大跨鋼-混凝土組合箱梁無支架頂推技術與控制計算

陳軍剛, 王學勇, 周洲, 陳剛

(1.云南省交通規劃設計研究院有限公司, 云南 昆明 650041； 2.北京中漢威工程咨詢有限公司)

1 概述

中國西南山區地形條件復雜，橋隧比例高，且河流多為各大江大河的中上游段，河流比降大、流速快、環水保要求高；對于涉水跨河橋梁架設往往不具備水中建墩的條件；頂推施工作為當代橋梁施工的重要方法之一，往往會具有較大的優勢。

頂推法施工自1959年在奧地利Ager橋成功實施以來，在世界范圍內路橋工程界得以迅速發展，國外采用頂推法施工具有代表性的橋梁為2004年竣工的法國米約大橋，大橋為主跨342 m的七塔斜拉橋，最高墩墩高245 m，主跨為342 m，該橋施工采用多點柔性正交頂推法施工，為了縮短頂推距離，在中間各跨跨中均架設一套橫截面12 m×12 m、裝有兩套頂推設備的鋼管桁架的臨時支架，頂推跨度達171 m，代表了當時世界頂推技術的先進水平。

中國首次采用頂推法施工的橋梁為1977建成的狄家河橋。中國橋梁頂推施工始于鐵路PC梁橋，但混凝土結構自重大、架設困難，梁體和下部結構開裂問題突出，故其頂推跨徑多控制在60 m以內，代表性橋梁為福建丘墩橋，頂推跨度為52 m；對于山區深切峽谷、地形復雜地區長隧間夾大中橋梁、湍急河流地區常常難以滿足；由此鋼結構和鋼-混凝土組合結構橋梁依托頂推施工法得以發展。中國國內頂推法施工代表橋梁是2012年建成的杭州九堡大橋，主橋為3跨連續組合梁-鋼拱拱橋，主跨210 m中間僅設置1座臨時墩，具有頂推跨徑大、懸臂長、重心高及質量大等特點，施工首次采用中國自主研發的步履式平移頂推裝置及計算機同步控制系統，頂推總重14 000多t；一舉將傳統頂推法施工由原來以拖拉法施工為主，發展至目前以拖拉式和步履式兩種形式為主的局面。據統計：2014年施工的石濟鐵路濟南黃河公鐵兩用橋鋼梁最大頂推重量達37 000 t，為中國目前可查資料中頂推重量最大者；從頂推距離來看，杭州錢塘江二橋單點頂推距離為800 m，南北引橋合計頂推距離總計達1 504 m；頂推重量、距離在一定程度上反映了中國現階段路橋建設的施工技術水平。該文介紹云南某(70+110+70) m鋼混凝土組合梁橋的頂推方案與施工控制驗算過程。

2 大跨橋梁頂推方案的選擇

大跨頂推橋梁施工控制關鍵因素為頂推跨度。梁體頂推施工過程中，主梁前端支點處的梁體由于負彎矩和支點反力過大，且梁體在頂推過程中結構體系不斷變換，各截面承受正負彎矩的交替，頂推過程主梁的受力和變形往往成為其可行頂推跨徑的控制。為增大頂推的適用跨徑，常采用的措施主要有以下幾種：

(1) 設置導梁

導梁的設置可以有效緩解主梁的受力狀況，目前已成為橋梁頂推施工的標準配置措施。導梁的類型和參數的選擇會對橋梁頂推產生重要的影響。導梁可采用形式主要包括：桁架導梁、工字形鋼板導梁、波形鋼腹板導梁。文獻[7]曾對桁架導梁和工字形變截面實腹鋼板導梁進行了對比分析，由于桁架梁節點受力性能薄弱，工字形梁各方面更占優墊。主梁的結構形式往往會主導導梁結構的選擇，如：波形鋼腹板組合梁需要頂推時，導梁多采用波形鋼腹板導梁；主梁為鋼桁梁時，導梁亦往往采用鋼桁架做導梁。當導梁形式選定后，其具體剛度和長度取值可參閱文獻[8]，該文不再贅述。

(2) 增設臨時墩，減小頂推跨徑

對于大跨頂推橋梁，最直觀、簡單的方法便是中間設臨時墩，縮小實際頂推跨度，減小主梁頂推過程中受力變化幅值和變形。該方法對于橋面以下墩高小、水流緩的橋梁而言，不失為一種好的方法；但對于墩高大、水流急、水深大、水環保要求高等一些外部約束條件要求高的橋梁，往往適應性差。

主梁采用兩岸相向對頂，也是有效減小頂推跨徑的方式之一，采用此工法施工時，橋梁前端往往不設鋼導梁，以利跨中合龍。但實際施工中，不設導梁、雙向對頂工法適用的跨徑一般也較小，在此不再贅述。

(3) 增加強梁措施，提高主梁頂推階段跨越能力

對于無法增設臨時墩的頂推施工大跨橋梁，為了提高主梁頂推過程中的截面抗力、減小變形，可選擇在結構選型及增加施工臨時措施兩方面考慮對主梁進行加強。

結構選型時選用主梁整體剛度大、受力強的結構類型，可滿足頂推所需的主梁應力和變形要求。例如：2017年11月主體完工的京張高鐵跨官廳水庫特大橋，大橋跨越水源地湖面達880 m，施工面臨水深、風大、環保要求高的制約，大橋上部采用110 m跨簡支拱形鋼桁梁結構，順利完成了110 m的頂推跨度。

