楊增權(quán)

(寧德沙埕灣跨海高速公路有限責(zé)任公司，福建 寧德 355200)

0 引言

伴隨國(guó)家經(jīng)濟(jì)和交通發(fā)展的需求，我國(guó)建造了一大批在國(guó)際上具有影響力的特大型橋梁[1]。特大型橋梁的建造和技術(shù)水平展現(xiàn)了國(guó)家的綜合技術(shù)實(shí)力與經(jīng)濟(jì)水平。目前頂推工藝逐漸成熟，但傳統(tǒng)頂推施工工藝主要適用于橋梁線形單一情況，且頂推施工需要設(shè)置中間臨時(shí)墩或墩旁支架。對(duì)于大跨曲線梁，為了促進(jìn)橋梁頂推法施工技術(shù)的發(fā)展，在保證安全、質(zhì)量和效率的同時(shí)，對(duì)高墩彎橋頂推技術(shù)的優(yōu)化顯得尤為重要[2]。本研究以福建省沙埕灣跨海大橋南引橋?yàn)楣こ瘫尘?。該橋地處海洋環(huán)境臺(tái)風(fēng)頻發(fā)地區(qū)，且屬丘陵山區(qū)，無(wú)較好運(yùn)輸條件，橋梁標(biāo)準(zhǔn)跨徑達(dá)80 m，墩高均超過(guò)50 m，中間不設(shè)臨時(shí)墩和墩旁支架，鋼槽梁由緩和曲線段向直線段頂推。針對(duì)上述復(fù)雜地形情況和技術(shù)條件，展開(kāi)鋼槽梁頂推施工核心工藝研究。

1 工程概況

沙埕灣跨海大橋位于福建省福鼎市境內(nèi)，南引橋采用鋼混組合梁橋平曲線曲率1/1 730，左、右幅第1聯(lián)跨徑布置均為6×80 m，第2聯(lián)左幅跨徑(64+4×80+64) m，右幅跨徑(64+4×80) m。南引橋所在南汊海域約400 m，下部結(jié)構(gòu)采用樁基配空心花瓶墩柱，墩身最高達(dá)50 m，跨徑最大為80 m(見(jiàn)圖1)[3]。

圖1 沙埕灣跨海大橋布置(單位：mm)Fig.1 Layout of Shacheng Bay Sea-crossing Bridge (unit: mm)

2 鋼槽梁頂推設(shè)計(jì)

2.1 鋼槽梁整體線形及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1鋼槽梁整體線形

沙埕灣跨海大橋南引橋左右幅里程范圍分別為K14+129—K15+065，K14+129—K15+001。橋梁主要承重構(gòu)件為中心線高4 m的等高單箱單室鋼混組合而成的連續(xù)槽型箱梁，橋面采用分離式斷面，橋面寬度2×18.1 m，左幅橫坡坡度：2.713%～3%；右幅橫坡坡度：-0.158%～3%。

2.1.2鋼槽梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

頂推施工槽型鋼梁主要結(jié)構(gòu)包括頂板、腹板、底板及通長(zhǎng)布置的腹板，底板設(shè)置縱向加勁肋。頂板厚度為20～65 mm，寬度和高度分別為1.2 m和3.72 m；內(nèi)外側(cè)腹板斜率分別為1∶2.220和1∶203 1，腹板厚度為16～35 mm；底板寬度7.6 m，厚度為14～30 mm。腹板豎向加勁肋設(shè)計(jì)為T(mén)型結(jié)構(gòu)形式，腹板水平加勁肋和底板縱向加勁肋采用板式結(jié)構(gòu)形式[4]。槽型鋼梁橫向結(jié)構(gòu)包括空腹式和實(shí)腹式兩種形式，除支點(diǎn)位置為實(shí)腹式橫梁外，其他位置均為空腹式橫梁[5]，見(jiàn)圖2。

圖2 鋼槽梁斷面圖(單位：mm)Fig.2 Cross-section of steel trough beam (unit: mm)

