大跨度单索面地锚式悬索桥钢箱梁顶推施工技术研究

李定有

中铁四局集团第五工程有限公司 江西 九江 332000

在越来越多的大跨度悬索桥建设中，大跨度悬索桥钢箱梁因其施工控制的难度以及复杂性，存在许多问题，诸多学者对此做了研究。王浩等[1]以润扬悬索桥为研究对象，使用数值模拟研究大跨度悬索桥扁平钢箱梁的工作行为与受力性能。李国强[2]依托寸滩长江大桥，对桥钢箱梁吊装施工阶段模拟分析，保证成桥效果达到最理想的状态。王同民[3]以桃花峪黄河大桥为依托，设计研制了摩擦副试验装置和低摩阻的摩擦副结构，解决该桥梁在高位单向多点长距离顶推条件下架设难题。钟继卫[4]以武汉阳逻长江大桥为例，建立精细化有限元模型，分析钢箱梁吊装过程中结构的变形及主索鞍的顶推工艺。李海等[5]以广州珠江黄埔大桥悬索桥钢箱梁局部承压试验为例，通过对实测结果与理论计算值进行对比研究，进而对正交异性板承载力计算理论进行分析。前人对现有工程，多方面对大跨度悬索桥钢箱梁进行了研究，但对于大跨度单索面地锚式悬索桥钢箱梁顶推施工技术研究较少。

本文以南宁英华大桥工程为依托，首先介绍钢箱梁顶推施工控制，然后建立钢箱梁顶推计算模型，模拟顶推施工过程，计算顶推过程中加劲梁和导梁的线形、受力以及临时墩的支反力，最后确定钢箱梁拼装焊接线形，为实际工程提供参考。

1 工程概况

英华大桥主桥为单主缆悬索桥（见图1），桥梁长度为500m，宽度37.7m，跨径组成为45m+410m+45m。其中边跨无吊索，中跨吊索间距10m。塔侧吊索为人字形吊索，其余位置采用垂直箱梁中心的一字形吊索。

图1 英华大桥桥型布置图

主梁采用单箱四室扁平流线型全焊钢箱梁（见图2），纵隔板设置于箱梁中间，箱梁宽为37.7m，中心高度为3.5m。钢箱梁顶板厚16mm、上斜腹板14mm，底板、下斜腹板厚12mm。

图2 箱梁标准断面图

2 钢箱梁顶推施工控制

2.1 钢箱梁与导梁以及临时墩构造

主梁设计为扁平流线型钢箱梁，全桥钢箱梁划分为51个吊装节段，节段分为七类。采用工型梁桁架形式，前端梁高1.193m，尾端梁高3.346m，最大截面高度4.064m，两节之间距离为2.5m+2×14+9.5m，纵向布置平行的两片桁，桁间距离为20.5m，同主桥钢箱梁边纵隔板一致。导梁后端部分的上下面板、腹板于钢箱梁的面板、底板及边纵隔板使用焊接连接，具体见图3。

图3 导梁构造图

此桥钢箱梁使用步履式多点连续顶推法进行施工。在北岸边的14#～16#墩中间设置了顶推平台，主跨上搭设了6个临时墩，并安装了顶推设备。钢箱梁在拼装场地拼装完毕，经过涂装后，使用运梁台车将成品钢箱梁运送到桥位，然后，使用提升吊机将钢箱梁提升，并吊运到顶推平台上，使平面位置与高程调整到施工线形后进行焊接，采用多点多台步履式顶推系统同步将钢箱梁逐段向前面移动，循环作业使钢箱梁到达要求位置。具体布置图见图4和图5。

图4 钢箱梁顶推滑道横向布置

图5 临时墩总体布置

2.2 钢箱梁顶推总体施工方法

在北岸边的14#～16#墩中间搭建顶推平台，主跨上布置6个临时墩，并在上面布置滑道。钢箱梁在拼装场地拼装完毕，经过涂装后，使用运梁台车将成品钢箱梁运送到桥位，然后，使用提升吊机将钢箱梁提升，并吊运到顶推平台上，使平面位置与高程调整到施工线形后进行焊接，主桥中间部分曲线段钢梁底面设置两条通长的滑道，使中间曲线段钢梁滑移面变成无坡度的直线段，滑道与钢梁临时固结。采用多点多台连续千斤顶同步张拉钢绞线的方法，让钢箱梁逐段向前面滑移，循环作业使钢箱梁到达设计位置。待钢梁全部顶推到位后，切除嵌补段部分，用千斤顶落梁将两侧直线段部分钢梁调整至设计线形，最后进行三个大节段之间的焊缝焊接。在钢箱梁支撑墩上设置纵横移调整装置，以调整钢箱梁的状态，在满足设计要求后安装支座。

