澳門大學連接橫琴口岸通道橋鋼箱梁頂推施工關鍵技術研究

呂舜

摘要：為研究鋼箱梁頂推施工關鍵施工技術，依托澳門大學連接橫琴口岸通道橋鋼箱梁頂推施工案例，詳細介紹步履式頂推施工技術的工藝流程，采用有限元數值模擬頂推過程中結構在不同工況下的強度，并進行穩定性驗算。數值計算表明，不同工況下鋼箱梁和導梁的強度和穩定性均滿足頂推安全要求。

關鍵詞：鋼箱梁；頂推施工；橋梁工程；穩定性

0? ?引言

鋼箱梁具有結構自重小、抗拉強度高、施工快速方便以及抗震性能優越等優點[1-4]。針對復雜環境下大跨長聯鋼箱梁頂推施工工藝，馮文園[5]依托臨猗黃河大橋分析了鋼箱梁頂推施工關鍵技術，認為合理配置鋼導梁各段截面特性，可有效保證導梁受力均勻，達到截面最優化效果。熊斌等[6]創新的采用BIM技術研究了新型BIM設計技術在鋼箱梁頂推施工中的應用，為類似工程提供新的設計指導。易善德等[7]研究了雙向超寬變腹板鋼箱梁頂推新工藝，結果表明，采用文中的新工藝可以有效提高施工效率，節約工程造價。

深入分析鋼箱梁頂推施工關鍵技術具有非常重要的工程意義[8-9]。相對于傳統的拖拉或者推動式頂推法，步履式頂推法可以顯著改善梁體受力的均勻性，提高施工精度。本文依托澳門大學連接橫琴口岸通道橋鋼箱梁頂推工工程，系統分析鋼箱梁頂推法在橋梁工程的應用，在此基礎上建立數值計算模型，系統研究了頂推法在不同工況下的強度和穩定性。

1? ?工況概況

本項目位于澳門蓮花大橋南側，連通蓮花大橋與澳門大學橫琴校區，項目竣工后可以實現澳門大學橫琴校區與內地的互聯互通。橋梁全長529.3m，分為A、B匝道，其中鋼箱梁部分為A、B匝道合并段。結構形式為單箱三室等高簡支梁，跨徑75m，梁高3.75m，橋面寬17m，底板寬13m，左側挑翼寬2.5m，右側挑翼寬1.5m，采用單箱三室截面。

全橋材質為Q345qC鋼，頂板和底板厚度均為20mm，腹板厚度均為14mm，兩端支座處頂、底板厚度為16mm，腹板加厚至24mm。頂板采用U型和I型加勁肋，間距600mm，底板采用I型加勁肋，間距300mm。腹板采用I型加勁肋，挑翼采用倒T型和I型加勁肋。全橋橋面為雙向橫坡2%，底面無橫向坡度。鋼箱梁采用工廠預制，現場采用步履式頂推架設法施工。鋼箱梁頂推施工平面圖如圖1所示。

2? ?施工思路及重難點分析

根據鋼箱梁生產與現場施工特點，鋼箱梁采用工廠分段及分塊加工制造，然后對運輸到現場的拼裝支架進行焊接?？紤]到在不影響交通狀況的情況下，便于施工組織和管理等因素，本工程綜合采用步履式頂推施工工藝將鋼箱梁頂推至橋位。根據項目的要求，存在以下重點和難點：

為保證頂推結構整體剛度和跨度，頂推施工除了永久荷載以外，還存在大量密集的頂推臨時結構，這些臨時性的器械增加了頂推重量，增大了施工難度。

頂推施工范圍內存在大量的通信光纜、電纜及管網，施工時需保證電力管線等的絕對安全。鋼箱梁頂推距離長，需頻繁倒換墊塊，對頂推設備的控制要求較高。項目南側毗鄰澳門大學，對防塵防噪及安全文明施工要求高。

3? ?鋼箱梁頂推工藝

3.1? ?頂推施工支架系統組成

頂推施工支架體系設計考慮施工工藝、鋼箱梁分段和拼裝需求，由拼裝支架與頂推支架組成。拼裝支架高度約為8m，采用4管（2×2）布設，管中距為13m×18.8m，主管采用Φ630×8鋼管，平聯和支撐采用H型鋼HN400×200×8×13，上部分配梁采用H型鋼HM588×300×

12×20雙拼，搭配321型貝雷片組成；頂推支架高度約為7.6m，采用8管（2×4）分布，主管采用Φ630×8鋼管，平聯和支撐采用H型鋼HN400×200×8×13，上部分配梁采用H型鋼HM588×300×12×20雙拼組成。

