基于步履式顶推施工的跨高速公路钢箱梁桥设计

袁鹏飞, 杨怀英

(合肥市规划设计研究院，安徽 合肥 230041)

0 引 言

对于跨线桥梁设计，尤其是在交通繁忙的道路上建造跨线桥，受桥下道路通行、施工组织、交通管控等因素的制约，桥梁总体设计多采用跨越能力较强，施工快捷方便的连续钢箱梁方案。钢箱梁桥的架设方法有多种，如吊装法、悬拼法、浮运架设法、顶推法。顶推法主要用于受施工场地限制的立体交叉处，国内钢箱梁施工中应用逐渐增多，当桥梁施工过程要求不影响下方道路的正常通行时，顶推法施工是较理想的方法。多点顶推施工无须搭设大量支架、不必封闭车道限制交通，可有效降低桥梁顶推施工对桥下车辆通行的不利影响，同时可提高施工效率，缩短建设工期。

1 工程概况

本桥为合肥市空港经济示范区兴业大道上跨G40沪陕高速公路合六叶段桥梁，跨越处现状高速公路路基宽27.0 m，双向4车道。为充分预留高速公路远期拓宽条件，桥梁跨径布置为(40+60+40)m，连续钢箱梁，双幅桥布置。主梁采用单箱四室断面形式，腹板间呈封闭箱型，梁高2.6 m，单幅箱梁桥顶宽19.4 m，底宽12.3 m；桥面板采用正交异性板结构，标准断面顶底板及腹板厚均为16 mm，边支点附近顶底板厚24 mm，中支点顶底板厚28 mm。除悬臂部分外，顶板其余范围纵向加劲肋采用厚8 mm 的U肋，横向间距600 mm。悬臂端部局部采用厚14 mm的板式加劲肋，间距300 mm。底板宽度范围纵向加劲肋均采用厚8 mm的 U肋，横向间距600 mm。沿箱梁纵向间隔2～3 m设置厚14 mm的横隔板，并在连接导梁的中腹板底板处间隔500 mm设置局部加劲肋。因跨越点高速路段交通繁忙，为不影响下方高速公路正常双向通行，采用步履式多点连续顶推法分幅施工。主梁钢材材质采用Q345qD，单幅钢箱梁重约1 713 t。作为安徽省首例采用步履式多点顶推法施工跨越高速公路的市政桥梁项目，主跨60 m钢箱梁桥在结构设计、施工线形控制、现场管理等方面都需要更高的要求。跨线桥标准横断面如图1所示。

图1 跨线桥标准横断面(单位:m)

2 钢箱梁顶推施工风险防控

对于上跨高速公路桥梁的施工，需要重点解决的问题是工程施工与既有高速公路运营的相互影响。桥梁跨越沪陕高速公路，为确保顶推施工顺利完成，保证高速公路正常通行，避免高空坠落物等不利情况的发生，顶推施工需要注意以下几个方面。

(1)每阶段开始顶推时，先进行试顶推，然后正式顶推。通过试顶推演练顶推施工、顶推测量监控的具体实施，可以发现准备工作中的不足，并做相应整改。

(2)顶推时，应派专人检查梁底及支撑体系，如果支架或分配梁发生变形、地基发生沉降或箱梁局部变形等情况发生时，应立即停止顶推，分析处理。

(3)须对顶推的梁段中线进行测量，并控制在允许范围以内，同时进行位移观测，主要是梁底的中线偏移和墩顶的水平、竖向位移，若出现偏差，需要及时纠偏。

(4)高速公路交通流量大，交通组织复杂，运输极其繁忙，施工前应制定详细、合理的施工方案及施工组织设计，交通组织，保通以及紧急情况下车辆绕行预案等方案。

(5)施工期，施工设备及材料等搬运过程中严禁向高速公路抛洒落物，并应制定严格的措施确保不坠物。

3 钢箱梁桥顶推施工方案

采用步履式多点顶推千斤顶设备同步顶推实现桥梁的竖向、顺桥向、横桥向的移动或调整，从而保证箱梁顶推安装过程中的位置准确。顶推过程中每台千斤顶设备利用“顶”、“推”、“降”、“缩”四个步骤交替进行，先将箱梁整体顶升托起，然后顶推平移油缸向前推送一个行程，之后将梁体整体下降置于临时墩分配梁上，顶推平移油缸再回缩，完成一个行程的顶推，然后进行下一个顶推循环行程，单个行程向前顶推0.3 m，顶推速度约2 m/h。

3.1 顶推总体方案

桥梁拟采用顶推和吊装结合方式安装钢箱梁，单幅共分为15个节段，桥梁纵向分段示意图如图2所示。由于箱梁跨高速公路，限制了临时支墩设置和吊车作业，因此在跨高速公路及前端部分拟采用顶推方式完成安装。具体4-15节段为顶推节段，1-3节段为吊装节段。吊装设备拟采用200 t汽车吊。钢梁节段由厂内发运至现场安装，顶推节段按15-4节段顺序在临时支架上分步焊接成整节段后，采用步履式顶推方式将15-4节段依次顶推到位、落梁，剩余3-1节段采用汽车吊进行吊装。按此方式先后完成西、东幅钢箱梁的安装，施工场地布置示意图如图3所示。

图2 桥梁纵向分段示意图(单位:m)

