钢箱梁顶推上跨既有线路施工临时结构研究

作者简介：周志慧（1982-），男，高级工程师。研究方向为道路与桥梁。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.017

摘  要：钢箱梁顶推施工是现阶段最常见的一种跨线、跨山河的施工方式之一，但施工前需对其进行完备的安全验算，尤其是顶推施工过程中所涉及的临时施工结构。以哈尔滨东三环快速路工程某钢箱梁顶推施工为例，对该顶推施工项目所设计的6组顶推临时支墩和2组拼装临时支架进行施工验算。结果表明，临时结构中立柱的最大应力为σmax=120.1 MPa≤[σ]=190.0 MPa，腹杆的最大应力为σmax=114.0 MPa≤[σ]=190.0 MPa，且均发生在顶推临时支墩上，但均能满足相关规范要求。顶推支墩和拼装支架的最大挠度分别为umax=28.8 mm≤[u]=22 000/300=73.3 mm、umax=2.0 mm≤[u]=22 000/600=36.7 mm，均能满足相关规范的要求。在顶推支墩的桩基强度验算中，其轴力和弯矩也均能满足规范要求，但在进行拼装支架的浅基础强度校核中发现，基础所受的最大应力为f=F/A=1 351/（5×1.5）=180 kPa＞[f]=150 kPa，所以在实际施工时需要对地基进行加固处理来满足现场施工的要求。

关键词：钢箱梁；桥梁施工；顶推；既有线路；临时结构

中图分类号：U445.4      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）15-0079-04

Abstract： Steel box girder jacking construction is one of the most common cross-line， cross-mountain and river construction methods at the present stage， but it needs complete safety check calculation before construction， especially the temporary construction structure involved in the jacking construction process. Taking the construction of a steel box girder in Harbin East Third Ring Expressway project as an example， the construction of 6 groups of temporary piers and 2 groups of assembled temporary supports designed in this project are checked and calculated. The results show that the maximum stress of the column in the temporary structure is σmax=120.1 MPa≤[σ]=190.0 MPa， and the maximum stress of the ventral bar is σmax=114.0 MPa≤[σ]=190.0 MPa， and both occur on the temporary buttress pier， but they can meet the requirements of the relevant specifications. The maximum deflection of the jacking piers and assembled supports is umax=28.8 mm≤[u]=22 000/300=73.3 mm and umax=2.0 mm≤[u]=22 000/600=36.7 mm， respectively， which can meet the requirements of relevant specifications. In the strength checking calculation of the pile foundation of the top thrust piers， the axial force and bending moment can also meet the requirements of the code. However， in the strength checking of the shallow foundation for assembling the supports， it is found that the maximum stress on the foundation is f=F/A=1 351/（5×1.5） =180 kPa>[f]=150 kPa. Therefore， in the actual construction， it is necessary to strengthen the foundation to meet the requirements of site construction.

Keywords： steel box girder; bridge construction; jacking; existing line; temporary structure

鋼箱梁顶推施工是一种常用的桥梁施工方法，适用于中小跨径的桥梁建设，可以用于跨越河流、山谷、道路等地形，也可以用于建设地下通道、地下车站等地下结构。钢箱梁顶推施工是一项成熟完善的施工技术，但各位学者对该施工技术的研究却永无止境，贺晓宇等[1]针对钢桁梁浮托施工中钢桁梁杆件内力和浮箱内力变化研究较少的问题，以苏北灌溉渠特大桥第11联施工为例，利用MIDAS CIVIL软件建立空间模型，对钢桁梁顶推施工过程进行数值仿真计算，研究桥梁顶推过程中其力学行为的变化，以为类似项目提供借鉴。符健等[2]以北滨河西延段工程上跨兰州枢纽铁路钢桁梁桥为工程背景，对钢桁梁主梁及临时结构钢导梁的结构设计进行阐述，并结合顶推施工方案和施工流程，采用软件MIDAS CIVIL建立空间有限元整体模型，分析顶推施工过程各工况下钢桁梁和钢导梁的结构受力，以确保主梁结构及顶推施工过程安全可靠。杨振等[3]以洛阳市王城大道瀍涧立交主线第7联钢箱梁施工为依托，研究了拱形曲线、多节段钢箱梁跨城市快速路顶推滑移施工技术，研究结果表明导梁与钢箱梁连接处两侧可焊接加强板，提高连接处刚度和强度；通过调整滑靴高度，解决了拱形曲线钢箱梁顶推问题；滑靴设有横向挡板、三向千斤顶及时纠偏，确保顶推过程中钢箱梁线型准确。苑青海等[4]对变截面钢箱梁桥顶推施工受力进行了分析，结果表明，顶推施工全过程中，钢箱梁整体、局部均处于安全应力状态。钢箱梁固定端应力随梁端倾角增大而降低，但也会增大倾覆风险。合龙成桥后，腹板、顶板厚度对结构应力变化影响较大，可通过控制厚度变化改善结构受力。杨晓东等[5]对某132 m钢箱梁步履式顶推施工技术及监测进行了研究，梁段拼装采取少支架法安装，在每个环口设置一排井字支架及部分顶推支架，顶推完成后，采用通过线形监控测量等监测监控后，进行落梁和微调等一系列技术措施，保证了顶推施工的顺利实施。

