公路钢箱梁顶推法施工技术及数值模拟分析

鲁美 刘敏

云南省公路工程监理咨询有限公司 云南昆明 650021

钢箱梁顶推施工法的雏形就是钢桥的纵向拖拉施工法。上世纪70年代，我国修建狄佳河铁路桥时首次采用了顶推法。改革开放以来，我国交通基础设施飞速发展，采用顶推法施工修建的桥梁犹如雨后春笋般出现，使得我国的桥梁顶推施工技术不断进步、成熟。

1 顶推法施工技术

1959年，前联邦德国建造Ager桥过程中，莱昂哈特博士和鲍尔教授提出并运用了顶推施工法，从此该施工方法在世界桥梁建设中被广泛运用[1]。

桥梁顶推法中，用液压千斤顶装置取代了纵向拖拉法中的卷扬机装置，并用板式滑动装置代替纵向拖拉法中的滚筒装置，使得顶推法在应用中比纵向拖拉法更加方便、优越，适应性更强。顶推法的出现，弥补和消除了纵向拖拉法的一些不足之处。例如，钢箱梁下方用板式滑动装置取代了纵向拖拉施工法中的滚筒装置，使得梁底的应力集中现象得以减小甚至消除。

钢箱梁顶推施工大致流程是在沿桥梁纵向的后方钢箱梁拼装平台上将梁体进行拼装焊接，并梁体前端安装导梁，然后用液压顶推系统施加顶推力，使梁体通过各墩顶的临时滑动支座面到达设计位置。接着继续在箱梁拼装平台上拼装焊接下一节段梁体，循环操作，直到梁体全部顶推施工到设计位置。

图1 顶推法施工示意图

1.1 顶推施工分类

顶推法施工多种多样，按照顶推时对梁体的施力点位置及数量的不同，可将顶推方法分为单点顶推和多点顶推两种。

1.1.1 单点顶推

单点顶推法施工是指将水平顶推力集中施加在在桥台或者某个桥墩上，而其他桥墩和桥台上仅设置滑道装置。单点顶推法中，水平顶推力较为集中，若桥梁墩台刚度较小时，顶推过程会在墩台顶部产生较大的水平变形和位移，对桥墩台结构安全及其不利。

1.1.2 多点顶推

多点顶推法施工，是在每个墩台上设置水平千斤顶，通过该方法，把集中力分散到各个墩上。通过利用多个墩台的反作用力平衡梁体顶推时在滑道上产生的摩阻力，使得桥梁墩台梁体在顶推过程中承受的水平力较小，因此该方法可以在柔性墩上应用[2]。

1.2 顶推中的临时设施

为了减小施工中梁体所承受的内力值，从施工安全和方便角度考虑，钢箱梁顶推法施工中还可能使用一些临时设施结构，如钢导梁、临时墩、顶推导向及纠偏装置、拼装平台、滑动装置等。

1.2.1 钢导梁

所谓的钢导梁就是在钢箱梁顶推施工时在主梁顶推方向鼻端安装的等截面或变截面钢桁梁或钢板梁。在主梁前端安装导梁后，减小了主梁最大悬臂长度和主梁在顶推过程中的弯矩值，使主梁受力更加合理。钢导梁的使用除增大桥梁顶推施工的适用跨径范围外，还能能提高梁体在拼装平台上拼装时的梁体抗倾覆能力。

钢导梁对于桥梁顶推施工来说是一个非常重要的辅助结构。一个科学合理的导梁设计方案，不仅可以有效改善梁体内力分布情况，降低梁体顶推施工难度，还能提高导梁的重复利用性和顶推施工法的经济性。

1.2.2 临时墩

桥梁顶推施工中采用的临时墩主要能提供三个作用：①顶推过程中，钢箱梁承受的最大弯矩值与跨度呈正相关。临时墩减小了顶推跨度，进而减小了梁体跨中弯矩内力值大小，扩大了钢箱梁顶推法的适用范围；②设置临时墩可以降低梁端钢导梁的安装难易程度，还能提高顶推初始阶段的平衡性和抗倾覆稳定性；③临时墩能减小梁段顶推完成后钢箱梁梁尾的转角，进而减小顶推施工过程中梁体安装误差的积累，提高桥梁安装施工的精确度