图3 施工场地布置示意图

3.2 钢导梁设计

导梁由两片主梁及两道横撑组成，导梁全长25 m，为顶推跨度的0.625倍，主梁中心距7 m，工字型结构，主梁间横撑为I20工字钢。为了使导梁更好的上顶推支墩，将导梁前端设计为台阶形构造。导梁材质Q345B，导梁总重约为60 t。导梁在与钢箱梁对接焊接时，顶底板对接焊缝应达到100%的熔透，并在顶板、底板处设置加劲板，增强连接的可靠性。

3.3 拼装支架及顶推支架设计

拼装支架由4根φ426×8的立柱和10槽钢的斜撑和横撑组成，分配梁用双排的40工字钢组成，加强结构的整体稳定性。顶推支架由四根钢管桩构成，按照200 t设计单个支墩反力，选用外径630 mm、壁厚10 mm的钢管设置支架，钢管桩下地面做混凝土硬化，并在混凝土内进行钢筋预埋。单幅设顶推支架5组，用于钢箱梁的步履式顶推施工，支架基础采用(5×5×0.6) m的C30钢筋混凝土形式。支架立面布置示意图如图4所示。

图4 支架立面布置示意图(单位:m)

4 计算分析

4.1 施工阶段应力验算

顶推过程中，桥梁的边界条件和荷载条件在各施工阶段均在发生变化，且每一截面的内力以正负弯矩交叉出现。桥梁顶推阶段的结构受力及变形控制对落梁成桥后的结构受力及成桥线型起决定作用[4]，因此需要对施工过程各个工况进行计算分析。

根据上述支架布置情况，顶推作业期间主要验算以下三种工况。

工况一：导梁即将上墩时，主梁悬臂长度最大时主梁及导梁的受力情况。

工况二：导梁完成上墩时，导梁前端到达临时支墩处。

工况三：导梁与主梁衔接处(后端)到达临时支墩处。

利用MIDAS Civil有限元软件，建立主梁+导梁模型,如图5所示，进行模拟计算。主梁边界条件除最大悬臂状态结构外，其余结构按移动模架边界设置。计算荷载考虑主梁和导梁自重及部分施工荷载。计算结果见表1。

图5 计算模型

表1 主梁及导梁施工阶段计算结果表

由表1可知，施工阶段各应力值均在规范容许范围内。

4.2 运营阶段受力分析

运营阶段建立有限元模型，荷载按如下规定取值：主梁自重由程序自动计算；二期荷载(桥面铺装与防撞护栏)，按均布荷载施加；汽车荷载，城-A级，单向3车道，横向折减系数取0.78，汽车荷载按最不利情况考虑加载；温度作用包括系统升温、降温以及温度梯度，根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)取值计算；冲击系数按2.3 Hz基频考虑计算；基础不均匀沉降，边墩按10 mm取值，中墩按15 mm取值。

4.2.1 第一体系应力

钢箱梁沿纵向整体受力，其受力特性为跨中正弯矩最大，支座负弯矩最大。采用空间梁单元模型计算主梁上、下缘最大应力以及剪应力。荷载基本组合下计算结果见表2。

表2 主梁第一体系应力计算结果

4.2.2 第二体系应力

作为桥面系直接承受车轮荷载作用的构件，钢桥面板由纵肋和顶板组成，将桥面荷载传递至横隔板。针对这一结构体系，把横隔板间的单根纵肋及相应有效宽度的桥面板作为整体，以横隔板为支撑，计算其在外荷载作用下的应力。因设计纵肋穿越横隔板保持连续，所以纵肋具有联系梁的特性。按多点刚性支承连续梁计算纵肋弯矩，跨度采用横肋间距3 000 mm，采用MIDAS Civil程序计算，纵肋上缘最大应力为22.8 MPa，最小应力为-58.7 MPa，下缘应力为192.6 MPa。

第一体系与第二体系叠加后的结果见表3。

表3 主梁第一体系+第二体系应力计算结果

4.3 疲劳验算

根据《公路钢结构桥梁设计规范》5.5.3～5.5.4规定进行疲劳验算，取疲劳荷载计算模型Ⅰ。根据附录C中表C.0.2和第5.5.8条查得，本桥钢梁对应的细节类别为100。根据规范公式计算，跨中区域上、下缘正应力幅分别为10.9 MPa、

14.9 MPa，均小于考虑尺寸效应折减及疲劳抗力系数调整的正应力常幅疲劳极限值54.6 MPa，正应力疲劳验算满足规范要求；连续墩顶区域、伸缩缝区域剪应力幅分别为7.1 MPa、6.5 MPa，均小于考虑疲劳抗力系数调整的剪应力幅疲劳截止限值33.9 MPa，剪应力疲劳验算满足规范要求。

5 结束语

顶推法施工凭借其安全、高效、施工场地少、对周边环境影响小等优势逐渐成为桥梁施工中不可或缺的施工方法。结合跨沪陕高速公路钢箱梁桥顶推施工的工程实例，模拟分析了钢箱梁在顶推施工过程以及成桥状态的主要受力性能，为今后类似桥梁设计、施工提供了借鉴经验。

(1)对于跨高速公路的桥梁设计，需综合分析考虑结构形式、施工工艺方法、高速道路断面布置及其交通流量等多种因素，优化设计方案，尽量做到使桥梁施工对高速公路的通行影响最小；

(2)通过对顶推施工过程以及成桥阶段计算分析，结合顶推施工最不利工况下的应力结果可知，顶推法施工钢箱梁桥的受力在正负弯矩交替出现的过程中是满足规范要求的，最终的成桥状态是安全可靠的；

(3)顶推施工是一项工艺复杂，线形控制要求高、难度较大的技术，只有加强管理，严控施工质量，做好针对性的风险防控措施，通力合作，才能保证安全、高效的质量目标。