自锚式悬索桥超宽长联钢箱梁顶推方案研究

时间：2024-07-28

王晓，朱金柱

（1.广西交通设计集团有限公司，广西南宁 530029；2.中交第二航务工程局有限公司，湖北武汉 430040；3.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司，北京 100120）

0 引言

目前，自锚式悬索桥有“先梁后缆”[1-2]和“先缆后梁”[3-4]2 种施工方法，在大跨度、多塔自锚式悬索桥中，“先梁后缆”法由于其适用性强且无须设置临时锚碇而得到广泛应用。多塔自锚式悬索桥加劲梁的安装主要有顶推法、满堂支架法2 种。近年来，随着顶推设备、系统平台以及顶推控制技术的迅猛发展，步履式顶推技术逐渐成熟，呈现出对场地适用性强、施工工效高、经济性好、施工风险相对低以及施工精度高等优点[5]，广泛应用于跨越河流、公路的自锚式悬索桥的加劲梁施工中。

随着桥梁新结构、新材料及施工技术的发展，自锚式悬索桥逐渐呈现超宽、大跨、长联的特点，在其顶推施工过程中，面临着加劲梁横向变形控制难度大、结构受力对环境的敏感性强、顶推精度和同步性控制难度大等挑战，因此以某三塔自锚式悬索桥为背景，对其超宽长联钢箱梁的顶推方案进行系统研究，以期为后续类似工程的顶推施工提供参考。

1 工程概述

1.1 工程概况

该桥为目前世界上最大跨度、最大宽度的三塔四跨自锚式悬索桥，全长1 332 m，加劲梁跨径布置为（70+168+2×428+168+70）m，其总体布置如图1 所示。主缆采用61-127φ6.2 mm 镀锌铝合金高强钢丝构成，为空间缆结构。全桥共设置240 根吊索，吊索的标准间距为9.0 m。

图1 全桥总体布置图（m）Fig.1 General layout of full-bridge（m）

该桥全宽61.7 m，设双向八车道，中间预留双线轨道交通实施空间，两侧设置非机动车道和人行车道。加劲梁采用单箱多室的钢箱梁结构，钢箱梁顶推到位后，在两侧机动车道区域及缆吊系统位置处铺设12 cm 的UHPC 混凝土桥面板。钢箱梁中心处梁高4.0 m，标准梁段长9.0 m，设2.0%的双向排水坡，横隔板采用桁架空腹式隔板结构，钢箱梁的标准断面如图2 所示。

图2 钢箱梁标准断面图（mm）Fig.2 Standard cross-section of steel box girder（mm）

1.2 顶推施工重难点分析

该桥位于黄河流域，地质条件较差，其超宽、长联钢箱梁采用步履式顶推施工时，面临的技术挑战为：

1）桥位处地质条件复杂，大型构件运输受限：由于黄河河道内泥沙淤积严重，运输船只无法通航，从而导致钢箱梁梁段和大型施工设备无法通过水路运至现场。

2）超宽钢箱梁结构：该桥钢箱梁全宽61.7 m。采用步履式顶推时，钢箱梁的横向变形控制难度大，顶推过程中存在结构应力超限风险高、横向纠偏困难的特点。

3）大跨、长联结构：该桥为目前世界上最大跨度的三塔自锚式悬索桥，加劲梁全长1 332 m。顶推施工时，面临着钢箱梁对温度等环境因素敏感性强、临时墩和顶推千斤顶数量多、顶推精度和同步性控制难度大、临时墩应力和变形大、顶推风险高等难点。

2 顶推方案优化分析

结合该桥顶推施工时的重难点，在超宽长联钢箱梁步履式顶推过程中，顶推方式、临时墩间距、导梁长度以及千斤顶布置等均影响顶推时的施工工效、结构受力、施工安全性及经济性，因此需要对顶推过程中的关键影响参数进行优化分析，确定最优的顶推方案。

2.1 顶推方式比选

该桥的钢箱梁步履式顶推依据其顶推方向可分为单向顶推（从一岸辅助跨向对岸侧辅助跨顶推推进）和双向顶推（由两岸辅助同步向中塔下横梁处同步顶推推进）[6]。结合该桥结构特点及现场地质情况，2 种顶推方式的优缺点如表1 所示。

