自锚式悬索桥钢箱梁主梁的特点及顶推工艺

郭万里 任利剑 吴泽众

(1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210098; 2.河海大学土木与交通学院，江苏 南京 210098)

0 引言

自锚式悬索桥因其结构形式多样、跨径范围较大、景观优势突出、对地形适应能力强而得到了广泛的发展，在国内已完工的自锚式悬索桥中，桥面形式以钢筋混凝土箱梁和预应力混凝土箱梁为主。近年来，以钢箱梁作为主梁的自锚式悬索桥作为一种新兴的桥型，在国内桥梁建设事业中已经占据了一席之地。一方面由于这种跨径较大、造型美观、受力明确的结构形式正越来越受到人们的关注;另一方面随着我国钢铁工艺和钢结构技术的发展，箱形截面抗扭刚度大、选材灵活、整体性好以及节省钢材等特点使得钢箱梁结构在桥梁设计及建造过程中得到了广泛的应用。

因此，探求自锚式悬索桥钢箱梁主梁的顶推工艺显得尤为重要。本文对自锚式悬索桥钢箱梁主梁的特点进行了分析，对主梁的顶推工艺包括顶推系统、顶推工艺、落梁方案三方面进行了阐述，并重点分析了主梁顶推过程中需要控制的主梁线形、索鞍偏移和主梁应力三个基本内容。目前，顶推已经成为一种常见的主梁安装形式，本文的研究结果对顶推在施工中的安全运用具有重要的理论意义和实用价值。

1 钢箱梁的特点

钢筋混凝土和预应力混凝土梁具有可就地取材和工业化施工、耐久性好、适应性强、整体性好等特点，预应力混凝土梁桥更兼有节省钢材和跨越能力强的长处。但其施工方法大都采用设立支架进行现浇和施加应力，造价较高，工期较长，且预应力混凝土梁所用的钢材长期处于高应力状态，对外界腐蚀高度敏感，对机械操作要求较高，给设计、施工及后期的维护造成了一定的困难[1]。与混凝土和预应力混凝土结构桥梁相比较，钢箱梁结构主梁除具有抗扭刚度大、强度高、重量轻、整体性好和外形简洁流畅等特点外，还有如下特点:

1)设计方便。

由于钢材是以一定的规格供应的，钢箱梁是由钢材拼装焊接而成，对于主梁不同的受力分布，可以通过调整板厚和钢材的型号将钢箱梁的应力控制在安全范围之内，这对设计和施工几乎不增加难度，钢材用量增加也不多。

2)施工快捷。

水位的季节性变化对施工环境有重大影响，因此加快施工进度，提高工程质量，是桥梁建设发展的要求。钢箱梁节段可在钢构件加工工厂进行预制加工和初步喷涂，待加工完成后再运至现场进行拼装焊接[2]，可大大缩短工期。

2 钢箱梁主梁的顶推工艺

2.1 主梁顶推系统

根据主梁的结构形式，结合顶推施工的特点，主梁顶推系统主要分为顶推辅助结构措施和顶推设备两大类，其中顶推辅助结构措施细分为:顶推工作平台体系、临时支墩体系、导梁及顶推加固体系四个部分。

2.1.1 顶推工作平台体系

顶推工作平台一般是采用型材按一定的结构形式搭设而成的一种刚性支架，主要用于主梁主要构件的现场拼装。考虑顶推工作平台的稳定性及主梁顶推施工的需要，顶推工作平台横断面上的两个主立柱通常采用两种基础形式——混凝土承台基础和钢管桩基础，其中顶推设备位置的主立柱采用钢管桩基础，其余位置采用混凝土承台基础。

2.1.2 临时支墩体系

临时支墩体系根据其使用功能可分为吊装用临时支墩和顶推施工临时支墩。1)吊装用临时支墩。吊装用临时支墩是一种刚性支架，其材料选用及结构形式与顶推工作平台相类似。2)顶推用临时支墩。顶推用临时支墩是为主梁顶推施工而搭设的一种刚性支架。当桥梁所跨的水域较宽时，除岸上设临时支墩外，还需设江中临时支墩。

2.1.3 导梁及顶推加固体系

当顶推用临时支墩纵桥向最大间距大于航道通行要求航道净空宽度时，主梁前端需设置导梁。为降低导梁自重，并满足主梁顶推施工要求，一般采用变截面工字型导梁，由根部向端部逐渐减小。导梁与主梁连接处设有两组纵梁，其结构外形尺寸与边主梁保持一致，根部与边主梁采用焊接连接，两组纵梁间通过桁架式横梁连接形成整体。为便于导梁通过临时支墩，导梁的两组纵梁端部设计成台阶状，以利于过墩时起顶。

2.2 主梁顶推工艺

2.2.1 顶推前的准备工作

顶推设备布置原则是在需要布置顶推设备的临时支墩上每墩两套为一组，在墩顶的上、下游对称布置顶推设备安装完成后，连接好系统的油路及电路，进行调试以保证在手动、自动模式运行下，执行元件按设定的运动方式运行。联机调试时，启动泵站，选择手动运行模式，在主控台操作面板上执行元件伸缸或缩缸动作，检查其进行的动作是否正确，调节行程检测装置的检测元件，使检测装置的接触及检测正常。