3 钢箱梁顶推计算

根据施工方的顶推方案，使用MIDAS/Civil建立模型，来模拟顶推施工的过程，计算在此过程中加劲梁和导梁的线形、受力以及临时墩的支反力。钢箱梁和导梁用梁单元模拟，计算模型如图6所示。设计基准温度为20℃，在实际顶推施工中，要以实际环境温度和钢梁温度，将钢梁线形进行修正。

图6 钢箱梁顶推计算模型

3.1 临时墩反力与导梁变形计算结果

计算结果表明：（1）当导梁前端刚好到达L6支墩时，L4支墩处出现最大支反力，支反力值为111467kN，经验算，在该支反力作用下，临时支墩强度和稳定性均满足相关规范要求；（2）当导梁前端到达L3之前，其前端最大挠度为174.6mm，小于规范规定的L/300=200mm（L为悬臂段长度）；（3）当导梁前端刚好到达13#横梁支座时，钢导梁产生的最大拉应力为70.1MPa，最大压应力为71.5MPa；当导梁前端刚好到达L6时，钢箱梁产生的最大拉应力为20.4 MPa，当导梁前端到达L4前，钢箱梁产生的最大压应力为47.6 MPa，小于构件自身屈服强度。

3.2 钢箱梁节段局部应力分析

运用ANSYS有限元软件建立壳单元节段模型，计算钢箱梁受到最大支反力的局部应力分布情况。

此模型约束底板在主滑道承压板位置的竖向位移，根据整体模型计算结果，在节段两端施加一定的内力。

应力计算云见图7，钢箱梁产生的最大等效应力为134.6MPa，出现在底板支撑位置处，该应力值小于规范容许应力值。

图7 钢箱梁节段的等效应力云图

4 钢箱梁拼装焊接线形的确定

箱梁节段精匹配定位使用相邻梁段之间的夹角来控制。根据实测参数L1～L4和H1、H2、目标控制角度β，换算待拼梁段前端控制点相对标高H3，以H3为目标进行精匹配放样。现场具体操作方法为：H1、H2、H3为在同一测站中的水准仪视线读数，当温度稳定不变后，H1、H2不变，为了满足拼装角度β的要求，我们需要持续调整H3。H3用于控制视线读数，计算公式如下所示：

其中：L1、L3为一个梁段前后控制点间的距离，L2、L4为梁段交接点至该梁段远端控制点间的距离。

H3的“放样实测值”与“按目标折角β换算得到理论值”间的误差大小控制在10mm以内，同时要兼顾顶底焊缝的匹配间距。以F类钢箱梁为例，在已拼梁段：N-1，参数L1、L2的测试值分别为6.667和7.667；在待拼梁段：N，参数L3、L4的测试值分别为6.667和9.000。

为了确保匹配的精度，测量工作要在日出前，或者日落2小时之后且钢箱梁顶、底板温度差小于2℃时进行，建议在晚上20:00至次日早上06:00之间进行。

5 结论

（1）当导梁前端刚好到达L6支墩时，L4支墩处出现最大支反力，支反力值为111467kN，经验算，在该支反力作用下，临时支墩强度和稳定性均满足相关规范要求；

（2）当导梁前端到达L3之前，其前端最大挠度为174.6mm，小于规范规定的L/300=200mm（L为悬臂段长度）；

（3）当导梁前端刚好到达13#横梁支座时，钢导梁产生的最大拉应力为70.1MPa，最大压应力为71.5MPa；当导梁前端刚好到达L6时，钢箱梁产生的最大拉应力为20.4MPa，当导梁前端到达L4前，钢箱梁产生的最大压应力为47.6MPa，上述应力计算结果均小于构件自身屈服强度；

（4）承受最大支反力工况下，钢箱梁底板支撑位置处出现最大等效应力，其值为134.6MPa，小于规范容许应力值。