曲江峰

(中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司，天津 300300)

1 工程概況

重慶軌道環(huán)線鵝公巖軌道專用橋位于既有鵝公巖長(zhǎng)江公路大橋上游側(cè)，兩橋中心距70 m，主橋全長(zhǎng) 1 120 m，橋跨布置為50 m(錨跨)+210 m(邊跨)+600 m(主跨)+210 m(邊跨)+50 m(錨跨)，采用鋼-混凝土混合梁自錨式懸索橋,見圖1。

圖1 主橋立面布置(單位：m)

主梁采用鋼箱梁，梁高4.5 m，梁寬22 m(含風(fēng)嘴)，采用6腹板斷面。主橋鋼箱梁共分69個(gè)節(jié)段(含鋼混結(jié)合段和合龍段)，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)15 m，節(jié)段最大質(zhì)量為408 t。主纜錨固段及錨跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土箱梁與鋼箱梁之間設(shè)鋼混結(jié)合段。

主纜失跨比1/10，纜間距19.5 m，吊桿間距 15 m，主纜及吊桿采用高強(qiáng)平行鋼絲束。

東西兩個(gè)橋塔塔頂高度一致，塔身外觀呈門形。主塔基礎(chǔ)采用φ3.0 m灌注嵌巖樁，承臺(tái)為啞鈴形。

施工順序?yàn)?基礎(chǔ)→主塔→主梁→主纜→吊桿。

2 施工方案選取

施工方案選取一般要考慮2方面因素：①橋梁所處的自然環(huán)境;②橋梁自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。鵝公巖大橋?yàn)樽藻^式懸索橋，因此橋梁總體施工應(yīng)采用先梁后纜方案[1]。對(duì)于主梁施工，根據(jù)中跨和邊跨各自的地理?xiàng)l件特點(diǎn)，應(yīng)采取不同的施工方案。由于中跨跨長(zhǎng)江主航道，梁段可直接用船運(yùn)到橋下，故首選無支架懸拼施工方案，以避免在長(zhǎng)江中搭設(shè)支架所產(chǎn)生的技術(shù)和安全風(fēng)險(xiǎn)。邊跨位于岸上，兩岸岸坡陡峭，橋下有公路、鐵路和市政管線，地形和施工條件復(fù)雜?；诖朔N情況，邊跨主梁施工有2種方案可選：①采用懸拼或滑移施工，此方案為解決梁段上岸和運(yùn)輸問題，需搭設(shè)伸入江中的支架并配置大噸位浮吊，施工成本較高，并且在技術(shù)上難以滿足跨鐵路施工的要求;②采用頂推法施工，該方案是采用橋面吊機(jī)自主塔中跨側(cè)取梁并提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高，與前一梁端對(duì)接后，向邊跨方向頂推，頂推一個(gè)節(jié)段長(zhǎng)度后，架梁吊機(jī)再沿梁面走行至箱梁尾部并錨固，進(jìn)行后一梁段起吊、對(duì)接、頂推施工。周而復(fù)始，直至將邊跨各梁段安裝到位。與第1種方案相比，頂推施工方案有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)頂推施工充分利用主梁自身剛度大的特點(diǎn)，臨時(shí)墩設(shè)置間距大，可避開橋下不利地形和既有鐵路、公路等障礙物。

2)架梁吊機(jī)從中跨側(cè)直接從運(yùn)梁船上取梁，橋位處不用設(shè)置起重碼頭、存梁平臺(tái)、運(yùn)梁通道等臨時(shí)設(shè)施，大幅節(jié)約了施工成本。

3)頂推方案只在中跨側(cè)設(shè)置2臺(tái)架梁吊機(jī)，相比雙懸臂拼裝方案，少用兩臺(tái)邊跨架梁吊機(jī)。

4)主梁和主塔施工可同步進(jìn)行，有效縮短工期。

綜上所述，確定鵝公巖大橋邊跨主梁施工采用頂推方案。

3 頂推施工設(shè)計(jì)

通過施工設(shè)計(jì)確定頂推設(shè)施和頂推機(jī)具布置，臨時(shí)墩的結(jié)構(gòu)和間距，導(dǎo)梁的長(zhǎng)度、剛度、斷面尺寸以及導(dǎo)梁和主梁的連接構(gòu)造[2-5]。