表1 顶推方式比选Table 1 Comparison and selection of pushing methods

由表1 可知，综合考虑施工工效、顶推精度以及施工安全等，双向顶推为该桥较优的顶推方式。

2.2 临时墩合理布置分析

顶推时，临时墩可以有效降低钢箱梁尾端的转角，减少顶推过程中钢箱梁的应力，提高钢箱梁顶推过程中的稳定性和安全性[7]。临时墩的间距不仅影响顶推时钢箱梁和临时墩受力，还关系着顶推工效、经济性和施工安全性。为确定该桥临时墩的合理布置，结合现场情况以及目前相关学者对顶推施工中临时墩布置的研究[8-10]，提出了2 种布置方案：方案一（55 m 的临时墩间距+40 m钢导梁）和方案二（60 m 的临时墩间距+45 m 钢导梁），2 种方案的临时墩布置如图3 所示。

图3 2 种方案的临时墩布置（m）Fig.3 Layout of temporary piers in two schemes(m)

采用有限元软件分别建立2 种方案的有限元模型，对其顶推过程进行模拟，得出在2 种方案下，临时墩、钢箱梁和导梁在顶推过程中的受力状态如表2 所示。

表2 不同临时墩间距时结构的受力状态Table 2 Stress state of structure with different spacing of temporary piers

由表2 可知，在顶推过程中，1）方案二与方案一钢箱梁最大拉压应力均相差不大。2）方案二导梁最大拉应力比方案一高8.90 MPa，最大压应力比方案一低14.66 MPa，最大竖向位移比方案一大27.3 mm。3）在临时墩最大支反力方面，方案二比方案一增大约5%，但方案二中临时墩数量减少2 个。综上，相比方案一，方案二中临时墩、钢箱梁以及导梁的受力变化不大，均在合理可控的范围内，且方案二经济性突出，因此选择60 m的临时墩间距+45 m 钢导梁的方案二为最优方案。

2.3 临时墩结构形式优化

针对该钢箱梁的顶推，临时墩墩顶的顶推设备若采用常规型布置（见图4（a）），则面临以下问题：由于顶推设备放置在前后2 个反力座中间，受力不明确，临时结构偏载风险大；临时墩顶反力座位置固定，钢箱梁长度大，在温度的影响下导致其伸缩变形大，从而导致临时墩墩顶的水平力较大，临时结构安全风险高。因此，结合本桥的特点，针对临时墩墩顶结构的常规型布置进行2 方面的优化（见图4（b））。1）改变临时墩顶的结构布置：将传统的2 个反力座放两端、1 个顶推设备放中间的结构优化为2 个顶推设备放两端、1个反力座放中间，降低了临时结构偏载的风险，确保结构受力可控；2）在临时墩墩顶增加滑移系统：在反力座底部设置由不锈钢板和四氟滑板组成的滑移系统，有效解决了长联钢箱梁顶推时由于温度影响而导致临时墩墩顶产生较大的水平位移的难题，极大地降低了施工风险。

图4 优化前后墩顶结构布置图Fig.4 Layout of structure on pier top before and after optimization

临时墩由钢管桩、钢管立柱和纵横向分配梁构成，临时墩的结构构造示意图如图5 所示。

图5 临时墩结构构造图Fig.5 Structure diagram of temporary pier

为了增强临时墩整体稳定性，钢管立柱之间通过φ630×8 钢管和双槽28 斜撑连接成一个整体。

2.4 顶推方案

该桥采用步履式双向顶推（由两边跨同时向中塔方向顶推）的方式，合龙口设置在中塔中心线偏小里程3.5 m 处，导梁长45 m，临时墩最大间距为60 m，共设置24 个临时墩，如图6 所示。在PF21 号墩和PF27 号墩处分别设置提梁站和拼装平台。

图6 顶推施工临时墩布置（m）Fig.6 Layout of temporary piers during pushing(m)

钢箱梁在钢结构加工场地总拼成节段，通过运梁车移运至提梁位置，提梁设备将其提升至拼装平台，与钢导梁连接后完成钢梁拼接，然后每侧利用步履式千斤顶向中塔方向顶推，导梁上墩，钢梁后续拼接安装，依次循环完成全桥合龙。

