一种双纵坡小半径窄幅钢箱梁+SC组合桥面板顶推施工技术研究

一种双纵坡小半径窄幅钢箱梁+SC组合桥面板顶推施工技术研究

侯磊

中铁六局集团有限公司交通公司分公司

论文摘要：为适应山区高速公路建设条件，统筹考虑全寿命周期成本，满足绿色公路建设要求，减少对不可再生砂石料的使用，推进工业化制造、快速化、装配化及机械化施工，减少建设及运营期间对周边环境的影响，推广耐久性高的钢结构，通过采用成熟可靠的新技术、新工艺，降低造价，并充分考虑检修及维护措施，采用装配式设计的钢混组合梁结构成为高速公路桥梁建设新趋势。文章结合重庆市南川西环线高速公路项目新建沿塘枢纽互通B匝道2号桥一联连续钢混组合梁顶推施工过程，重点阐述小半径钢混组合梁顶推施工设计难点及顶推施工过程中的控制措施，对于促进类似工程建设实现可持续发展具有重要的意义。

关键词：桥梁工程；钢箱梁；双纵坡；SC组合桥面板；小半径曲线；上跨高速；顶推；

一、工程概况

1、工程概况

沿塘枢纽互通B匝道2号桥起始里程为BK0+362.7，终点里程为BK0+664.6，全桥共3联∶2×46m+4×30m+（28+28+27.9）m；上部结构第一联采用钢混组合梁，第二、三联采用预应力混凝土现浇箱梁；下部结构桥台采用重力式U型桥台，扩大基础，桥墩采用柱式墩，桩基础。

本桥平面位于圆曲线和缓和曲线上，纵断面桥梁起点至BK0+418位于i=3.89%上坡段内，BK0+418至BK0+605.54位于i=2%的下坡段内，其余部分位于i=2.45%的上坡段。

第一联为2跨46m钢混组合梁，起始为0号桥台，终点为2号墩，平曲线半径为R=100m，竖曲线半径为R=1600m。桥台采用重力式U型桥台，扩大基础，基础尺寸为12.5m×8.45m×1m+11.5m×7.45m×1m，台身平均高度4.03m，背墙高度3.4m，横坡为2%，横向垫石高差27.3cm。钢梁高度为2.1m、宽10m，中支点组合桥面板厚度26cm，端支点组合桥面板厚度40cm，路面宽度9m，采用4cm细粒式改性沥青玛蹄脂SMA-13上面层+6cm改性沥青AC-20C下面层+桥面防水粘接层。

2、钢混组合梁设计参数

主梁、横梁及加劲肋等结构钢材等级采用Q355C，组合桥面板结构钢材等级采用Q355C，栏杆等附属结构钢材等级采用Q235B。

高强度螺栓采用10.9s级，构件安装前抗滑移系数不小于0.45。

主梁采用“窄幅钢混组合梁+SC组合桥面板”的组合梁，双主梁结构。桥宽为10m，钢梁净间距4.3m。钢梁跨间设置实腹式中横梁，中支点及端支点处分别设置实腹式支点横梁。

钢主梁采用直腹板形式，单箱截面中心处组合高度2.5m（顶-顶），其中钢梁高（顶-顶）2.1m，高跨比1：21.9。主要由顶板、腹板、底板及腹板横肋、顶板纵肋组成，单片钢混组合梁腹板中心间距（外-外）1.2m，顶板伸出腹板外侧160mm，宽度为1.52m，底板伸出腹板外侧125mm，宽度为1.45m。

主梁节段划分综合考虑钢梁的受力、制作能力、运输通行能力等多方面因素，主梁最大节段长度不宜超过12m，最大节段重45.6t（钢主梁）。

全桥共计9个节段，节段长度最短为8.5m，最长为11.87m，节段间预留10mm宽拼接缝。

图1    B匝道2号桥布置图

图2  钢混组合梁横断面图    图3   钢混组合梁三维效果图

二、施工方案比选及优化

常见钢混组合梁施工工艺主要为顶推和吊装工艺，本次方案比选以顶推和吊装工艺进行比选，主要比选情况如下：

1、吊装方案：

（1）优点：钢主梁验收出厂后可直接吊装至梁位，主要大型设备为130t汽车吊，具有工期短，施工快捷，安装成本较低。

（2）缺点：本桥上跨南两高速，吊装时需在南两高速中分带设置临时钢管柱支墩，吊装时需临时中断交通，吊装装桥面板、横梁时需拆除两侧路肩护栏，安装横梁、桥面板时需搭设防护棚（或中断交通），防止桥上螺栓等物件掉落高速公路。施工临时支墩及吊装过程中，需交通导改6个阶段，安全风险较高，导改费用高。