1.2.3 顶推导向和纠偏装置

钢箱梁施工过程中，为了保证梁体中线始终在设计允许范围内，需要使用横向导向装置和纠偏装置。横向导向装置在曲线桥梁顶推施工中作用显得更加重要。

1.2.4 梁体拼装平台

梁体拼装平台是钢箱梁加工、安装、焊接、线形调整的操作平台。钢箱梁段在其上面可以通过平移、滑动来调整位置姿态，是梁体顶推施工的起始平台。

1.3 钢箱梁顶推施工监测

钢箱梁顶推施工过程中，施工监测是保证桥梁顶推施工质量和安全的一项有效重要措施。钢箱梁顶推施工中，主要的监控项目有三个：①箱梁线形控制；②应力控制；③稳定控制。其中，线形控制可以通过施工测量来实现；应力控制和稳定控制可以通过数值模拟计算来实现[3]。

2 工程概况

图2 桥型布置示意图

云南某高速公路马朗立交E匝道桥为跨越A匝道和主线公路而设,全桥按9联布置。该桥第四联采用标准跨径50m的简支钢箱梁上跨高速公路。

本工程所采用的简支钢箱梁为单箱双室结构，材质为Q345C钢材，跨径50m。箱梁跨中内轮廓梁高2.27m，外轮廓梁等高为2.3m。单幅顶面全宽11.74m，两侧各设2.25m宽挑臂。桥梁平面处于直线上。箱梁顶板厚16mm，U形加劲肋板厚8mm，板式加劲肋160×14mm。箱梁底板板厚14mm，腹板板厚12mm，横隔板厚10mm。

图3 钢箱梁截面示意图（cm）

3 有限元模型建立

有限元结构模型中，钢箱梁和导梁都采用梁单元进行模拟，材质为Q345C钢材。顶推装置中滑道、支架材料采用Q235钢材。本模型中钢导梁由两片主梁和两道横撑组成，与主梁顶底腹板采用焊接相连。钢导梁长32m，两片导梁的中心间距为7.3m。导梁的两主梁为变截面工字型结构，高度为0.74m～22.2m。模型中钢材弹性模量取2.06×105MPa，泊松比取0.3，密度取78.5kN/m3。

本模型将钢箱梁顶推施工过程划分为四个阶段。阶段1：导梁和主梁拼装；阶段2：导梁即将到达10号墩；阶段3：导梁到达10号墩；阶段4：主梁到达10号墩。

4 顶推过程各阶段受力分析结果

4.1 导梁和主梁拼装阶段

钢箱梁、导梁及滑道系统的最大组合应力为14.8MPa，最大剪应力为7.3MPa，导梁最大位移量为4.74mm。本阶段最大应力点出现在导梁支撑处，最大挠度点出现在导梁前端。

图4 阶段1 组合应力分析结果

4.2 导梁即将到达10 号墩阶段

导梁即将到达10号墩阶段，钢箱梁、导梁及滑道系统的最大组合应力为157.4MPa，最大剪应力为41.4MPa，导梁最大位移量为112.7mm。本阶段最大应力点出现在主梁支撑处，最大挠度点出现在导梁前端。

图5 阶段2 组合应力分析结果

4.3 导梁到达10 号墩阶段

导梁到达10号墩阶段，钢箱梁、导梁及滑道系统的最大组合应力为117.4MPa，最大剪应力为52.9MPa，导梁最大位移量为21.6mm。本阶段最大应力点出现在导梁根部，最大挠度点出现在导梁前端。

图6 阶段3 组合应力分析结果

4.4 钢箱梁到达10 号墩阶段

导梁到达10号墩阶段，钢箱梁、导梁及滑道系统的最大组合应力为117.4MPa，最大剪应力为52.9MPa，导梁最大位移量为21.6mm。本阶段最大应力点出现在导梁根部，最大挠度点出现在导梁前端。

图7 阶段4 组合应力分析结果

通过以上对钢箱梁顶推过程的模拟分析，将四个阶段下钢箱梁和导梁的最大组合应力、最大剪应力及最大位移值统计情况如图8所示。

图8 各阶段分析结果汇总

5 结语

根据以上有限元模拟分析结果得，钢箱梁顶推施工中最大组合应力为157.4MPa，最大剪应力为52.9MPa，最大挠度值为112.7mm。导梁、主梁材质为Q345C，强度和刚度均满足要求。

顶推法施工中梁体在顶推过程中所受弯矩、应力反复变化，正、负弯矩交替变化，造成结构受力相对复杂。

简支梁桥顶推施工中，导梁处于最大悬臂状态阶段阶段时，钢箱梁及导梁的组合应力、挠度值最大值出现在导梁根部，最大挠度点出现在导梁前端。该阶段导梁竖向挠度值大，对结构较不利，应加以重视，必要时可设置临时支撑结构。