通过以上分析，桥梁顶推施工过程中鲜有人对顶推中所设计的临时结构进行研究，下面将以哈尔滨东三环快速路某顶推工程为例，对施工过程中的拼装支架及临时墩进行数值模拟仿真分析。

1  工程介绍

1.1  项目简介

哈尔滨东三环快速路工程为滨绥线高架桥梁钢箱梁顶推工程，滨绥线桥梁段位于哈尔滨市香坊区电碳路，南侧起于红星村，北至宏城好人家小区，设计全长640 m，桥梁跨越从南侧至北侧方向，依次跨越孙新上、下行线、滨绥线、东新下行线共4条线路，4条铁路线均位于钢箱梁第二孔下方穿过，桥梁立面布置图如图1所示（中间部分为顶推施工部分）。

1.2  项目施工关键技术分析

根据本项目钢箱梁施工特点及施工现场环境条件，考虑有如下关键技术。

1）在顶推施工过程中，考虑到梁体分段划分情况，除了要设计顶推临时墩外，还要架设数组临时支架进行钢箱梁的现场拼装。

2）在顶推施工过程中，需要严格控制临时支墩上面所承受的水平荷载，要实时监控临时墩的水平位移，实时监测位移偏差，及时使用千斤顶纠偏，防止临时墩遭受破坏。

3）在顶推施工过程中，需要严格控制顶推设备的同步性，应避免因顶推施工过程中的时间差而造成梁体局部受力过大，从而造成梁体的局部破坏。

2  临时结构简介

2.1  临时结构布设

顶推过程中鋼箱梁主要受力部位为腹板，以降低顶、底板的应力，确保箱梁结构不受破坏，在钢箱梁顶推时位于外腹板下两侧各布置1台步履式千斤顶。要保证步履式千斤顶落在腹板下方，则需要设置临时墩来安装顶推设备，本顶推施工共设6个临时墩和2个拼装支架，其立面布置图如图2所示。

2.2  临时结构参数

LSD1—LSD6及拼装支架采用8根φ630×10钢管，总高度20～20.768 m。立柱之间采用22a槽钢连接成整体，保证临时墩整体稳定性。支架在现场加工制作，墩顶横向采用HN800×300三拼H型钢作为分配梁，纵向采用二拼H型钢HN700×300作为分配梁。临时墩与拼装支架立面图如图3所示。

图3  临时支墩及拼装支架立面示意图

临时墩LSD1—LSD6基础采用承台桩基础，桩基采用旋挖钻成孔，采用C30混凝土。LSD1—LSD2及LSD4—LSD6每个基础设置6根钻孔桩（主筋20 mm），桩径1 m，桩长18 m，承台尺寸为8 m×5 m×1 m。LSD3坐落于永久承台及临时基础，每个基础设置4根钻孔桩（主筋25 mm），桩径1 m，桩长20 m，承台尺寸为 8 m×5 m×1.5 m。临时支墩坐落于永久承台及临时基础时，在永久承台灌注混凝土前预埋预埋件及三排连接钢筋，临时墩基础施工时钢筋深入基础内部，基础内部设置2层φ20@200 mm钢筋网片。拼装支墩采用条形基础，每个拼装支架设置4个条形基础，尺寸为5 m×1.5 m×1 m。承台与支墩立柱之间采用螺栓连接。

3  临时结构的仿真模拟计算

3.1  模型简介

临时支墩与拼装支架均用MIDAS-CIVIL进行仿真建模，立柱、腹杆等均用梁单元来模拟，各杆件之间均为共节点刚性连接，钢管、连系杆件等材质均为Q235B级钢，LSD1—LSD6临时支墩的高度都在22 m以下，为了简化计算取其高度为22 m。在建模过程中，将分配梁所承受的反力直接施加于立柱管顶进行计算。另外，在模拟临时支墩时考虑竖向钢梁自重荷载与横向顶力荷载，而拼装支架因为只起拼装钢箱梁的作用，所以只承受竖向荷载。临时支墩及拼装支架与基础为固定约束。