2、顶推方案：

（1）优点：钢主梁验收出厂后运输至现场拼装，节段短，便于运输；钢主梁、横梁、桥面板为一次拼装完成后顶推，相比吊装方案，消除了后期安装横梁、桥面板对高速公路行车的安全风险，且对交通无影响，可保证南两高速交通畅通。

（2）缺点：采用顶推工艺，施工周期相比吊装长，且顶推辅助措施费用较高。

3、方案选定：

综合本桥所处位置综合分析考虑：

（1）保通：根据本工程所处位置（钢混组合梁上跨路基长度为200m，前后均为桥梁，其中凤咀江特大桥长1600m接沿福隧道，斑竹堡大桥长600m接安坪隧道），交通导改单幅双通距离长，吊装过程中断道单次约为1小时，对交通影响较大，沟通协调问题较多，组织难度大。顶推工艺对交通基本无影响。

（2）安全：吊装工艺需占道施工且后续安装横梁、桥面板过程中存在高空坠物风险。顶推工艺为一次安装成型，消除后期安装螺栓等对高速影响。

（3）经济：初步估算，吊装交通导改费用+节省施工措施费为148.7万元，顶推措施费为125.1万元，顶推方案经济效益明显。

（4）工期：吊装工艺相比顶推工艺节省工期10天，钢主梁通过第二跨时通过边顶推边切除导梁方法不影响下一联现浇连续箱梁施工，工期对本桥施工影响不大。

（5）综上所述：本联钢混组合梁采用顶推工艺施工。

三、顶推方案总体设计

1、总体施工方案简述

钢梁由工厂集中化加工生产，检测合格后运输至现场拼装为整体，采用顶推工艺进行钢梁安装，钢梁顶推到位后，进行现浇混凝土桥面板施工。顶推由0号桥台向2号墩方向进行，钢主梁和钢导梁在路基上完成拼装，在0号桥台、1号墩墩顶设置支点，在1～2号墩之间谁设置临时钢管柱支墩，便于边顶推边拆除导梁。

图4    顶推立面示意图

图5    顶推平面示意图

2、顶推设备参数

顶推设备采用步履式多点同步顶推设备，每组设置2台，最大使用为7组，最少情况为3组；竖向推力：320吨，水平推力50吨，摩擦系数0.1～0.05；共计14台，现场配备16台设备（2台设备备用）；每个循环为8分钟。

图6  顶推设备立面图            图7   顶推设备平面图

3、顶推平台参数

钢梁安装及顶推平台采用扩大基础和钢管柱临时支墩两种形式。

钢梁拼装位置位于桥头路基上，采用扩大基础形式，扩大基础长4m，宽2.5m，高0.8m，采用C30钢筋混凝土，钢筋采用双层布置，上下层纵向钢筋采用HRB400φ16，间距20cm；横向钢筋采用HRB400φ14，间距20cm；构造钢筋采用HRB400φ12，间距20cm。

图8    扩大基础结构示意图

扩大基础下方地基承载力特征值不得小于200kpa，当基坑开挖后实测承载力无法满足200kpa时，需对基础截面进行扩大或采取深挖换填形式处理。

为不影响后接的现浇连续箱梁施工，在1、2号墩中间位置设置1组钢管柱临时支墩，便于边顶推变成拆除导梁，最后钢梁落在2号墩位置。

钢管柱采用φ426×6钢管，高度10.5m，基础采用扩大基础形式，长4m、宽2.5m、高0.8m，采用C30钢筋混凝土，钢筋布置形式、地基承载力要求及处理方式同上。连接系采用φ219×4钢管与钢管柱进行焊接连接。