當主梁結構自身無法滿足頂推所需跨度時，也可采用臨時外部措施，對主梁進行加強，或形成一種新的臨時結構體系，常采用的是一種俗稱“釣魚”式的施工工法：梁上設臨時斜拉索和塔架，以解決因頂推跨徑大帶來的主梁懸臂彎矩過大問題，如圖1所示。

圖1 “釣魚”式方案

對于鋼結構橋梁，也可考慮主梁上緣臨時增設標準件桁片，制成鋼箱-鋼桁臨時組合結構，對頂推階段主梁進行加強，該工法與釣魚法相比，工程措施費或有增加，但施工期建筑界限小，對于橋上凈空有嚴格限制的橋梁可以考慮采用。隨著中國橋梁技術的不斷發展和鋼結構的不斷推廣，在頂推輔助措施采用方面，也將會有更大的發展空間。施工中，各橋梁可根據各自特點，選擇合理、可行、經濟的施工方法和措施。

3 應用實例

3.1 項目背景

為滿足云南保(山)瀘(水)高速公路建設需求，施工便道需在康浪村附近跨越怒江，以滿足怒江兩岸隧道施工物資運送，需盡快完成施工?？道丝缃瓨驑蚩绮贾脼椋?×30 m +(70+110+70 m)；引橋采用2×30 m鋼板-混凝土組合梁，主橋采用(70+110+70) m鋼箱-混凝土組合梁，下部結構橋墩采用柱式墩、樁基礎，橋跨總體布置如圖2所示。

圖2 康浪跨江橋橋跨總體布置示意圖(單位：m)

主梁鋼結構截面由兩個鋼箱和橫梁組合而成，鋼箱高為3 600 mm，鋼箱間橫梁采用工字梁進行連接，工字梁梁高為610 mm，主橋鋼箱與混凝土橋面板采用剪力釘連接，混凝土橋面板厚為300 mm，寬為7 500 mm。鋼結構頂底板平行設置，橫坡0%；混凝土橋面板頂部橫坡為雙向1.5%，主橋主梁標準橫斷面見圖3。

3.2 頂推方案的確定

經現場調查：橋位處所跨怒江河段具有流速大、汛期水位高、汛期時間長等特點，橋梁擬考慮采用頂推方案進行上部結構施工。結合橋位河段特點，河中不具備搭設臨時墩的條件，但中跨跨徑達110 m，需頂推跨越長度大，主梁結構自身顯然無法滿足頂推受力和變形需要。采用“釣魚”法增設臨時塔和索對主梁進行臨時加強，并根據頂推進程的不斷變化，適時增設梁段壓重，以改善臨時結構體系頂推過程中不斷變化的受力狀態，或可滿足此跨徑頂推跨越要求。該橋主梁為鋼-混凝土組合梁橋，為滿足頂推過程中應力變化幅度、減少頂推重量，主梁頂推階段鋼主梁截面頂推到位后，再進行橋面板混凝土的分段澆筑施工；其中，連續處負彎矩區橋面板縱橋向預應力的施加采用調整支點標高法。具體施工關鍵步驟見圖4、5。

圖3 主橋主梁標準橫斷面圖(單位：mm)

圖4 主橋頂推施工關鍵步驟示意(第1～5步)(單位：mm)

圖5 主橋頂推施工關鍵步驟示意(第6～9步)(單位：mm)

其中，前導梁按42 m長、自重120 t考慮；臨時塔高18 m，縱橋向長2.5 m，塔自重按不大于40 t控制設計，臨時塔兩側各設置4束15-15臨時索，塔頂兩側臨時索設計初張力均為700 t，塔中部兩側臨時索設計初張力均為600 t；為避免頂推側支承在施工過程中出現支座全部脫空，對主梁部分梁段進行了壓重，當頂推主梁跨過中跨、支承于4#橋墩后，進行臨時塔、索和壓重的拆卸。

3.3 頂推控制工況結構計算

根據圖4所示的施工步驟，主梁的控制工況主要為兩個：① 工況1：臨時塔通過邊跨時對應的主梁最不利受力狀態；② 工況2：頂推主梁至4#墩之前主梁最大懸臂狀態。按以上兩個控制工況分別進行建模計算。

3.3.1 工況1：最大正彎矩驗算

頂推階段中，邊跨荷載最大階段為主塔位于跨徑中心附近時的階段，此時需嚴格控制主塔與支撐間距離不得大于20 m。

工況1經驗算得：主梁最大壓應力為177 MPa，最大拉應力為125.6 MPa，滿足要求。

3.3.2 工況2：最大負彎矩及最大支反力驗算

最大懸臂階段為前導梁頂推跨越中跨時的最大懸臂階段，設計分析時，此階段需進行必要的壓重，壓重采用4 t/m。

工況2經驗算得到：主梁最大壓應力為101.1 MPa，最大拉應力為62.8 MPa，滿足要求；考慮到此工況下中支座處主梁反力達13 134 kN；數值較大，需對該處進行局部受力驗算，經建模驗算得到：

此工況下，主梁中支座區域鋼板局部最高組合應力為250 MPa，支座區鋼板應力值小于180 MPa，受力滿足要求。

4 結語

云南跨怒江便橋頂推施工控制計算表明：對于鋼-混組合箱梁橋(或鋼箱梁)等主梁結構相對較弱的大跨結構，通過在主梁上臨時增設塔索結構、并輔以導梁的措施；施工各控制工況均能滿足頂推過程中結構受力和變形要求，達到頂推跨越110 m距離之目的(目前該項目已順利實施完成)。隨著中國橋梁技術的不斷發展，頂推施工作為橋梁建設重要的施工手段之一，也必將有著更大的發展空間。