探讨某小半径大坡度连续钢箱梁顶推施工技术

郑 彬

（贵州省公路建设养护集团有限公司,贵州 贵阳 550001）

0 引言

等高直线正交梁桥是所有梁体形式中最能发挥顶推法优势的结构形式，变高度梁和曲线梁也可使用顶推法施加顶推力，提高桥梁稳定性。某立交桥项目梁体形式为变高度梁，顶推法施工过程中，梁底位置以楔形垫垫平，使其等高度发挥出顶推法的最佳效果。与此同时，大量施工实践证实，平面圆曲线弯梁桥、竖向圆曲线弯桥也可应用顶推法提高结构稳定性[1-3]。国内研究者对顶推法在斜交梁桥、竖向曲线梁、变高度梁中的应用进行了大量研究且取得了丰硕成果，而顶推法在小半径大纵坡连续钢箱梁中的应用相关研究不足。顶推施工技术在跨线桥梁施工过程中具有节约劳动力、对道路交通影响小、机械设备简单、对施工场地要求不高等优势，为提高桥梁结构稳定性做出了突出贡献[4-5]。由此可见，顶推施工在弯桥、坡梁桥的应用意义巨大。

1 工程概况

某匝道桥为小半径、大坡度连续钢箱梁桥，桥体跨越内环快速公路，作为城市主干道之一，内环快速公路交通量大，为减小桥梁施工对道路通畅度影响，综合设计后拟定顶推法，对F匝道跨越内环高速段桥梁进行施工。F 匝道梁体为等高钢箱梁设计，梁体规格为31 m+39 m+30 m，平面半径为300 m，竖向纵坡、横向纵坡坡度分别为5.3%和1.5%。钢箱梁为斜腹式单箱单室断面，梁高2 m，总长度100 m，顶板宽6.8 m，底板宽3 m，箱梁总重300 t。为便于施工，结合现场条件、运输要求，总长100 m 的箱梁被分解成25 节长度为3～4.5 m 的节段分别加工。

该项目箱梁顶推跨径小、梁体顶推重量轻，为提高施工便捷性，选定拖拉式顶推法。选用型号为ZLD-100的穿心式连续顶推千斤顶，完成拖拉式顶推工作，该型号千斤顶配备两台油缸交替运行，确保其可连续顶推施工，提高施工稳定性。使用工具锚夹将传力钢绞线钢绞丝固定后，箱梁底板处焊接锚扣点与钢绞丝连接以提高结构稳定性。借助钢绞丝拉力，将穿心式千斤顶顶推箱梁使其移动。完成施工操作后将固定在箱梁上的耳板切割，使用下一个耳板锚继续操作，最终使箱梁顶推到预定位置。为确保箱梁结构稳定性，并降低损害风险，桥梁顶推过程中搭设临时支撑体系，避免永久墩受损，也可以根据项目情况选用逐段焊接的工艺进行顶推，或采用逐段顶推的方式完成箱梁移位。

2 曲率对顶推过程中钢箱梁的抗倾覆稳定性的影响

顶推过程中箱梁处于悬臂状态，重力作用下易出现梁体偏离轴心现象，使其抗倾覆稳定性降低，线形曲率半径对钢梁顶推施工环节的抗倾覆稳定性影响显著[6]。

（1）车道荷载在梁体施工中抗倾覆稳定性研究中的影响很小，可忽略不计。故此，只需考虑箱梁自重对梁体抗倾覆稳定性的影响。为便于计算，假定梁体自重在箱梁顶板均匀分布，箱梁截面中间荷载密度明显高于两翼，该简化模型与实际情况吻合，对抗倾覆稳定性的相关分析有利。

（2）采用模型简化后，箱梁荷载可以顶板面积代替，采用稳定性系数代替抗倾覆稳定性，并以下列公式进行计算：抗倾覆稳定系数=抗倾覆力矩/倾覆力矩。根据该项目实际情况，选定顶推力最大悬臂24.8 m，箱梁长度与宽度分别为101 m 和6.9 m，固定上述参数不变，同时保持临时支架、临时墩的轴线距离固定，选定曲率半径为100 m、200 m、300 m、400 m、500 m、600 m、700 m、800 m、900 m、1 000 m，对不同条件下的钢箱梁抗倾覆稳定系数进行测量。计算机模拟的横向抗倾覆稳定性系数和纵向抗倾覆稳定性系数如图1 和图2 所示。

图1 横向抗倾覆稳定系数

图2 纵向抗倾覆稳定系数

（3）对图1 分析可知，保持其他条件不变的情况下，曲率半径大于400 m 时，顶推悬臂下钢箱梁横向抗倾覆稳定系数基本保持稳定，当曲率半径增加时，横向抗倾覆稳定系数略微增加，梁体与直梁水平接近时，横向抗倾覆稳定系数小范围内减小。曲率半径小于400 m 时，钢箱梁横向抗倾覆稳定系数随着曲率半径减小而下降，曲率半径取值为100 m 时对应的横向稳定系数不足曲率半径为300 m 横向稳定系数的一半。

（4）对图2 分析可知，保持其他条件不变，曲率半径大于300 m 时，顶推悬臂下钢箱梁纵向抗倾覆稳定系数不变，基本上呈现为直线，随着曲率半径减小，钢箱梁纵向抗倾覆稳定系数略有减小。