图9     钢管柱临时墩示意图

图10  钢管柱临时墩立面图   图11   钢管柱临时墩横断面图

4、钢导梁设计参数

钢导梁采用变截面实腹式钢板梁，高度由2.1m→1.3m→1m过渡，总长度为34m，伸入主梁2m，外露32m。共分为4个节段（A、B、C、D节段）。

图12    钢导梁立面图

图13   钢导梁平面图

5、顶推施工原理

顶推设备每个循环最大行走0.5米，每个循环分四步完成，第一步将滑块停至起始位置，千斤顶顶升将梁体同步顶伸；第二步水平千斤顶提供水平力克服摩擦力，梁体向前行进一个行程0.5米；第三步竖向千斤顶下降将梁体落在支顶上，使梁体脱离滑块；第四步水平千斤顶缩回至初始位置。至此梁体已经前行0.5米，完成一个单循环作业，进行下个循环直至梁体就位。

图14   第1步 步履设备顶升设备将梁体顶离支墩

图15   第2步 步履设备水平推滑块，滑块带动梁体前进

图16    第3步 顶升设备下降滑块脱离梁体

图17    第4步 滑块回到原位，进行下一循环

6、顶推纠偏原理

梁体在走行过程中会因为单个行程行走线路为直线，操作上的精度问题可能会产生走偏，所以在顶推的行进过程中采取了主纠偏方式和辅助纠偏的办法克服梁体跑偏。梁体走偏后，可以以计算为依据，适当使滑道向反方向偏移，在后面的几个行程中纠偏过来；

设置强制纠偏措施：在桥台处设置限位挡块；限制箱梁左右偏移；挡块限制箱梁最大偏移量为5cm；挡块采用36#工字钢制作，在桥台上设置后置化学螺栓连接。

7、试顶推

试顶推施工前首先对临时墩的承载力，导梁的可靠性，导梁与箱梁的连接进行可靠性试验。在箱梁与导梁结合位置用竖向顶将梁体顶起1mm进行导梁及连接部位的检验。

高速路上跨最大跨度为46米，在梁体组装位置进行试顶推导梁+梁体悬挑最大长度为46米满足顶推要求,并运行两个行程进行观察。

观察各个设备运行情况，梁体及导梁变形情况；如有异常情况停止顶推，排除异常后重新试顶推。

8、正式顶推

（1）顶推

①步履设备在支撑临时支墩上，梁体全部由滑块支撑滑动。

②所有临时墩墩顶布置主动装置，14个水平顶同时启动，实施多点顶推。

③前进50cm后停止，梁体下降放置临时支墩上，滑块退回，调整间隙，梁体上升，梁体再次支撑在滑块上，可继续前移。如此反复循环，梁体可一直前行。

（2）前导梁接收

前导梁到达1号墩顶推平台正上方前，将滑块先滑移至前方位置，理论上前导梁前支点下挠为60cm，千斤顶全缩后在直接接收导梁，但考虑到安装误差等原因，准备10t手动液压千斤顶进行辅助接收。

（3）水平纠偏

在顶推过程中，可能会出现三种偏向，第一种是前后端均向一侧偏出；第二种是一端不偏而第一端向一侧偏出，第三种是两向不同侧偏出，即前端向左偏，后端向右偏，或关端向右偏，后端向左偏。如下图；

两端均向一侧偏出

一端不偏，另一端偏出

一端左偏，另一端右偏

针对以上偏离的方式，分别制定如下纠编调整方案。

前后端滑道均向右侧偏，千斤顶将梁体推向右侧。

后端不动，前端向右偏，前端千斤顶将梁体前端推向右侧。

后端向左偏，前端向右偏，在前进过程中梁体绕梁体中间某点顺时针转动。

当顶推就要结束前，应加强梁体姿态控制，避免过大的偏差出现，在距离设计位置还有3个循环时，要控制梁体偏差在3cm以内，当梁体距设计位置还有1个循环时，要控制梁体偏差在1cm以内。最后1个循环内每推进15cm测一次偏差情况，必须时随时进行纠偏调整。