為了滿足運(yùn)輸要求與頂推的線形要求，槽型鋼梁設(shè)計(jì)分為5種梁段結(jié)構(gòu)類型(見(jiàn)表1)。梁段分節(jié)段在場(chǎng)內(nèi)制造，減小單榀梁段的質(zhì)量，便于槽型鋼梁的吊裝運(yùn)輸和頂推施工中梁段局部的線形調(diào)整。

表1 鋼槽梁節(jié)段類型劃分

2.2 頂推施工方案設(shè)計(jì)

2.2.1頂推鋼導(dǎo)梁設(shè)計(jì)

鋼槽梁頂推最大跨徑為80 m，鋼導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)形式為變截面設(shè)計(jì)：前端高度為1.5 m，尾端高度為4.0 m，腹板厚度由1.6 cm漸變至2.4 cm，翼緣板寬度由60 cm漸變至80 cm，在滿足穩(wěn)定性和強(qiáng)度的條件下，選擇以減小主梁頂推時(shí)最大懸臂狀態(tài)的負(fù)彎矩為目的的輕質(zhì)導(dǎo)梁[6]。導(dǎo)梁制作預(yù)拼完成后，通過(guò)海運(yùn)運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)，節(jié)段之間用高強(qiáng)度螺栓連接，尾部與鋼槽梁焊接[5]。導(dǎo)梁橫向采用方鋼焊接，腹板之間采用貝雷銷銷接。橫向聯(lián)系桁架單孔質(zhì)量為2.6～3.3 t，長(zhǎng)度和寬度分別為1.86 m和1.4 m，每幅導(dǎo)梁之間共有5個(gè)桁架。

2.2.2墩頂托梁設(shè)計(jì)

鋼槽梁頂推施工是在墩頂凹槽內(nèi)安裝箱形變截面承載梁體系，輔助墩頂受力的同時(shí)消除了支架下沉的風(fēng)險(xiǎn)[7]。槽型鋼梁頂推到位后，再沿邊緣氣割進(jìn)行割除，切割邊用同厚度鋼板焊接成連接板，采用高強(qiáng)度螺栓連接。墩頂?shù)某休d梁與槽型鋼梁接觸的位置支墊1 cm橡膠墊片，避免對(duì)鋼槽梁表面的破壞。墩頂承載梁的設(shè)計(jì)與使用極大降低了材料投入，摒棄了搭設(shè)腳手架、預(yù)埋承力件等常規(guī)方法，同時(shí)減少了臨時(shí)墩支架搭設(shè)的工期。

2.2.3防臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)

該橋位于福建省沿海地區(qū)，考慮到每年經(jīng)常會(huì)受到臺(tái)風(fēng)及其暴潮等自然災(zāi)害的襲擊，這就需要在自然災(zāi)害來(lái)臨之前做好各方面的防御措施，確保生命和財(cái)產(chǎn)安全。因此在槽型鋼梁頂推施工設(shè)計(jì)中須加入防臺(tái)風(fēng)臨時(shí)錨固設(shè)計(jì)。在墩身中提前埋設(shè)8根φ32 mm的精軋螺紋鋼，連接套筒預(yù)先外漏。預(yù)先對(duì)槽型鋼梁底部進(jìn)行定位開(kāi)孔，確保與預(yù)埋套筒位置對(duì)應(yīng)。在臺(tái)風(fēng)期間，通過(guò)槽型鋼梁的底部孔道，接長(zhǎng)螺紋鋼穿過(guò)鋼梁進(jìn)行錨固。

圖3 鋼導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(單位：mm)Fig.3 Structural design of steel guide beam (unit: mm)

圖4 頂推施工托梁設(shè)計(jì)(單位：mm)Fig.4 Design of joist for incremental launching construction (unit: mm)

圖5 防臺(tái)錨固設(shè)計(jì)(單位：mm)Fig.5 Design of anti-platform anchorage (unit: mm)