2.2.2 导梁过墩顶工艺

顶推施工时，因主梁及导梁自重引起导梁前端下挠，故需在临时支墩的主横梁最前端设置上墩滑动装置，此装置包括下滑梁、滑动面、上滑动块、千斤顶、垫梁等。拟准备此装置共4套，每个临时支墩主横梁上各一套，可倒用。当导梁前端台阶到达临时支墩主横梁上方时，利用千斤顶将导梁前端顶升，继续顶推使千斤顶随导梁一起前行使导梁越过顶推设备至少一半的距离即可启动此临时支墩上顶推设备，并与其他顶推设备一起继续将主梁向前推进。

2.2.3 主梁落梁

顶推过程中，主梁梁底标高高于梁底最终设计标高，顶推到位后需进行落梁，完成永久支座的安装。主梁顶推到位后，顶推设备竖向千斤顶油缸升起将主梁顶起，更换两侧垫梁并在垫梁下方安置需要将梁顶升千斤顶，顶推装置竖向千斤顶油缸回程将主梁落于两垫梁上，即可拆除顶推设备。进行支座垫石浇筑及支座安装工作。待桥梁永久支墩上的顶推设备拆除且垫石及支座安装到位以后，进行全桥主梁的落梁，即利用临时支墩上顶推设备的顶升功能以及两侧垫梁的辅助完成落梁。整个落梁过程所有顶推设备均同步分级进行。

2.3 主梁顶推施工控制

主梁顶推施工控制是自锚式悬索桥难点之一，依据施工控制的总目标，施工控制的基本内容主要包括以下三个方面[3]:

1)桥面线形。成桥桥面线形是桥梁最终状态的宏观表现，不仅可以反映主梁的内力状态，还能在施工过程中不断检测与挑战，尽量减少实际桥面线形与设计桥面线形的偏差。因而是全桥施工监控中重要的指标之一，包括施工预拱度确定、主梁高程与轴线偏位监测及合龙后全桥通测高程偏差分析等内容[4]。自锚式悬索桥由于几何非线性、材料非线性、顶推临时支墩的影响以及施工过程中人为不确定因素所引起的误差等原因，桥面线形的变化会变得尤为突出。故需在桥梁顶推施工中，根据获取的参数和数据，对主梁进行分析和验算，对每一施工阶段，根据分析验算结果给出其梁端挠度等控制参数。这样，才能保证主梁的变形始终处于安全范围内，成桥后的线形符合设计要求。

2)索鞍偏移。索鞍偏移量和顶推次数的多少有两个决定因素:第一就是桥塔的控制应力;第二就是千斤顶的最大顶推力。对于设置主索鞍预偏量的悬索桥，在满足桥塔的稳定性和应力限制时，通常先要计算出各个吊装阶段的控制数据，再按主索鞍顶推阶段计算出的顶推量对主索鞍进行多次顶推[5]。当不能满足时，则在桥塔应力或最大顶推力达到极限状态时开始顶推，顶推到平衡状态后还要继续顶推一段距离，将后面调索过程中索鞍的偏移预留出来，当然这样的预留不能过大，也必须控制在最大顶推力和桥塔应力允许的范围内。

3)主梁应力。主梁应力的监测是整个施工过程特别是顶推过程中结构安全预测的主要依据[6]，在实际的施工监控中，除需对主梁各个控制点上下缘应力进行监测外，桥面和主缆各控制点的标高以及塔顶索鞍的偏移量也是重要的监测指标，对实时监测结果加以分析可以判断结构的安全度。通常情况下，对于刚性主梁自锚式悬索桥，如果桥面线形、主缆线形与设计线形吻合，索鞍顶推次数和顶推量合理，主梁应力就应该是合理的。

3 结语

钢结构自锚式悬索桥作为一种景观桥已经在国内兴起，钢箱梁顶推施工是钢箱梁结构桥梁的重中之重，因此寻求简单安全的施工工艺已经成为人们关注的焦点。施工质量与钢箱梁顶推过程中的控制点密切相关，在顶推过程中除了需要保证顶推设备和临时支墩的完善外，还需要注意桥梁桥面线形、索鞍偏移和主梁应力等方面的施工控制，可在确保工程质量的前提下避免返工、提高效率，节约成本。

[1] 张希黔，韦 亮，张宏胜.城市钢箱梁结构立交桥的特点及安装技术[J].施工技术，2004(9):1-2.

[2] 王政冰.钢箱梁长大节段整体制造安装施工工艺[J].桥梁建设，2006(2):54-57.

[3] 邵福彪.自锚式悬索桥施工控制方法研究[D].杭州:浙江大学，2006.

[4] 胡 永.超宽桥面部分斜拉桥主梁线形控制分析[J].铁道工程学报，2007(9):34-39.

[5] 孙胜江，王雷刚.悬索桥主索鞍可控状态自由滑移控制[J].桥梁建设，2010(1):67-70.

[6] 武志军.预应力混凝土斜拉桥考虑剪力滞效应的主梁应力监控[J].铁道标准设计，2012(6):73-76.