顶推法施工过程控制技术在钢桁架连续梁桥中的应用

闫 鹏

（山西交通控股集团有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

桥梁是跨越江河湖海、深沟峡谷等自然屏障的人工构筑物，是交通设施互联互通的关键节点和枢纽工程，是国民经济发展和社会生活安全的重要保障[1-3]。目前，桥梁常见的施工方法有悬臂施工法、逐跨施工法、逐段施工法以及顶推施工法，在钢结构桥梁中顶推法以其独特的优势得到了越来越广泛的应用[4-5]。

许多学者对桥梁顶推施工技术及施工过程受力进行了较为深入的研究。Granata Michele Fabio学者通过对施工过程中施工过程结构参数分析，提出当导梁长度与顶推最大悬臂比值取0.6时可以提高施工过程安全性的结论[6]；戴杰通过对青银高速公路济南黄河大桥顶推施工过程研究提出了钢结构桥梁在顶推施工中要以主梁线形控制为主、截面应力为辅的顶推施工控制理念[7]；颜东煌等通过对三汊机大桥钢箱梁顶推施工过程中截面应力和主梁线形监控提出了拼接钢箱梁施工控制体系，为保证钢箱梁顶推施工成形阶段结构受力和线形与目标状态一致提供了理论基础[8]。然而目前对顶推施工法过程控制的研究主要集中在混凝土箱梁或钢箱梁，而对钢桁架桥梁顶推施工过程控制方面研究较少。因此，本文以陕西省富县管廊跨河大桥为工程依托对钢桁架连续梁顶推施工过程中主梁受力和挠度变化进行研究。

1 工程概况

富县管廊跨河大桥为延安煤油气资源综合利用项目，是陕西省和延安市确定的重大项目之一，是延长石油集团加速产业结构调整，实现油气煤一体化综合利用的重要举措，对加快陕北能源基地建设，发挥陕北资源优势，推动区域经济发展有着重要的意义。

管廊跨河大桥桥长318 m，共7跨，纵向布置为第一联（48+36+48+48）m钢桁架连续梁和第二联（42+48+48）m钢桁架连续梁。桥墩采用空心和实心墩相结合，桥梁上部采用3层钢桁架结构，桥宽15 m，高6 m。检修通道位于桥梁两侧，各1.5 m宽，布置在桁架底层，采用悬挑结构。管廊跨河大桥桥型布置图见图1。

图1 管廊跨河大桥桥型布置图（单位：mm）

本文主要对富县管廊跨河大桥第二联（42+48+48）m钢桁架连续梁顶推施工过程中结构受力和线形进行控制研究。（42+48+48）m钢桁架连续梁桥由两个48 m跨及一个42 m跨连续桁架组成，采用顶推安装方案。现场在5号墩后设置54 m现场拼装胎架，在胎架上以2号墩向5号的顺序进行逐段拼装，分段顶推，并经6次顶推后达到预定的成桥状态。针对桥墩较高、跨径较大的特点，本工程采用了“导梁+滑道梁”的顶推施工法。第二联（42+48+48）m钢桁架连续梁后两跨均为48 m，跨度较大且现场后侧拼装胎架长度有限，为了避免钢桁架顶推施工过程中产生倾覆，二、三跨采用滑道梁作为临时支撑来进行顶推；第一跨为42 m跨度相对较小且钢桁架后端已有足够的抗倾覆长度，为了提高施工效率该跨采用钢导梁的方式进行顶推施工。对于桥墩较高、跨径较大的钢桁架桥梁，“导梁+滑道梁”的顶推施工法能够有效地提高施工过程中的安全性、稳定性和经济性。

2 监测内容

富县管廊跨河大桥第二联（42+48+48）m钢桁架连续梁主要通过对顶推施工过程中结构线形、应力的监控，保证本项目在顶推施工过程中对自身的挠度、应力在可控范围之内，并在变形达到一定限制条件时发出预报警，保证顶推施工的安全进行和施工质量。

2.1 应变监测

对富县管廊跨河大桥第二联（42+48+48）m钢桁架连续梁24个测点进行监测，其中主桁架结构上布置两组测点，每组6个测点，临时支架结构上布置两组测点，每组6个测点，各测点名称及位置如表1所示。

表1 应变测点名称及位置

主桁架结构12个测点平面布置及立面布置情况如图2、图3所示。

图2 主桁架结构上层平面测点布置图

图3 主桁架结构下层平面测点布置图

临时支架结构12个测点平面布置及立面布置情况如图4、图5所示。

图4 临时支架结构上层平面测点布置图

图5 临时支架结构下层平面测点布置图

2.2 变形监测

富县管廊跨河大桥第二联（42+48+48）m钢桁架连续梁顶推施工过程中变形监测和线形施工控制按照“计算”→“施工”→“量测”→“修正”→“施工”循环过程进行。严格按照施工控制方案对主梁关键点进行挠度测量，通过对测量值与模型理论值的误差进行分析、调整、预测，为下一步的监测提供依据。

本桥在施工过程中对变形监测的主要内容如下。

2.2.1 主钢桁架挠度监测

钢桁梁挠度测点布置在各墩墩顶截面和各跨跨中截面，每个断面横向布置1个测点，采用短钢筋焊接在钢桁梁顶面（其中中间测点钢筋顶面刻十字丝）。主钢桁梁挠度监测点为1～3号、10～17号点。