3.1 頂推施工總體布置

鵝公巖大橋邊跨鋼箱梁起吊、拼裝均位于主塔中跨側(cè)。各節(jié)段用船運(yùn)到起吊位置進(jìn)行起吊和拼裝，拼裝完成一個(gè)節(jié)段，將箱梁整體向邊跨方向頂推一個(gè)節(jié)段,直至將邊跨各梁段安裝到位。為此需在主塔兩側(cè)設(shè)置支架，用于鋼導(dǎo)梁和架梁吊機(jī)拼裝平臺(tái)、箱梁節(jié)段懸拼托架和頂推施工臨時(shí)支墩。

除主塔兩側(cè)臨時(shí)墩，在邊跨適當(dāng)位置也應(yīng)設(shè)置臨時(shí)墩作為鋼箱梁在頂推過程中的支撐點(diǎn)?？紤]主梁剛度、地形、施工條件等因素，在西岸共設(shè)置4個(gè)臨時(shí)墩，在東岸共設(shè)置3個(gè)臨時(shí)墩，在臨時(shí)墩頂布置頂推設(shè)備。東岸臨時(shí)墩布置如圖2所示。

圖2 東岸臨時(shí)墩布置(單位：cm)

3.2 頂推機(jī)具布置

鵝公巖大橋邊跨鋼箱梁采用步履式頂推工藝，頂推設(shè)備為一套帶支撐頂升油缸、頂推平移油缸、橫向調(diào)整油缸的機(jī)械系統(tǒng)，利用液壓泵站的驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)頂推，頂推設(shè)備如圖3所示。

圖3 頂推設(shè)備示意

該設(shè)備利用頂、推、降、縮的4個(gè)步驟交替作業(yè)。先將主梁整體頂升托起；然后頂推平移油缸向前推送一個(gè)行程；之后將主梁整體下降置于臨時(shí)墊梁上；頂推平移油缸再縮缸到底，完成一個(gè)行程的頂推。然后繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)，通過往復(fù)頂推步驟，最終將主梁頂推到預(yù)定的位置。

根據(jù)步履式頂推裝置工作原理可知，對(duì)單個(gè)步履式頂推器而言，由于其滑動(dòng)面并不在橋梁底部，故頂推移動(dòng)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生外部水平力。而當(dāng)多個(gè)頂推器共同工作時(shí)，必須保證各頂推器頂推作業(yè)的同步性，否則由于頂推不同步橋梁梁底與滑箱之間會(huì)產(chǎn)生摩擦力，對(duì)下部臨時(shí)墩結(jié)構(gòu)的受力帶來不利影響。因而步履式頂推裝置應(yīng)滿足施工規(guī)定的同步性要求，且在結(jié)構(gòu)檢算時(shí)需考慮不同步的影響。

頂推裝置設(shè)置在主塔中橫梁和臨時(shí)墩頂，其縱軸線應(yīng)對(duì)準(zhǔn)箱梁腹板布置，頂推裝置數(shù)量根據(jù)鋼箱梁在頂推過程中的反力確定。鵝公巖大橋兩岸邊跨沿縱橋向各布置6組頂推裝置，東岸頂推裝置間距為38.0，36.7，14.0，59.0，17.0 m，西岸頂推裝置間距為46.5，57.5，14.0，48.5，31.0 m。頂推裝置縱向間距即為主梁在頂推過程中的跨徑。

3.3 臨時(shí)墩設(shè)計(jì)

臨時(shí)墩在頂推過程中作為主梁的中間支撐點(diǎn)，除承受主梁自重產(chǎn)生的豎向力作用外，還承受風(fēng)、水流及由于頂推不同步等原因產(chǎn)生的水平力。在一定條件下，特別是對(duì)于高墩，臨時(shí)墩抵抗水平力的性能成為設(shè)計(jì)中要考慮的主要因素。

對(duì)于步履式頂推，由于不同位置頂推裝置運(yùn)行的快慢不同，使臨時(shí)墩墩頂?shù)拈g距發(fā)生變化，根據(jù)力學(xué)原理，在產(chǎn)生相同的墩頂位移情況下，臨時(shí)墩水平剛度越小則承受的水平反力越小。因此，在滿足臨時(shí)墩豎向承載能力的前提下，選取適當(dāng)?shù)目v向水平剛度以盡量減小水平力，是臨時(shí)墩設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容。