综上可知，曲率半径较小时，钢箱梁横向抗倾覆系数随曲率半径变化明显，而钢箱梁纵向抗倾覆稳定系数基本保持不变，曲率半径大于400 m 时，钢箱梁横向抗倾覆稳定性降低明显[7]。

3 纵坡对顶推力的影响

顶推作用下单个作用点的力学原理如下：

顶推力F满足下列标准时，钢箱梁才会在力的作用下向前移动。

式中，Gi——第i个滑道受到的瞬时重力；μi——最大静摩擦系数，ii——箱梁纵坡。一般情况下，ii取值较小，即上坡时取值为正，下坡时取值为负。

由此可知，钢箱梁的∑iG值相对固定时，摩擦系数μi与纵坡ii取值决定了顶推力大小。为便于计算，假定目标桥梁为直线坡桥且不同滑道的纵坡值一致，取所有滑道的最大摩擦系数值为0.1，按照从上向下顶推的原则，钢箱梁的∑iG相对于箱梁重力的“顶推力系数”来反映推力大小。

选定轴线纵坡值分别为1.3%、2.3%、3.3%、4.3%、5.3%、6.3%，对应的顶推力系数值如图3 所示。

图3 摩擦力系数为1 时顶推力系数

对图3 分析可知：

（1）满足上述条件时，随着纵坡坡度增加，顶推力水平减小，两者之间具备线性关系。

（2）顶推力与纵坡值密切相关，纵坡取值为5.3%时，顶推力不足无坡度时顶推力一半，表明纵坡坡度值越大，顶推力指标越小。

（3）聚四氟乙烯材料的摩擦系数为0.04，该数据小于动摩擦系数，荷载水平增加，摩擦系数减小，而顶推过程中不锈钢钢板的使用，进一步降低了摩擦系数，施工的过程中由于选取的材料表面平整度不足，加之长期使用，表面可能存在坑洼或油污等影响摩擦系数，结合实际情况选定滑倒摩擦系数最大值为0.05。在上述情况下，纵坡与顶推力关系如图4 所示。

图4 摩擦力系数为0.05 时顶推力系数

对图4分析可知，将钢箱梁滑道摩擦系数确定为0.05，纵坡坡度值为5.3%情况下，顶推力系数为负值，即在此情况下箱梁于纵坡上的重力分量大于摩擦力，无其他外力施加的情况下，钢箱梁将向下自由滑落，引发重大安全隐患，对桥梁顶推施工产生威胁[8]。

4 顶推施工防滑移措施

由此可见，箱梁顶推施工中，大纵坡桥梁施工环节，需将纵坡坡度对顶推力的影响考虑在内。由此可见，强风、振动等因素都会对钢箱梁顶推悬臂状态产生影响，对顶推施工不利，需结合项目实际情况采取积极有效的措施加以防范，避免箱梁滑动。

（1）清除涂抹的硅脂或采取其他可增加摩擦力的措施，可在不锈钢板上涂抹滑石粉增加摩擦系数。相关措施的实施需结合实际情况，对临时支撑体系的承受力综合考虑后认真核算，顶推前需焊接箱梁制动装置[9]。

（2）箱梁顶推过程中需先将后补焊接段清除，随后在其尾部设置制动装置，顶推施工之前需要对倒链锚扣的性能进行检测，并在施工过程中由专人负责倒链的操作，避免钢绞丝松动[10]。

表1 顶推力为0 时给坡对应的摩擦系数

表2 顶推力为0 时摩擦系数对应的纵坡值

5 结论

（1）依据顶推力计算公式可知，保持钢箱梁自重固定和摩擦系数相对恒定的情况下，随着箱梁纵坡的增大，顶推力降低，纵坡变化越大，顶推力减小越明显，即纵坡对顶推力的影响越显著。

（2）箱梁顶推施工环节，纵坡与顶推力关系密切，纵坡坡度过大会导致箱梁摩擦力不足，在箱梁自重的作用下出现自然滑落，需针对此情况采取有效措施，增大摩擦力，以避免箱梁下滑导致施工风险。可根据项目实际情况选择增大摩擦系数、箱梁尾部焊接倒链葫芦、焊接制动装置等措施提高安全性。

（3）结合顶推力计算公式和项目实践，总结了顶推力取值为零情况下的摩擦系数与纵坡取值，为相关工作提供数据参考。

（4）其他条件不变的情况下，分析了向量抗倾覆稳定性曲率半径的关系，结果显示，曲率半径小于300 m 时，钢箱梁纵向抗倾覆稳定性系数与曲率半径变化的关系不大，曲率半径小于300 m 时，随着曲率半径的减小，钢箱梁纵向稳定系数有小范围的浮动。曲率半径大于400 m 时，钢箱梁横向抗倾覆稳定系数无明显变化，曲率半径小于400 m 时，随着半径的减小钢箱梁横向抗倾覆稳定系数降低，且半径减小越明显，横向抗倾覆稳定系数降低明显。曲率半径为100 m 时，钢箱梁横向稳定系数不足曲率半径为300 m 时的一半。