3 鋼槽梁頂推施工工藝

3.1 頂推施工流程

鋼槽梁梁段采用整幅步履式多點(diǎn)連續(xù)頂推法施工。鋼槽梁在工廠分節(jié)段預(yù)制，通過(guò)海運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，鋼槽梁節(jié)段在頂推平臺(tái)上拼好后，導(dǎo)梁和部分鋼槽梁節(jié)段在頂推平臺(tái)前端的三向千斤頂作用下移動(dòng)，然后采用步履式頂推設(shè)備提供頂推力，帶動(dòng)梁體前進(jìn)，可以通過(guò)頂升調(diào)節(jié)里程方向，還可對(duì)橋梁局部線形進(jìn)行橫向調(diào)節(jié)[8]。簡(jiǎn)要施工流程如下：承載梁、操作平臺(tái)安裝→千斤頂調(diào)試安裝(鋼導(dǎo)梁、鋼槽梁加工運(yùn)輸)→導(dǎo)梁拼裝→槽梁調(diào)節(jié)、焊接→(施工監(jiān)控、焊縫檢測(cè))→頂推施工(導(dǎo)梁過(guò)墩、糾偏)→墩頂落梁→橋面板安裝。

3.2 頂推施工

3.2.1多點(diǎn)同步頂推

在每個(gè)墩頂設(shè)置2個(gè)水平千斤頂(小噸位)，頂推全部采用步履式三向千斤頂[9]。每個(gè)液壓系統(tǒng)以中央控制機(jī)為控制中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)單臺(tái)液壓系統(tǒng)的控制。為了保證步履式千斤頂在頂推施工中的同步性，一般均需通過(guò)中心控制室控制各千斤頂?shù)某隽Φ燃?jí)，保證同時(shí)運(yùn)作。每臺(tái)液壓站具有按鈕操作、觸摸屏和遠(yuǎn)程中央控制機(jī)操作功能。上位機(jī)也具備遠(yuǎn)程單控與遠(yuǎn)程連控的功能。

中央控制器具有實(shí)時(shí)同步、界面刷新速度快、通訊故障及時(shí)反饋的提醒功能[10]。遠(yuǎn)程操作可選擇對(duì)應(yīng)站點(diǎn)液壓系統(tǒng)控制，前進(jìn)或者后退，改變相應(yīng)工況的位移，點(diǎn)擊相應(yīng)的油缸按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.2.2鋼梁橫向糾偏

鋼槽梁產(chǎn)生橫向偏位主要有以下幾個(gè)原因：

(1)橋梁頂推過(guò)程中由于橫向兩側(cè)頂推距離不同步，實(shí)際過(guò)程中同步性不能達(dá)到理想狀態(tài)，產(chǎn)生的數(shù)值累計(jì)達(dá)到控制報(bào)警值時(shí)，鋼槽梁軸線與設(shè)計(jì)橋梁中心線形成一定角度，從而產(chǎn)生偏位。

(2)頂推施工直線段處于曲線段的切線方向，平面上鋼梁軸線與設(shè)計(jì)軸線會(huì)產(chǎn)生偏差。

(3)槽型鋼梁在頂推過(guò)程中，每個(gè)橋墩相對(duì)應(yīng)的反力不一致導(dǎo)致摩擦力不均。

橫向糾偏方法：

(1)為確保頂推施工的同步，在頂推過(guò)程中根據(jù)不同步值，計(jì)算兩側(cè)頂推裝置單次行程差，使鋼梁軸線偏向側(cè)頂推設(shè)備加快頂推速度，分多次逐步減小偏差角度，從而達(dá)到糾偏目的。

(2)頂推施工中軸線偏位預(yù)警值為5 cm，當(dāng)達(dá)到5 cm時(shí)進(jìn)行糾偏[11]。

(3)頂推時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)梁段措施。通過(guò)各種導(dǎo)向裝置限位，設(shè)置4個(gè)橫向調(diào)節(jié)油缸，啟動(dòng)油缸的調(diào)整功能，通過(guò)橫向調(diào)節(jié)梁段位置使偏差值在設(shè)計(jì)的允許范圍內(nèi)。