以東岸臨時(shí)墩2為例，該臨時(shí)墩在頂推過程中需承受最大豎向荷載 22 000 kN，當(dāng)墩頂產(chǎn)生2 cm縱向位移時(shí)水平反力為 1 001 kN。該臨時(shí)墩由橫橋向4排豎向桁架組成，每排桁架采用4根直徑 1 020 mm 鋼管作立柱，承受外荷載產(chǎn)生的軸向力。立柱間采用直徑500 mm和425 mm鋼管作橫撐和斜撐，與立柱焊接，形成桁架結(jié)構(gòu)。立柱頂設(shè)縱、橫向分配梁支撐頂推設(shè)備，將荷載傳遞至16根鋼管立柱。整個(gè)臨時(shí)墩高77 m，縱橋向長(zhǎng)24 m，橫橋向?qū)?2.5 m。臨時(shí)墩基礎(chǔ)采用直徑1.5 m鉆孔樁，樁基入巖深度不小于6 m，見圖4。

圖4 東岸臨時(shí)墩2(單位：cm)

3.4 鋼導(dǎo)梁設(shè)計(jì)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)梁長(zhǎng)度一般取頂推跨徑的0.6～0.8倍左右，其剛度一般為主梁剛度的1/15～1/9[6]。

本橋最大頂推跨徑59 m，鋼導(dǎo)梁長(zhǎng)度取39 m，約為頂推跨徑的0.66倍。導(dǎo)梁縱向分為6節(jié)，橫向?yàn)閮筛謩e與鋼箱梁兩外側(cè)腹板連接。導(dǎo)梁相鄰節(jié)段之間及導(dǎo)梁與鋼箱梁之間均采用高強(qiáng)螺栓連接。

導(dǎo)梁在頂推過程中承受彎矩和剪力作用，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用合適的結(jié)構(gòu)形式和截面尺寸，使導(dǎo)梁具有足夠的強(qiáng)度和剛度。導(dǎo)梁承受的負(fù)彎矩由自重產(chǎn)生，在設(shè)計(jì)時(shí)為減小導(dǎo)梁重量，通常將導(dǎo)梁做成變截面形式。導(dǎo)梁截面尺寸確定后，一般通過構(gòu)造措施來保證導(dǎo)梁的整體和局部穩(wěn)定性，如設(shè)置橫向連接系和縱、橫向加勁肋等。本橋鋼導(dǎo)梁采用變高度工字形斷面，導(dǎo)梁最前端高1.5 m，后端與主梁高度相同，為4.45 m，梁寬1.2 m。導(dǎo)梁頂板厚36和24 mm，底板厚34和 24 mm，腹板和加勁肋厚20 mm。導(dǎo)梁橫向兩根主梁之間通過6道連接系相連，如圖5所示。

圖5 鋼導(dǎo)梁后端斷面(單位：mm)

4 頂推施工控制

頂推施工控制是通過在施工過程中采取一些必要的技術(shù)措施，從而將臨時(shí)墩墩頂反力、主梁應(yīng)力等指標(biāo)控制在結(jié)構(gòu)可承受范圍內(nèi)，使主梁抗傾覆穩(wěn)定性和主梁局部穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。頂推施工控制的前提條件是對(duì)頂推全過程進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算和監(jiān)測(cè)，關(guān)鍵措施是起頂力控制和設(shè)備同步性控制。施工控制的目的是使頂推施工在安全、可控的條件下進(jìn)行[7]。

4.1 頂推過程起頂力控制

在頂推過程中，主梁是以各組頂推裝置為支點(diǎn)的連續(xù)梁，當(dāng)主梁位置確定時(shí)，支點(diǎn)反力與跨徑和各支點(diǎn)相對(duì)高程有關(guān)。對(duì)于步履式頂推，要調(diào)整頂推器反力，需要對(duì)主梁主動(dòng)起頂，通過改變各頂推器相對(duì)高程，改變豎向反力在各頂推器之間的分配。如圖6所示頂推工況，按梁底設(shè)計(jì)線形和高程設(shè)置頂推器，各頂推器反力見表1。

