三跨连续钢箱拱桥整体顶推设计及施工过程受力性能分析

卢元刚

(1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司 合肥市 230088；2.公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心 合肥市 230088)

0 引言

顶推施工具有安全、快速、环境影响小和施工场地少等优点，在国内外中小跨径桥梁建设中得以广泛应用，随着设计和施工技术的不断提高，顶推法也被逐渐应用于长大跨径桥梁，所应有的桥梁类型有斜拉桥、拱桥等复杂桥梁。

以淮南孔李淮河大桥为工程背景，首先介绍本桥拱梁整体顶推施工过程及构造措施，然后采用有限元软件，结合该桥结构特点，进行整体顶推施工仿真分析，对主桥和临时构件在顶推过程中的受力和变形进行计算，得出各构件最不利的应力、位移及各关键工况临时墩反力，分析结果验证拱梁整体顶推施工可行性。

1 工程概述

孔李淮河大桥主桥为三跨连续下承式钢箱系杆拱桥(图1)，跨径布置为(110+180+110)m，主拱跨径180m，立面矢高45m，边拱跨径110m，立面矢高27.25m[1]，双向六车道，桥梁全宽42m。主梁与拱圈(主拱圈高45m)整体顶推过河，实现桥梁贯通，为淮河桥建设首次应用。

图1 孔李淮河大桥总体布置图及建成后实景

2 顶推施工方案及施工响应措施

主桥采用整体顶推施工法，具体顶推过程如下：

(2)施工河道中临时墩。

(3)在河岸边已建拼装平台上采用先梁后拱的顺序进行拱梁拼装。

(4)安装主纵梁与拱肋之间的临时支撑及钢导梁，钢导梁长45m。

(5)顶推左边拱和中拱，直至左边拱和中拱顶推到位。

(6)在支架上拼装右边拱[2]。

根据现场条件，在中拱跨中设置2个临时墩，左边拱设置2个临时墩，施工期间各永久桥墩不承担荷载，临时墩间最大间距80m[3]，右边跨完全在台架上拼装，各临时墩布置如图2。

图2 临时墩的布置图

结合施工过程和成桥，以成桥运营控制设计为原则，设置临时拱梁间A型临时支撑、前导梁，配合多点步履式自平衡整体顶推系统，实现顶推过程中受力均匀和整体稳定性[4-5]。顶推过程中拱肋撑杆等临时构造设置如图3。

图3 顶推期间中拱肋临时撑杆构造设置

主桥拼装顶推过程现场整体实景如图4所示。

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图4 拱梁整体顶推施工实景图

3 顶推施工计算模型

顶推过程中主梁和拱圈受力处于连续变化状态，且对桥梁整体稳定性要求高。设计阶段分析各不利施工工况桥梁受力，采用有限元软件对主桥结构进行顶推施工仿真分析，采用梁单元模拟拱肋、主纵梁及临时支撑等构件，用索单元模拟吊杆[6]。

顶推过程模拟采用梁不动，通过调整支承体系，随顶推阶段变化而变化的方法，对主桥顶推施工过程进行仿真模拟，并以主桥每向前顶推5m作为一个顶推工况，整个施工过程共分为75个施工工况。

成桥阶段及顶推过程计算模型(最大悬挑工况)如图5、图6所示。

图5 主桥成桥计算模型

图6 主桥顶推计算模型(最大悬挑工况)

计算模型的边界条件：主拱肋与主梁之间、主拱肋与临时支撑之间采用共节点的刚接，主纵梁与前导梁连接采用固接。

计算模型荷载条件如下：结构荷载主要包括竖向自重荷载；使用阶段荷载包括温度梯度、不均匀沉降和活荷载等，其中不均匀沉降主墩设置2cm。过渡墩设置1cm不均匀沉降，主梁截面梯度温度参照英国BS5400规范取值[7]。