3.2.3頂推施工應(yīng)力控制

通過(guò)有限元模擬分析[12]，計(jì)算頂推施工過(guò)程中的應(yīng)力情況。

(1)荷載

主要荷載有以下幾部分。

鋼槽梁的自重：?jiǎn)味武摿嘿|(zhì)量如表2所示，考慮的分項(xiàng)系數(shù)值為1.35。

表2 鋼梁節(jié)段質(zhì)量

導(dǎo)梁的自重：導(dǎo)梁長(zhǎng)為50 m，自重為1 220 kN，分項(xiàng)系數(shù)值為1.35。

風(fēng)荷載：工作風(fēng)級(jí)為6級(jí)，對(duì)應(yīng)的風(fēng)壓力wk=0.32 kN/m2；非工作最大風(fēng)速v=35.2 m/s(10 m高度)，風(fēng)級(jí)為12級(jí)，wk=2.18 kN/m2，分項(xiàng)系數(shù)值為1.4。

(2)工況的受力與變形分析

根據(jù)全橋橋墩分布、施工場(chǎng)地地形及施工工藝等條件，對(duì)頂推鋼槽梁全過(guò)程的21種工況進(jìn)行分析[13]，對(duì)各工況計(jì)算分析其對(duì)應(yīng)的受力與變形。其中，大部分工況為導(dǎo)梁即將上墩時(shí)的最大懸臂狀態(tài)。

(3)頂推過(guò)程有限元模型建立

利用有限元分析ANSYS軟件，建立全橋有限元模型。主梁結(jié)構(gòu)及導(dǎo)梁主肢采用Shell63板單元，導(dǎo)梁連接桁架采用Beam188單元，用倒退連續(xù)梁進(jìn)行計(jì)算。

(4)頂推施工過(guò)程有限元模擬計(jì)算

根據(jù)有限元計(jì)算可知，左幅鋼槽梁最大應(yīng)力出現(xiàn)在(工況8)19#橋墩支撐位置的頂板區(qū)域(見(jiàn)圖6(a))；右幅鋼槽梁最大應(yīng)力出現(xiàn)在(工況8)18#橋墩支撐點(diǎn)處的鋼梁頂板位置(見(jiàn)圖6(b))。

頂推過(guò)程中，最大懸臂狀態(tài)下鋼槽梁的最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如下：左幅為σmax=239.5 MPa<325 MPa；

表3 頂推施工工況

圖6 鋼箱梁最大應(yīng)力放大云圖(單位：MPa)Fig.6 Magnified nephograms of maximum stress on steel box girder(unit: MPa)

右幅為σmax=267.5 MPa<325 MPa。頂推施工鋼槽梁局部應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

3.2.4頂推整體線性控制

南引橋頂推完成后，發(fā)現(xiàn)頂推過(guò)程中端梁的空間姿態(tài)對(duì)線型影響較大[14]，頂推拼裝過(guò)程中每輪數(shù)據(jù)采集存在較多制約因素，具有一定的隨機(jī)性和較大敏感性。頂推完成后，對(duì)比落梁后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)線形數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖7和圖8)，發(fā)現(xiàn)南引橋80 m梁段的頂推軸線最大偏差為19 mm，高程方向最大偏差為28 mm；64 m梁段的頂推軸線最大偏差為17 mm，高程方向最大偏差為26 mm，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求[15]。

圖7 南引橋第1聯(lián)總體線形圖及誤差折線圖Fig.7 General linear diagram and error line diagram of first connection of south approach bridge

圖8 南引橋第2聯(lián)總體線形圖及誤差折線圖Fig.8 General linear diagram and error line diagram of second connection of south approach bridge

4 結(jié)論

針對(duì)高墩、大跨徑、彎橋等特點(diǎn)，對(duì)沙埕灣跨海大橋南引橋提出了穩(wěn)定可行的頂推施工方法[16]。通過(guò)研究施工階段槽梁切向頂推的橫向偏移規(guī)律[17]，提出了步履式頂推施工橫向糾偏工藝。首次采用承載梁這一創(chuàng)新構(gòu)造，避免了中間設(shè)置臨時(shí)墩和墩旁支架。目前我國(guó)公路橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正處于蓬勃發(fā)展的時(shí)期，各類跨江跨海大橋?qū)映霾桓F，沙埕灣跨海大橋南引橋鋼混組合梁的頂推施工技術(shù)可以為今后類似橋梁頂推施工提供寶貴的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)[18]。