变形复杂，对顶推施工及过程控制要求高；

6）顶推施工最大悬臂达94 m，主梁受力复杂，各类变形难以有效控制。

2 顶推施工

2.1 顶推线路布置

福元路湘江大桥主桥三跨钢拱梁为半径110000 m的竖曲线，因此顶推施工选择半径为110000 m的圆曲线为顶推路线。为减少顶推到位后的落梁高度，顶推施工时考虑支座垫石后浇，主墩各墩顶标高加顶推设备高度即为顶推时梁底标高，拼装区顶推墩、岸上临时墩、水中临时墩等标高根据110000 m的圆曲线半径调整。

2.2 顶推设备选型及顶推施工原理

根据设计要求，顶推施工时设备应满足最大竖向荷载1400 t，钢拱梁顺桥向均匀扩散长度不小于2.5 m，顶推施工过程中由主梁腹板受力，底板不受力，具有一定的竖向调节能力（不小于30 cm）及水平纠偏能力（不小于5 cm）。综合考虑设计、顶推同步性、顶推支撑竖向荷载及不平衡水平力等要求，结合本桥结构形式，采用步履式平移顶推设备进行顶推施工，该设备已在杭州九堡大桥成功实施了钢拱梁整体顶推施工。

步履式平移顶推设备进行顶推的工作原理是竖向千斤顶顶起拱梁，水平千斤顶完成向前顶推，落梁后搁置于垫块上，千斤顶回油完成一个行程的顶推工作，顶推过程是一个自平衡的顶推动作过程。

2.3 总体施工工艺

主桥总体施工工艺为：

1）钢拱梁在工厂加工后运至现场，在钢结构拼装区组拼成吊装节段。

2）在桥位区搭设拼装顶推支架平台，安装120 t龙门吊。

3）平板车运输钢拱梁吊装节段至拼装顶推平台区，120 t龙门吊提升吊装节段至拼装平台上，按“先梁后拱”的顺序分节段在平台上拼装成形，单孔钢拱梁拼装主要包括主纵梁、小纵梁、端横梁、中横梁、钢拱肋、风撑。

4）一孔钢拱梁拼装完后，安装拱梁间临时撑杆，拆除拱肋支架，采用顶推工艺将该孔钢拱梁顶推出拼装平台210 m，然后拼装、顶推下一孔钢拱梁。

5）三孔钢拱梁全部拼装完成后，整体顶推到位。主桥顶推施工关键步骤如图2所示。

图2 顶推关键步骤图

2.4 施工措施

三跨梁拱组合体系桥结构复杂，为满足拼装精度及顶推过程中结构受力要求和控制成桥后变形，可合理设计拼装平台及临时墩，确保拼装平台尺寸及强度、刚度、整体稳定性满足施工要求，确保临时墩有足够的安全储备，并能适应主纵梁底线形变化，设置调节系统保证梁底接触良好及均匀受力。

顶推过程中涉及工况多，施工时制定详细的监控方案，对拼装平台、钢拱梁各部位、钢导梁等进行详细的观测及内力测试，确保结构的安全。

对每一跨拱梁尾部可能产生转动变形或下挠的现象，采取在前方顶推墩预先将拱梁顶升一定高度，使拼接处主梁末端下挠后为零支点反力。

3 顶推施工全过程计算分析

根据本桥的结构特点及施工工艺流程，顶推计算主要分析顶推过程中主体结构、临时结构受力情况，以及各个顶推墩顶推过程中的支反力情况，以确保顶推过程主体结构安全，并为临时结构设计提供依据。

3.1 计算模型说明

采用midas civil建立空间有限元模型，拱肋、主纵梁、小纵梁、横梁、横撑、导梁、临时撑杆均采用梁单元模拟，各构件截面和实际结构相同，临时撑杆释放梁端弯矩；前导梁长45 m，重量按每片210 t计算，后导梁长30 m，每片150 t计算，其中导梁前侧5 m与主梁截面形式相同，后侧截面采用线性变截面的方式进行模拟（前侧抗弯惯矩为0.662 m4，后侧抗弯惯矩为0.086 m4）。

根据计算工况的不同在对应位置施加竖向和侧向约束，如计算支点反力为负，则释放该位置约束。为防止纵桥向计算位移过大，在主梁端部施加纵向约束。

全桥顶推重量为13250 t，主结构按设计图纸分配重量，人行道托架、吊杆重量及风撑装饰模型采用节点荷载加在梁上。计算模型如图3所示。

图3 顶推计算模型图

3.2 顶推分析结果

顶推计算基本步长取为8 m，同时在拱梁结合端过墩、主拱或主梁受力较大、临时撑杆过墩、支反力较大时，顶推步长均相应减小。整个顶推过程共分为222个工况进行计算。

3.2.1 支反力

图4为主梁（包括导梁）各个断面顶推过程中所经历的最大竖向反力。表1列出了各顶推墩对应最大反力值及工况。

图4 顶推过程中各断面所经历的最大竖向反力

表1 顶推过程各墩最大反力结果

顶推过程主梁上所承受的最大竖向反力为13625.4 kN，位于第一跨距前拱角48 m处主梁位置。前导梁上承受的最大竖向反力为7951.1 kN，位于导梁根部；后导梁上承受的最大竖向反力为6272.6 kN。

