钢箱梁桥顶推法施工结构分析

李泉彬（广东省交通规划设计研究院股份有限公司）



钢箱梁桥顶推法施工结构分析

李泉彬
（广东省交通规划设计研究院股份有限公司）

【摘要】钢箱梁桥较混凝土桥梁自重小、跨度大、施工对周边影响较小，随着交通的日益发展及钢桥制造水平的提升，施工方便的钢桥应用逐渐增加，施工工艺也日趋呈现多样化、标准化。顶推法施工操作条件好、不影响桥下交通，有广泛应用的趋势，本文对顶推施工过程中各关键工况进行分析，有效地指导结构设计及施工控制。

【关键词】钢箱梁；顶推法；临时支点；导梁

1　引言

广河高速跨线桥位于广东省惠州市境内，主要功能是跨越广河高速，主跨受限于广河高速路宽和附近涵洞，综合地形和经济性方面考虑，主跨跨径2x75m，主梁采用等截面钢箱梁，单箱三室断面，桥面宽23.1m，箱宽5.2～5.4m，悬臂长3.55m。主梁中心高度3.2m，高跨比1/23.44。下部结构主墩采用门式墩，主墩墩高7m，过渡墩墩高12m。墩身尺寸为：纵桥向宽2m，横桥向宽13.2m。半幅桥主墩基础采用6根D160cm钻孔灌注桩。

考虑到广河高速交通量大，设计时速120km，车速较快，桥梁与被交路平面交角较小，采用顶推法施工，可使桥梁施工对广河高速的影响降到最低。中间设临时墩以减小顶推跨径，最大跨径45m，主梁采用单向多点顶推法，将钢箱梁顶推到设计位置。顶推方向由新丰侧向博罗侧进行，顶推支墩立面布置图见图1。

2　模型建立及计算方法

图1　广河高速跨线桥顶推布置图

图2　钢箱梁断面布置

采用midas/civil建立全桥施工模型，导梁以及主梁均采用梁单元模拟，主梁断面布置图如图2所示。临时墩与主梁支承处采用一般约束模拟，顶推施工工况模拟采用支承点向后转移进行，工况示意见图3。

图3　顶推工况模拟方法示意图

关键工况验算划分如表1所示。

表1　顶推关键工况

3　顶推过程中受力分析

3.1桥墩及临时墩支承反力

利用有限元模型，对结构进行计算，顶推过程中各工况支点反力结果见表2，计算结果未考虑支座沉降影响。

表2　各工况支承反力

由表2可知：钢箱梁顶推过程中，工况4时临时墩产生最大反力值6267.4kN，此时导梁顶推至中墩前，顶部未与墩顶连接，临时墩及基础的结构设计，可按此工况下的反力值控制；边墩与中墩的施工过程反力值均较该墩的设计反力小，结构安全；在工况4中，边墩出现负反力，可采用压重的方式解决。

3.2钢箱梁受力及变形

顶推过程中，各工况钢箱梁自身受力及变形如图4-图6（左侧为顶推前进方向，下同）。

图4　施工阶段主梁正弯矩包络图（kN.m）

图5　施工阶段主梁负弯矩包络图（kN.m）

图6　施工阶段主梁剪力包络图（kN）

由上图可知：钢箱梁顶推过程中，钢箱梁自身最大正弯矩值为11879.4kN.m，最大负弯矩值为45440.5 kN.m，最大剪力为3365.3kN。各工况下钢箱梁最大应力及最大竖向挠度结果见表3。

表3　各工况钢箱梁最大应力及挠度

钢箱梁的最大受力及变形，发生在工况4，此时导梁顶推至中墩前，顶部未与墩顶连接，前进端处于大悬臂状态。在此工况下，钢箱梁钢板最大拉应力26.6MPa，最大压应力44.3MPa，最大剪应力19.6MPa，梁端最大挠度2.19cm。

3.3导梁受力及变形

导梁的作用是减小主梁悬臂长度，增大顶推跨径，防止顶推过程中主梁因悬臂过大而发生倾覆。导梁的合理长度应使施工过程中主梁最大负弯矩与使用状态支点负弯矩接近，过长的导梁会导致导梁和主梁联结处的负弯矩与支反力增加，导梁过短会导致顶推过程中主梁负弯矩增加，一般导梁长度宜为顶推跨径0.6～0.7倍。广河高速跨线桥的最大顶推跨径45m，导梁长度28m，为跨径长度0.62倍，采用双工字型截面，梁高1.65m～3.2m。顶推过程中，各工况导梁的受力及变形如图7-图9。

图7　施工阶段导梁正弯矩包络图（kN.m）

图8　施工阶段导梁负弯矩包络图（kN.m）

图9　施工阶段导梁剪力包络图（kN.m）

由上图可知：顶推过程中，导梁自身最大正弯矩值为6106.8kN.m，最大负弯矩值为13518.2 kN.m，最大剪力为984.7kN。各工况下导梁最大应力及最大竖向挠度结果见表4。

表4　各工况导梁最大应力及挠度

导梁的最大弯曲变形发生在工况4，此时导梁顶推至中墩前，顶部未与墩顶连接，前进端处于大悬臂状态，在此工况下，导梁的最大拉应力19.6MPa，最大压应力19.7MPa，梁端最大下挠8.4cm；最大剪应力发生在工况5，此时导梁梁端到达中墩，因梁端截面高度最小而有最大剪应力。

4　结论

⑴根据有限元计算结果，顶推至最大悬臂状态时，临时支墩有最大反力6267.4kN，对于临时结构来说，荷载较大，应验算墩柱承载能力及稳定性。桥位地质显示地表层为粘土，可选用浅层简易桩基础配合扩大基础，控制基础沉降，以满足顶推精度要求，降低由于基础变位产生的次内力。

⑵钢箱梁结构选用Q345钢，其容许弯曲应力［σw］=0.6fy=0.6×345=207MPa，容许剪应力［τ］=130MPa，竖向挠度限值为l/300=4500/300=15cm，根据有限元计算结果，钢箱梁施工过程中最大拉应力26.6MPa，最大压应力44.3MPa，最大剪应力19.6MPa，梁端最大挠度2.19cm，均满足安全要求。

⑶导梁为临时结构，选用Q235钢，其容许弯曲应力［σw］=0.65fy=0.65×235=152.8MPa，容许剪应力［τ］＝98MPa，根据有限元计算结果，导梁的最大拉应力19.6MPa，最大压应力19.7MPa，最大剪应力11.3MPa，满足安全要求。顶推至最大悬臂时，导梁梁端最大挠度8.4cm，小于竖向挠度限值，但依然较大，影响顶推安装，施工中应采用矫正措施以保证顶推顺利进行。

⑷通过上述计算可知，钢箱梁主梁、导梁在顶推过程中的应力较小，而临时支墩的反力较大，说明对本桥的钢箱梁结构而言，45m的顶推跨径偏小。施工时可根据现场及设备条件，采用增大顶推跨径（不使用临时支墩）、减小导梁长度等优化方式，降低施工临时消耗，取得更好的工程经济性。●

【参考文献】

［1］林元培.桥梁设计工程师手册［M］.北京∶人民交通出版社，2007.

［2］范立础.桥梁工程（上册）［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［3］交通运输部.JTG D64-2015，公路钢结构桥梁设计规范［S］.人民交通出版社，2015.

［4］交通运输部.JTG/T F50-2011，公路桥涵施工技术规范［S］.人民交通出版社，2011.

［5］张晓东.桥梁顶推施工技术［J］.公路，2003，9：45-51.

［6］张培炎.桥梁顶推施工过程受力分析及关键问题研究［D］.西南交通，2011.