3.2? ?鋼箱梁頂推之前準備工作

橋跨頂推采用邊頂推邊安裝鋼箱梁的工藝，分次安裝和頂推。導梁焊接完成后，即可開始箱梁頂推施工。其中，箱梁頂推之前的準備工作如下：拼裝平臺和臨時墩搭設完成后，安裝頂推設備；在臨時墩上對頂推設備進行調試，檢查傳感器是否工作正常；檢查各頂推面是否全部脫開。

3.3? ?鋼箱梁頂推施工步驟

頂推法施工流程如圖2所示。在臨時墩和拼裝支架上安裝頂推設備并完成調試，在拼裝支架上完成鋼箱梁拼裝。將導梁吊裝至支架圖示位置與鋼箱梁焊接成整體。將鋼箱梁往前頂推12m，頂推過程中保證箱梁腹板始終在頂推設備縱向中心線±100mm范圍內。

重復以上頂推步驟，將鋼箱梁頂推到設計里程，拆除導梁，根據現場測量數據，對鋼箱梁進行糾偏，調整到位完成落梁。

3.4? ?鋼箱梁頂推施工注意事項

為避免鋼箱梁的橫向偏移超差，頂推過程中對鋼箱梁的中軸線進行實時監控，及時調整限位裝置，使鋼箱梁的偏移始終被限制在誤差范圍內。

頂推過程中鋼箱梁的受力狀態與成橋時受力狀態完全不同，整個頂推過程的監控應以支反力控制為主，標高控制為輔的原則進行。每輪頂推前依據監控指令，明確該輪頂推鋼箱梁所經墩臺的豎曲線變化范圍（即標高變化值）及鋼箱梁允許支反力（即墩臺的許用壓應力）變化范圍。同時明確各頂推工況條件下臨時墊墩標高。

鋼箱梁線型對臨時墩結構布置及其上方的設備行程和反力座墊板高度影響較大，頂推過程中，應根據設備受力與計算結果比較、臨時墩反力座頂面與鋼箱梁底的接觸和間隙情況，對設備頂面和反力座墊板高度進行調整，以適應和較小鋼箱梁線型的影響。

4? ?鋼箱梁頂推強度及穩定性驗算

4.1? ?數值模型建立

為驗算頂推過程中材料的強度及結構穩定性。本文采用有限元數值模擬，對頂推過程中結構強度和節點反力進行計算。數值模擬中鋼箱梁和導梁結構采用beam單元。模型各部分裝配采用固定節點約束進行模擬。模型共91455個節點和110420個單元。具體的強度驗算工況如表1所示。

4.2? ?計算荷載

4.2.1? ?自重及風荷載

根據結構設計單幅鋼箱梁自重860t，導梁自重41t。根據《公路橋梁抗風手機規范》，橫橋向風作用下，主梁單位長度上順風向等效風荷載的計算方法為：

（1）

（2）

式中：ρ為空氣密度，單位為kg/m3；Ug為等效靜風速度；D為主梁特征高度，單位為m；B為主梁特征寬度，單位為m；CH為橫向力系數。

計算得到橫橋正常工作狀態下Fg=909.6N/m；橫橋非正常工作狀態下Fg=8677N/m；風向下吹時，正常工作狀態下Fg=3695N/m；風向下吹時，非正常工作狀態下Fg=33458N/m。

4.2.2? ?計算結果與分析

不同工況鋼箱梁和導梁驗算結果根據有限元的計算結果見表2。工況6鋼箱梁應力云圖見圖3。工況6鋼箱梁豎直方向位移云圖見圖4。工況8導梁應力云圖見圖5。工況8導梁豎直方向位移云圖見圖6。

在工況6時鋼箱梁的最大應力為67.5MPa，≤[σ]=

250MPa，在工況8時導梁的最大應力為110.1MPa，≤[σ]=

250MPa，導梁頭部最大豎向位移為23.3mm。因此鋼箱梁和導梁強度和穩定性均滿足頂推安全性要求。

不同施工階段導梁兩側撓度變化規律見圖7。從圖7可以看出，左側導梁和右側導梁在個施工階段的最大撓曲變形分別為96mm和58mm。其中左側導梁的最大撓度發生在施工階段1到施工階段2過程中，而右側導梁的最大撓度發生在施工階段3到施工階段4的過程中。

總體來看，左右兩側導梁在施工不同階段均有不同程度的變形，但變形均屬于彈性變形。當施工結束時，導梁兩側的撓度均恢復到初始狀態，因此施工的安全性是可以保證的。

5? ?結束語

本文依托澳門大學連接橫琴口岸通道橋鋼箱梁頂推施工案例，詳細介紹步履式頂推施工技術的工藝流程，采用有限元數值模擬頂推過程中結構在不同工況下的強度，并進行穩定性驗算。數值計算表明，不同工況下鋼箱梁和導梁的強度和穩定性均滿足頂推安全要求。

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