2.2.2 滑道钢桁架挠度监测

滑道梁的变形决定顶推施工能否顺利进行，因此需要对其挠度变化情况进行全程监测，滑道钢桁梁挠度监测点为4～9号点。

2.2.3 墩柱竖向位移监测

根据墩柱压缩变形理论计算结果，在墩柱施工阶段提供各墩墩顶封顶标高，确保成桥后墩柱标高满足设计要求。

3 有限元模型建立

根据富县管廊跨河大桥施工顺序，基于空间有限元分析软件MIDAS建立全桥有限元模型，根据施工方案共划分为45个施工阶段对施工过程进行受力分析，施工过程中初始系统温度默认为0℃。结构整体模型见图6。

图6 富县管廊跨河大桥整体模型

钢桁架连续梁部分施工阶段模型见图7～图10所示。

图7 富县管廊跨河大桥第二联Stage0模型

图8 富县管廊跨河大桥第二联Stage6模型

图9 富县管廊跨河大桥第二联Stage24模型

图10 富县管廊跨河大桥第二联Stage45模型

4 顶推施工过程中结构应变控制分析

结构应变采集部分试验设备及其布置如图11 所示。

图11 部分试验设备

现场监测数据均为应变，根据公式：

取钢材弹性模量E=2.1×105MPa，将各监测应变值转化为应力值，并将测试值与理论值进行对比。数据采集时的环境温度为30℃～40℃。

4.1 主桁架各测点应力值对比

图中 1’、2’、3’表示理论值，1、2、3 表示监测值，其余类似。

图12 主桁架各测点应力图

由图12可知，富县管廊跨河大桥第二联（42+48+48）m钢桁架连续梁顶推施工过程中主桁架各测点应力实测值与理论计算值计算较吻合，其中主桁架应力误差最大点为S2监测点，实测应力为71.44 MPa（压应力），理论分析结果 60.78 MPa，误差率为14.9%，且均小于Q345钢材屈服强度设计值310 MPa。

4.2 滑道临时支撑桁架测点应力值

由图13可知，对比富县管廊跨河大桥第二联（42+48+48）m钢桁架连续梁顶推施工过程中滑道临时支撑桁架各测点应力实测值与理论计算值，误差最大点为X3监测点，94.22 MPa（压应力），理论分析结果为81.58 MPa，误差率为13.4%，应力实测值与理论计算值计算较吻合。

通过模型和现场实际情况对比，现场实际温度和模型系统温度不相同是引起主桁架各测点和滑道临时支撑桁架测点应力理论值和实测值不一致的主要原因。因此对于昼夜温差大、气温变化快的地区，要尽量在凌晨等温度相对稳定时间段进行测量，同时在模型中对系统温度进行修正，从而减小温度效应对钢结构施工的影响程度，保证工程的顺利进行。

图13 滑道临时支撑桁架各测点应力图

5 顶推施工过程中结构线形控制分析

钢桁架顶推施工过程中到达指定施工中间状态后要采用水准仪对主梁标高进行测量，并与理论分析得到的测点标高进行对比，当误差在合理范围内时可进行下一步的顶推施工，否则就要通过墩顶支撑处千斤顶进行调整，严格按照“计算”→“施工”→“量测”→“修正”→“施工”循环过程进行监测。数据采集时的环境温度为30℃～40℃，挠度采集照片如图14所示。

管廊跨河大桥钢桁架竖向变形的理论值与实测值对比结果如图15所示。图中1·2·3’表示理论值，1·2·3表示监测值，其余类似。

根据现场钢桁架施工过程变形数据监测结果的对比分析，在施工过程中钢桁架结构的变形处于正常状态，符合结构变形要求。结构顶推过程中变形最大的点为5号监测点，为-14.6 mm，理论分析结果-13.9 mm，满足要求。同主桁架各测点应力变化规律，温度取值的不一致导致了现场钢桁架施工过程变形数据监测值与理论值的误差，因此在实际工程中应采取措施通过控制温度效应对钢结构施工的影响程度从而达到精确控制施工过程的目的。

图15 钢桁架竖向变形的理论与实测对比值

富县管廊跨河大桥第二联（42+48+48）m钢桁架连续梁根据结构特点和施工工艺，采用了“导梁+滑道梁”的顶推施工法，钢桁架桥梁顶推施工过程中主梁内力和变形监控数据均满足误差要求，并最终达到了预定的合理成桥状态。

6 结论

本文以富县管廊跨河大桥第二联（42+48+48）m钢桁架连续梁顶推施工为背景，对钢桁架桥梁顶推施工过程中主梁内力和变形进行数据采集和分析，研究结果表明：

a）对于桥墩较高、跨径较大的钢桁架桥梁，“导梁+滑道梁”的顶推施工法能够有效地提高施工过程中的安全性、稳定性和经济性。富县管廊跨河大桥第二联（42+48+48）m钢桁架采用了“导梁+滑道梁”的顶推施工法，钢桁架桥梁顶推施工过程中主梁内力和变形监控数据均满足误差要求，并最终达到了预定的合理成桥状态。

b）温度变化是影响钢桁架和滑道临时支撑桁架变形和受力的主要因素。对于昼夜温差大、气温变化快的地区，要尽量在凌晨等温度相对稳定时间段进行测量，同时在模型中对系统温度进行修正，从而减小温度效应对钢结构施工的影响程度，保证工程的顺利进行。

c）富县管廊跨河大桥第二联（42+48+48）m钢桁架连续梁顶推施工的顺利完成可为同类型桥梁的顶推施工提供参考。