主墩所承受最大反力为13625.4 kN，水中临时墩所承受最大反力为13389.8 kN，拼装区临时墩所承受最大反力为10532 kN。

3.2.2 主梁

1）应力

顶推过程主梁应力包络图如图5所示。顶推过程主梁最大组合应力为142 MPa（A4到达PM18），出现在距第一跨前端拱角62.25 m处（LS1墩处）主梁截面上缘位置；最小组合应力为-175.9 MPa（A5到达PM19西），出现在距第一跨前端拱角24.75 m处（LS1墩处）主梁截面下缘位置。

图5 顶推过程中主梁应力包络图

2）变形

顶推过程主梁变形包络图如图6所示。顶推过程主梁最大挠度为-226.5 mm（第二跨尾部与PD2脱离），出现在第二跨尾部；最大上拱为20.0 mm（单跨顶推48.75 m），出现在第一跨尾部。

图6 顶推过程中主梁变形包络图

3.2.3 主拱

1）应力

顶推过程主拱应力包络图如图7所示。顶推过程主拱最大组合应力为169.5 MPa（后导梁与PM18脱离），出现在A1、B1型临时撑杆对应主拱截面上缘位置；最小组合应力为-145 MPa（后导梁与PM18脱离），出现在A1、B1型临时撑杆对应主拱截面下缘位置。

2）变形

顶推过程主拱变形包络图如图8所示。顶推过程主拱最大挠度为-186.5 mm（后导梁与PM18脱离），出现在第三跨后拱角位置；最大上拱为6.6 mm（C5到达PM20东），出现在距第一跨后拱角7.5 m位置。

图7 顶推过程中主拱应力包络图

图8 顶推过程中主拱变形包络图

3.2.4 临时结构

1）导梁

在顶推施工中，导梁的参数对于钢拱梁的受力有很大的影响，合理确定导梁的设计参数，能够减小主梁在施工过程中的内力。结合本桥梁—拱组合复杂结构体系顶推，避免顶推过程前（后）端导梁在滑道上出现脱空现象，使导梁均匀受力，尽量减小钢拱梁的内力与变形，导梁刚度宜大，长度宜长。

顶推过程中导梁应力、变形及极值对应工况如表2所示。

表2 顶推过程中导梁应力及变形结果

从表2可知，导梁应力较大，且最不利位置均出现在根部截面。前导梁前端下挠量较大，施工时可通过各竖向支撑油缸的调整将梁体顶起使导梁上翘，待导梁完全架在前方墩顶的顶推装置上后，通过调整支撑油缸将钢拱梁标高调到规定值。

2）撑压杆

钢拱梁结合体在顶推施工过程中，作用在墩身及临时墩上的支点反力较大，为保证钢拱梁在顶推过程中支点处不至于挠曲变形过大而损坏，保证在顶推过程中拱肋和主纵梁共同受力，在拱梁拼装完成后，在拱肋与主纵梁之间安装临时撑压杆，临时撑压杆与拱肋和主纵梁之间采取铰接。顶推过程中各撑压杆最大轴力如表3所示。

表3 撑压杆最大轴力kN

从表3可知，A型撑压杆最大轴压力为11256 kN，最大轴拉力为4472 kN；B型撑压杆最大轴压力为5562 kN，最大轴拉力为5039 kN；C型撑压杆最大轴压力为2267 kN，最大轴拉力为864 kN。

4 结语

本文结合长沙福元路湘江大桥主桥工程，分析该工程的特点及顶推施工相关问题，对顶推施工全过程进行了计算分析，可以得出以下结论：

1）可通过拼装平台纵向长度、横向宽度，基础、立柱及上部纵横梁强度、刚度、整体稳定性的合理设计来保证钢拱梁拼装精度的要求。

2）拱梁结合段前端靠近墩顶或后端脱离墩顶时、导梁及撑压杆过墩时，主体结构及临时结构受力和变形均较为不利，施工时应加强这些工况的监测。

3）通过临时墩、撑压杆及导梁等的合理设置，可确保顶推过程中梁拱组合体系结构应力及变形在容许范围内。

4）采用步履式多点自平衡顶推系统，可实现三跨梁拱组合体系顶推施工，为步履式平移顶推系统的推广应用起着重要作用。

[1]叶贵如，沈利栋，张治成，等.梁拱组合体系拱桥整体顶推中的应力测试与分析[J].公路交通科技，2011，28（2）：64-69.

[2]曾明根，苏庆田，王巍.连续组合拱桥结构受力分析[J].结构工程师，2010，26（6）：54-58.

[3]周光强，向剑，舒大勇，等.杭州九堡大桥多跨连续组合拱桥步履式整体顶推技术[J].施工技术，2011，40（340）：27-31.

[4]傅琼阁，胡义新，姜保宋.九堡大桥主桥顶推施工控制分析[J].施工技术，2010，39（增刊）：343-347.

[5]朱少杰.组合结构箱梁桥连续顶推施工技术研究[J].公路交通科技，2010，11：189-192.