基于顶推法的高架钢箱梁桥施工技术*

安海兵，王焕平，王丽梅，周泰华，张群生

(中建六局土木工程有限公司，天津 300457)

0 引言

桥梁通常采用钢箱梁结构，钢箱梁也称钢板箱型梁，具备自重较小、强度较高等特点，且跨越能力良好[1-3]。钢箱梁可通过多种方法完成施工[4]，如何在不影响桥下交通的同时，以最少的施工成本完成钢箱梁施工是重难点。顶推法施工过程中无须使用支架及大型机械设备，因此，可在施工场地较小的情况下完成钢箱梁施工。程少东等[5-6]针对分别展开相关研究，提出的拼装和吊装技术可较好完成钢箱梁施工，但消耗较大物力。本文以最小物力消耗为前提，在占地最小的情况下施工钢箱梁，研究基于顶推法的高架钢箱梁桥施工技术。

1 工程概况

某高架钢箱梁桥为等高连续钢箱梁，长170m，为单箱双室闭合截面，桥梁顶板宽15m，底板宽9.5m，悬臂长2m，桥梁中心线高出钢箱梁外轮廓2.2m，钢箱梁采用Q345，Q370钢材质，工程平面结构如图1所示，施工现场如图2所示。

图1 高架钢箱梁桥结构平面(单位:m)

图2 工程施工现场

2 基于顶推法的钢箱梁施工技术

步履式顶推施工技术由智能控制、基座、液压油缸(顶升、侧移、顶推)、驱动系统等组成。智能控制通过计算机程序控制千斤顶移动，完成顶升、侧移、顶推等操作。通过千斤顶纵向顶升钢梁后，推动钢箱梁向前移动[7]，控制千斤顶回落，使钢箱梁降落在垫块位置上，控制水平千斤顶归位。循环上述操作，将钢箱梁推移至理想位置。顶推控制如图3所示，共确定6组(对应2个点为1组)顶推点，各顶推点推力如表1所示。

图3 顶推控制施工示意

2.1 有限元分析模型

采用MIDAS Civil软件构建高架钢箱梁桥有限元模型，如图4所示。

图4 有限元模型

钢箱梁主梁模拟采用190个梁单元，钢箱梁分为12个施工节段，依据钢箱梁结构，修正模型容重[8]。顶推过程中，通过激活强制位移进行模拟，由于混凝土桥面和钢箱梁间存在共同耦合受力的情况，因此，该模拟采用刚性连接。成桥时，墩顶和支座下节点间的自由度为全部约束，采用弹性连接完成支座模拟后，将刚度数值输入其中。

2.2 钢箱梁抗倾覆稳定性计算

顶推法施工过程中，由于轴线偏移、支点纵横向间距及风荷载等因素均影响桥梁倾覆稳定性[9]，因此，需计算钢箱梁在稳定情况下的倾覆稳定性。

设桥梁总荷载为F总，包含桥梁自重和施工荷载，稳定状态下，桥梁倾覆扭矩和稳定扭矩相等，公式如下：

F总e+F内e内=F外e外

(1)

式中：e表示偏心距，对应总荷载；F内，F外分别表示内侧支座和外侧支座的支反力；e内表示内侧支座和梁体间距，e外表示外侧支座和梁体间距。

F总=F内+F外

(2)

(3)

如果桥梁横向倾覆处于临界点，则F内=0，且e=e外；如果梁体处于稳定状态，则ee外，此时，稳定系数计算如下：

(4)

式中：k>2.5时，表示桥梁稳定性满足规范标准。

2.3 桥梁风险概率和损失分析

为分析采用顶推法的施工质量，可通过模糊分析法定量分析施工后桥梁的风险概率[10]。

设Ω表示风险空间，对应钢箱梁存在的任意风险事件A，Ω用B1,B2,...,Bn进行划分，钢箱梁质量风险全概率计算如下：

(5)

对于A(P(A)>0)来说，发生质量风险的概率如下：

(6)

式中：Ai表示引发钢箱梁质量风险A的因素；Bi表示引发钢箱梁质量风险B的因素，对应各种风险。基于贝叶斯理论即可完成钢箱梁质量风险源的先验、后验及似然3种概率，利用式(5)可获取全部风险源的风险概率，取值范围为(0.001，1.0)，将其划分成3个阶段，分别为(0.001，0.009)，(0.01，0.09)，(0.1，1.0)，即没有风险、可能存在风险、存在风险。

计算风险概率后，需判断该风险造成的损失，基于模糊分析构建模糊风险损失综合评价模型，首先构建风险因素集和风险损失责备集，分别用U={UCij}和V={v1,v2,v3,v4}表示，Ci,j表示风险因素，V中的4个因素分别表示风险损失等级，即较低、一般、较大、严重，依次用等级1～4表示，依据隶属函数得出如下模糊评价模型：

Gi=Wij·Rij

(7)

式中：Gi，Wij，Rij分别表示判断结果向量、权向量及判断矩阵。以此确定基于顶推法完成钢箱梁施工过程中，各风险源造成的质量风险等级。

3 试验结果分析

3.1 施工工艺分析

通过MIDAS模型计算钢箱梁承载力：

q=1.45[(D2-d2)fc+d2fy]-26.1

(8)