4 计算结果及其分析

根据主桥结构的顶推施工仿真模拟，给出各构件在最不利顶推工况下的最大应力和位移包络值[2]。

4.1 应力计算

(1)顶推过程中拱肋、系梁、拱肋临时支撑、前导梁在荷载组合下应力包络图，如图7。

图7 顶推过程中拱肋上下缘应力

由图7看出顶推过程中拱肋上、下缘最大应力为115MPa，最小应力为-175MPa(正值为压应力，负值为拉应力)，最大、最小应力均出现在左边拱肋。

(2)顶推过程中系梁在荷载组合下应力包络图，如图8。

图8 顶推过程中系梁上下缘应力

由图8看出顶推过程中系梁上、下缘最大应力为239MPa，最小应力为-179MPa(正值为压应力，负值为拉应力)，最大、最小应力均出现在左边拱系梁。

(3)顶推过程中拱肋临时支撑在荷载组合下最大及最小应力包络情况如下：拱肋临时支撑上、下缘最大应力为128MPa，最小应力为-133MPa(正值为压应力，负值为拉应力)。

顶推过程中主拱肋、拱肋临时支撑、前导梁最大应力及最小应力均不大，均小于180MPa；主纵梁在边拱顶推100～115m施工段，边拱局部点最大应力相对较大，为235MPa，但仍小于Q345钢材施工阶段容许应力295MPa。根据以上计算结果看出，主拱结构的设计、临时支撑及临时墩的设置是合理的，适用于顶推施工[8]。

4.2 位移计算

为保证顶推过程中主桥各构件的刚度满足设计要求及前后钢导梁顺利通过支墩，需进行相应位移分析。各构件在荷载组合作用下拱肋、系梁位移包络图见图9。主拱、钢主纵梁在顶推过程中的最大竖向位移为34cm，满足设计和施工要求。在顶推阶段中，在各不利工况下主体结构位移不大，就刚度而言，主桥结构设计、临时支撑及临时墩的设置是合理的，适合顶推施工[9]。

图9 顶推过程钢主纵梁位移包络图

4.3 连续顶推过程临时墩支反力计算

施工期间，中跨设置2个临时墩，边跨靠近桥墩处设置2个临时墩，施工期间永久墩不承担荷载，临时墩设置需满足施工期间主孔桥下双向通航净宽要求，满足顶推装置的安装与连续顶推工作要求，同时临时墩布置位置尽量考虑施工期间支反力均匀，施工各主要阶段支反力情况如表1，最大悬臂工况各临时墩反力如图10所示。

表1 各工况临时墩支反力表

图10 最大悬臂工况临时墩反力图

由上述分析看出，各施工阶段临时墩反力相对均匀，临时墩布置合理，顶推设备合理分配竖向反力，实现连续顶推过程平稳。

5 结论

拱梁整体顶推施工减少对航道和环境影响、减少高空水上施工，体现创新、环保理念。对大跨度拱桥拱梁整体顶推施工关键技术研究，为拱桥以及其他类型桥梁顶推施工积累经验，为大跨度桥梁施工方案的选择提供更广空间。

通过孔李大桥主桥顶推施工过程分析可得出以下结论：

(1)结合强度和刚度分析，主桥结构的设计、临时支撑及临时墩的设置是合理的，适合顶推法施工。

(2)主拱肋、主纵梁、前导梁、临时支撑的应力不大，满足规范要求。同时主拱肋与临时支撑、主纵梁与临时支撑、主纵梁与滑道板接触区域受力还需进一步用板单元进行接触仿真分析[4]。

(3)主挢结构的最大竖向位移能满足设计和施工要求；前导梁竖向位移偏大，可通过加强前导梁刚度，来减小导梁扰度，同时也可因此进一步减小主体结构位移[5]。

(4)主纵梁在边拱顶推100～115m施工段，边拱局部点最大应力相对较大，为235MPa，结合施工过程中监控，确保顶推过程顺利。

采取合理的临时墩、拱梁临时支撑，主体结构顶推过程中受力和稳定性满足规范要求，以成桥运营为控制的桥梁结构设计，可满足步履式整体顶推施工过程各结构受力要求。