梁体在顶推过程中通过不断重复顶推的4个基本步骤，不断重复进行导梁的接收与脱离，不断进行姿态调整与控制，最后将梁体顶推至设计位置，完成顶推任务。

四、顶推计算

1、计算内容

（1）钢箱梁结构受力；

（2）导梁受力；

（3）临时墩受力；

（4）主墩受力；

（5）落梁受力。

2、计算方法

采用迈达斯建模进行计算。

结构参数：

Q235钢：容许弯曲应力[σ]=215MPa，容许剪应力[τ]=140Mpa，容许轴向应力[σ]=215MPa；

Q355钢：容许弯曲应力[σ]=305MPa，容许剪应力[τ]=180Mpa，容许轴向应力[σ]=305MPa；

钢弹性模量ES=2.06×105MPa，混凝土弹性模量Ec=3×104MPa。

3、荷载计算

（1）主梁及钢导梁自重（模型自动计入）。

（2）桥面板荷载：单侧主梁线荷载63.9KN/m。

（3）风荷载：取10年一遇最大风速27m/s，所受风载0.45kpa。

（4）顶推水平力：取6%纵向水平力。

（5）施工荷载取1.5kpa。

4、整体结构计算

（1）顶推计算从第一次最大悬臂工况（桥台至1#墩）开始计算，然后每顶推5.0m为一个计算工况。共计8个计算工况。

计算得出主体结构最大结构应力97.0MPa，导梁最大应力99.7MPa，最大剪应力20.5MPa，结构最大位移1010mm，支点反力最大2219.1kN。最大支点反力为桥台处临时墩。路基上临时墩最大反力为2106.3kN，结构受力满足要求。

（2）顶推计算从第二次最大悬臂工况（钢管临时墩至2#墩）开始计算，每顶推5.0m为一个计算工况。共计8个计算工况。

计算得出主体结构最大结构应力112.3MPa，导梁最大应力20.3MPa，最大剪应力9.0MPa，结构最大位移87.8mm，支点反力最大1539kN。最大支点反力为桥台处临时墩。结构受力满足要求。

（3）钢梁顶推过程中，临时墩反力设计值为R=2219.1kN，为了确保结构受力满足要求，在钢梁腹板进行加固，间距按照350mm，加劲板厚度12mm，钢梁腹板厚度最小为14mm。

（4）横梁采用2HW488×300截面，支点间距1215mm，支点反力2219.1kN，则横梁内力如下：

Q=R/2=1139.3kN

M=RL/4=692.1kN·m

计算得出弯曲应力σ=124.5Mpa＜215Mpa；

剪切应力τ=1177Mpa＜180Mpa，满足受力要求。

（5）1号墩最大反力为R=2219.1+833.6=3052.7kN，顶推过程中考虑10%的水平力，则水平力为F=305.3kN。

墩柱根部的弯矩为：M=305.3×(2.2+7.06)=2856.7kN·m；

墩柱根部的内力：N=R+G=3052.7+2943=5995.7kN；

墩柱根部最大拉应力：σ=0.6Mpa，小于墩柱C35拉应力设计值1.76Mpa，满足受力要求。

（6）落梁过中横梁的受力验算：横梁最大组合应力84.7MPa＜305MPa，最大剪应力102.6MPa＜180MPa，最大竖向反力1854.5kN，满足受力要求。

五、总结

本桥顶推施工中对分段拼装空间曲线顶推平台、顶推设备和过程纠偏、空间曲线(平曲线、竖曲线)顶推技术进行了攻关，在充分借鉴以往直线顶推经验的基础上，从满足小半径曲线顶推的关键技术环节入手,提出了切实可行的顶推方案。顶推过程中注意如下问题:(1)导梁尺寸的合理选定；(2)顶推过程中钢箱梁最不利位置追踪；(3)钢主梁局部加强；(4)项推过程主梁局部应力分析。

采用顶推的方法架设小半径曲线的钢混组合梁,在国内高速公路建设施工中少见。本次顶推施工的成功运用将为跨路、跨河的钢结构桥梁安装积累更多的设计和施工经验。

主要参考文献：

[1]《钢结构设计标准》（GB50017-2017）。

[2]《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》(JTGTD64-01-2015)。

[3]《钢-混凝土组合桥梁设计规范》(GB50917-2013)。

[4]《复杂地段小半径变曲率连续钢箱梁顶推施工技术》尚庆宝（U445.462，1004--2954（2007）03-0048-03）。