3.2  仿真模拟结果

3.2.1  应力验算

由表1可知，临时支墩与拼装支架等各杆件应力：临时支墩立柱的最大应力为σmax=120.1 MPa≤[σ]=190.0 MPa，临时支墩腹杆的最大应力为σmax=114.0 MPa≤[σ]=190.0 MPa。拼装支架立柱的最大应力为σmax=25.7 MPa≤[σ]=190.0 MPa，拼装支架腹杆的最大应力为σmax=9.1 MPa≤[σ]=190.0 MPa。经检算结果可知，临时支墩与拼装支架的模拟结果均符合相关规范要求，能够保证施工的安全性。其中临时支墩的仿真模拟计算结果如图4所示。

表1  各杆件应力最大值列表

图4  临时支墩各杆件应力云图

3.2.2  挠度验算

经计算，临时支墩在最不利荷载作用水平下（竖向荷载与横向荷载的共同作用）下最大挠度为umax=28.8 mm≤[u]=22 000/300=73.3 mm，满足规范要求。临时拼装支架在最不利荷载作用水平下（竖向荷载作用下）的最大挠度为umax=2.0 mm≤[u]=22 000/600=36.7 mm，满足规范要求。其计算结果如图5所示。

图5  临时支墩与拼装支架挠度云图

3.2.3  基础验算

1）临时支墩桩基础计算。根据桥位地质情况，水平抗力的比例系数m偏安全取值5 000 kN/m4，桩基在地面线以下1.2 m位置剪力为零，弯矩最大为153.2 kN·m，最大轴力为2 210 kN，根据偏压构件对桩基强度进行计算。当桩基直径采用1 m，桩基主筋采用12根20 mm钢筋时，承载力Nu=9 820 kN或Mu=826 kN·m，能够满足要求。

2）临时拼装支架浅基础计算。本项目拼接支架采用扩大基础，由于仅受压力作用，其底部应力均匀分布，其底面地基承载力特征值为150 kPa，基础底面尺寸为5 m×1.5 m。

经计算基础及其上部结构自重G=195 kN

受竖向压力T=3 211/4×1.2×1.2=1 156 kN

所受竖向力的合力F=T+G=1 351 kN

f=F/A=1 351/（5×1.5）=180 kPa＞[f]=150 kPa

故需要對地基进行加固处理，地基加固承载力不小于200 kPa。

4  结论

哈尔滨东三环快速路工程滨绥线高架桥梁钢箱梁顶推工程，其设计的临时施工结构为6组顶推临时支墩与2组拼装临时支架，通过对其施工过程中的有限元仿真模拟分析，得到以下结论。

1）经分析，临时支墩在承受竖向荷载及横向荷载的作用下，其立柱结构与横撑结构的受力情况分别为，立柱的最大应力为σmax=120.1 MPa≤[σ]=190.0 MPa，腹杆的最大应力为σmax=114.0 MPa≤[σ]=190.0 MPa。拼装支架在承受竖向荷载的作用下，其立柱结构与横撑结构的受力情况分别为，立柱的最大应力为σmax=25.7 MPa≤[σ]=190.0 MPa，腹杆的最大应力为σmax=9.1 MPa≤[σ]=190.0 MPa。均能满足相关规范要求，保证施工的安全性。

2）经分析，临时支墩与临时拼装支架在最不利荷载作用下，其最大挠度分别为umax=28.8 mm≤[u]=22 000/300=73.3 mm、umax=2.0 mm≤[u]=22 000/600=36.7 mm，均能满足相关规范的要求，保证施工的安全性。

3）经分析，顶推临时支墩桩基强度考虑其弯矩及轴力时，均能满足要求。但是在临时拼装支架浅基础强度验算时发现，基础所受的最大应力为f=F/A=1 351/（5×1.5）=180 kPa＞[f]=150 kPa，所以在实际施工时需要对地基进行加固处理来满足现场施工的要求。

参考文献：

[1] 贺晓宇，陈勇，余财文.下承式钢桁梁浮箱浮托顶推施工受力分析[J].公路，2023，68（4）：152-157.

[2] 符健，蔡汗，熊壮.上跨既有铁路钢桁梁桥顶推设计与施工分析[J].工程技术研究，2023，8（8）：181-184.

[3] 杨振，高健根，葛亚南，等.跨城市快速路顶推滑移钢箱梁施工关键技术[J].兰州工业学院学报，2023，30（2）：27-32.

[4] 苑青海，傅中秋，何斌，等.变截面钢箱梁桥顶推施工受力分析[J].现代交通与冶金材料，2023，3（3）：66-71.

[5] 杨晓东，汪选吉，刘艳双，等.某132 m钢箱梁步履式顶推施工技术及监测研究[J].建筑结构，2023，53（S1）：2292-2295.