式中：D表示钢板开孔直径；d表示贯穿钢筋直径；fc表示抗压强度；fy表示贯穿钢筋屈服强度。

将模型数据输入MIDAS中模拟钢箱梁顶推施工过程，关键工况如下：①工况1 完成45m长钢箱梁的拼装，顶推至20m，使导梁位于2号墩；②工况2 完成40m长钢箱梁拼装，顶推至25m，使导梁位于3号墩；③工况3 完成40m长钢箱梁拼装，顶推至30m，使导梁位于4号墩；④工况4 完成45m钢箱梁拼装，顶推至35m，使导梁位于5号墩；⑤工况5 继续顶推20m，将钢箱梁推至目标位置，拆除导梁。

根据关键工况施工详情，在这5种工况下，临时墩的临时最大支反力、钢箱梁最大拉应力和压应力、导梁最大挠度结果，如表2所示。

表2 施工技术分析结果

表2中，采用顶推法施工钢箱梁过程中，工况3中的钢箱梁累计顶推高度为75m，临时墩的最大支反力、钢箱梁最大拉应力和压应力、导梁最大挠度分别达1 797kN，89.51MPa，-19.7MPa，397.1mm，此时，导梁已达最大悬臂状态，导致钢箱梁产生不均匀应力，影响稳定性，为保证钢箱梁安装稳定性，应采用临时支撑等方式辅助钢箱梁施工。

3.2 钢箱梁强度分析

采用顶推法施工钢箱梁后，可通过钢箱梁承载力判断施工技术的优劣，结合钢箱梁荷载，计算钢箱梁极限承载力。该测试中，结合桥梁自重荷载、车辆行驶荷载、支座沉降荷载、梯度温度变化荷载，获取钢箱梁结构在综合荷载下的应力分布，如图5所示。

图5 钢箱梁在综合荷载下的应力分布

依据图5可知，在多种组合荷载下，钢箱梁结构应力分布不均匀，应力方向趋于集中，且集中应力过大，使钢箱梁不稳定。因此，施工过程中，应实时关注每个工况的稳定性，及时调整施工工况方案，保证施工后桥梁的稳定性，避免集中应力过大。

3.3 稳定性分析

顶推法施工过程受多种因素影响和干扰，施工时易出现支点脱空、轴线偏移等问题，且受风荷载影响，故从以上3个方向分析顶推法施工的优劣。

3.3.1支点脱空对钢箱梁稳定性的影响

选取钢箱梁内、外侧各4组对应支点，研究分别脱空后的稳定系数变化情况，如图6所示。

图6 支点脱空后稳定系数变化结果

由图6可知，内、外两侧第1组支点发生脱空后，内侧k<2.5，外侧略高于2.5，表明第1组支点脱空后，对钢箱梁稳定性影响较大，其抗倾覆稳定性不满足标准需求；其他支点脱空后，k均较大程度高于2.5的标准需求。表明采用顶推法施工钢箱梁过程中，对端部支点的顶推尤为重要，需保证该位置支点不发生脱空，以保证钢箱梁的抗倾覆稳定性。

3.3.2轴线偏移对钢箱梁稳定性的影响

顶推法施工过程中，均设定中轴线，但实际操作时，中轴线与设定中轴线会产生间距，即轴线偏移。轴线偏移后稳定系数变化如图7所示。

图7 轴线偏移后稳定系数的变化结果

由图7可知，轴线偏移距离越大，k值越低，当偏移距离>30cm后，k值临近最低标准甚至低于标准值，因此，施工过程中，需控制轴线偏移距离≤30cm。

3.3.3风荷载对钢箱梁稳定性的影响

钢箱梁施工过程中，风荷载影响钢箱梁的稳定性，因此，将风荷载数据输入MIDAS计算模型中，通过调节不同风力等级，模拟风荷载对钢箱梁稳定性的影响，获取不同风力等级下k值的变化，如图8所示。

图8 风荷载变化下稳定系数的变化结果

由图8可知，随着风力等级逐渐增加，k值逐渐下降，但仍显著高于标准值。当风力等级达到6级后，k值为4左右，明显高于标准值，结合各桥梁施工规范制度，当风力等级>6级后，应停止施工，因此，风荷载对钢箱梁施工影响较小，对钢箱梁抗倾覆稳定性能的影响可忽略不计。

3.4 风险概率评估和风险损失等级判断

通过桥梁风险概率和损失分析，模拟施工过程中的风险概率评估和风险损失等级判断测试。结合桥梁自重荷载、车辆行驶荷载、支座沉降荷载、梯度温度变化荷载等荷载组合，获取顶推施工技术在5种施工工况下，每个工况的风险概率和风险损失结果，以分析顶推施工技术的施工质量，结果如图9所示。

图9 风险概率评估和风险损失等级判断结果

由图9可知，5种工况中，每个工况的风险概率和风险损失结果均存在一定差异，其中工况3的风险概率约为0.02，存在较低的风险损失，其余工况的风险概率均低于0.009，表明不会造成风险损失。因此，采用顶推法施工钢箱梁时，及时调整施工工艺，即能够保证良好的施工质量。

4 结语

顶推法是跨度较大桥梁的主要施工技术[11-16]，本文对高架钢箱梁桥施工中的应用展开研究，结合有限模型及稳定性计算和风险概率计算，获取该技术的施工效果和工程质量。结果显示，采用该技术施工钢箱梁过程中，应控制脱空支点和轴线偏移距离，以保证良好的施工效果和桥梁质量。