3 顶推方案计算分析

3.1 顶推关键计算工况

根据顶推方案，建立有限元模型进行计算分析。由于顶推工况较多以及结构的对称性，根据顶推过程中临时墩、钢箱梁和导梁的受力特点，选择导梁上墩前后作为关键计算工况进行分析，顶推过程中关键计算工况如表3 所示。

表3 顶推关键计算工况Table 3 Key calculation conditions for pushing operations

3.2 临时墩受力分析

顶推过程中，通过提取各关键计算工况下各临时墩的支反力，得出各临时墩的支反力变化如图7 所示。

图7 顶推过程中各临时墩支反力变化Fig.7 Changes of reaction forces of temporary piers during pushing

由图7 可知，顶推过程中，钢箱梁上墩后，各临时墩支反力随着顶推的进行几乎是平稳变化的。各临时墩最大支反力均在12 587.3～26 619.5 kN。各临时墩最大支反力中，LD5 临时墩的最大支反力最大，为26 619.5 kN，LD1 临时墩的最大支反力最小，为12 587.3 kN。

通过上述分析得到的各临时墩在顶推时的最大支反力，在模型中对应加载，得出在最大支反力作用下，各临时墩最大应力和最大竖向位移如图8 所示。

图8 最大支反力作用下各临时墩最大应力和竖向位移Fig.8 Maximum stress and vertical displacement of temporary piers under maximum reaction force

由图8 可知，在各临时墩最大支反力作用下，LD5 临时墩的拉压应力最大，分别为124.3 MPa和-185.9 MPa，满足其结构强度要求。各临时墩竖向位移在-9.6～-23.8 mm，其中LD5 临时墩的竖向位移最大，为-23.8 mm。综上，临时墩在顶推过程中，结构的强度和刚度均满足要求。

3.3 钢箱梁受力分析

钢箱梁在顶推过程中，结构反复承受正负弯矩，提取各关键工况下钢箱梁的最大拉压应力，得出顶推时钢箱梁的最大应力变化如图9 所示。

由图9 可得，钢箱梁在顶推时最大拉压应力均平稳变化，钢箱梁的最大压应力为-12.1 MPa，出现在工况22（导梁上临时墩LD12 前），最大拉应力为15.7 MPa，出现在工况26（UHPC 桥面板施工）。顶推过程中钢箱梁的结构强度满足要求。

图9 顶推过程中钢箱梁应力变化Fig.9 Stress variation of steel box girder during pushing

3.4 顶推过程中导梁受力分析

导梁上墩前因处于悬臂状态主要承受负弯矩，上墩后以承受正弯矩为主，在各关键计算工况下，导梁最大应力和导梁前端位移变化如图10 所示。

由图10 可知，顶推过程中，导梁最大拉应力为72.6 MPa，出现在工况23（导梁上临时墩LD12 后），最大压应力为-105.6 MPa，出现在工况13（导梁上临时墩LD7 后），均满足结构强度要求。导梁前端最大竖向位移出现在工况12（导梁上临时墩LD7 前），为-117.8 mm。

图10 顶推过程中导梁应力及前端竖向位移变化Fig.10 Changes of stress and vertical displacement of guide beams in pushing process

3.5 最不利工况下钢箱梁局部受力分析

超宽钢箱梁支承在临时墩的反力座上，其局部受力严重，为了研究其在顶推时结构局部受力是否处于安全状态，选取钢箱梁在临时墩最大支反力作用下作为其局部受力的最不利工况。采用有限元分析软件建立3 个标准节段总长27 m 钢箱梁板单元计算模型，在端部施加相应的边界条件，在对应反力座的位置上施加向上的均布荷载，得出最大支反力作用下，钢箱梁的应力分布和竖向位移云图如图11 所示。

图11 最大支反力作用下钢箱梁应力云图和竖向位移云图Fig.11 Cloud chart of stress and vertical displacement of steel box girder under maximum support reaction

由图11 可得，在最大支反力作用下，钢箱梁的应力主要集中在与反力座接触的区域，钢箱梁局部最大Mises 应力为208.4 MPa，满足结构强度要求。钢箱梁最大竖向变形为5.4 mm，发生在反力座支承位置处。综上，在最大支反力作用下，钢箱梁的局部受力和变形均满足要求。