圖6 主梁頂推工況(單位：cm)

表1 調(diào)整前頂推器反力 kN

由表1可知，在頂推器被動(dòng)受力的情況下，分別位于臨時(shí)墩1和臨時(shí)墩2上的兩組頂推器反力相差較大，造成臨時(shí)墩受力不均勻，此外主梁局部受力過大。因此必須對(duì)頂推器反力進(jìn)行調(diào)整。

表2為頂推器3,4和頂推器5,6分別按9 000 kN和4 500 kN主動(dòng)起頂,主梁起頂后各頂推器反力大小和主梁變形值由表2可知。經(jīng)主動(dòng)起頂后，各組頂推器反力分布得到了改善。

表2 調(diào)整后頂推器反力

在實(shí)際施工中，應(yīng)按照反力合理分布的原則確定各梁段每一個(gè)頂推行程的頂推器起頂力，頂推作業(yè)人員按給定的起頂力操作。同時(shí)要保證水平頂推同步性誤差在允許范圍內(nèi)。本橋頂推施工，水平同步性誤差要求不大于2 cm。

4.2 主梁抗傾覆措施

主梁在頂推過程中的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)與主梁和導(dǎo)梁的質(zhì)量分布及頂推跨徑有關(guān)，因此常通過在主梁或?qū)Я荷显O(shè)置配重或改變頂推跨徑的方式來提高抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)。本橋邊跨前幾個(gè)節(jié)段頂推時(shí)，因鋼箱梁長(zhǎng)度短且導(dǎo)梁重量輕，造成結(jié)構(gòu)整體重心靠后。因此采用在導(dǎo)梁前端增設(shè)配重的方法，以增加抗傾覆彎矩。隨著梁段逐節(jié)拼裝和向前頂推，重心不斷前移，抗傾覆彎矩逐漸增大，經(jīng)過兩三個(gè)梁段后，靠導(dǎo)梁和主梁自重能抵抗傾覆彎矩時(shí)即可拆除配重，按正常方式頂推。

4.3 主梁腹板局部穩(wěn)定保證措施

本橋主梁為鋼箱梁，在施工狀態(tài)下箱梁的剪應(yīng)力和彎曲應(yīng)力均較小，應(yīng)注意的是鋼箱梁在集中力作用下的局部穩(wěn)定性問題[8]。

在頂推過程中，主梁通過腹板支撐在頂推器上，支撐反力在腹板底部邊緣產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，若不加控制易造成腹板局部失穩(wěn)。為避免腹板失穩(wěn)，可采取增加板厚、增設(shè)加勁肋、減小局部壓應(yīng)力等措施[9-10]。在頂推施工中，一般是采用增加腹板受力面積、減小局部壓應(yīng)力的辦法。

本橋鋼箱梁腹板厚20 mm，單點(diǎn)支反力最大為6 500 kN，根據(jù)計(jì)算得到頂推器與鋼箱梁腹板最小接觸長(zhǎng)度為 2 000 mm，并在頂推器與箱梁梁底之間墊膠皮，使應(yīng)力分布均勻。

5 結(jié)論

頂推法是橋梁施工中常用的施工方法，重慶鵝公巖軌道專用橋邊跨鋼箱梁施工采用步履式頂推方案，具有墩高、梁重的特點(diǎn)。結(jié)合本橋特點(diǎn)，在臨時(shí)墩和導(dǎo)梁設(shè)計(jì)、豎向和水平反力控制等方面進(jìn)行了深入研究。主要結(jié)論如下：

1)在頂推施工中，主要通過提高頂推設(shè)備的同步性精度來消除或減小水平力；

2)考慮水平力因素，臨時(shí)墩在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選取適當(dāng)?shù)目v向剛度，而非剛度越大越好；

3)對(duì)步履式頂推，在施工中要嚴(yán)格控制各頂推裝置的起頂力；

4)對(duì)鋼箱梁腹板要驗(yàn)算局部受壓穩(wěn)定性，根據(jù)情況對(duì)腹板采取加固措施或增大腹板與頂推裝置的接觸長(zhǎng)度。