曲线钢箱梁顶推施工临时设施力学特征分析

邱绪山

（中铁十五局集团有限公司，上海 200070）

1 工程简介

在某高速公路互通匝道桥的设计中，钢箱梁的跨径布置为40m+65m+40m，总长度为145m，平面位于半径为280m 的圆曲线上，线路呈现圆弧形状。该桥采用Q345qc 钢材，主要用于跨越在役长张高速。桥梁的主体结构为全焊接单箱双室横断面的钢箱形连续梁，其跨越互通匝道花圃，保留足够的安全空间。

钢箱梁的主要参数包括梁高2.5m，底板宽度7.83m，桥面宽12.75m，桥面设有6%的横坡。腹板采用标准型设计，厚度为16mm，顶板和底板的厚度分别为16mm 和16-20mm。悬臂部分的设计考虑了悬臂长为2.5m，悬臂端部高度为350mm，悬臂根部高度为650mm 的特殊要求。

主梁标准段的设计包括每隔3m 设置一道12mm 的横隔板，每两道横隔板之间1.5m 位置设一道12mm 的框架式隔板。在边支点和中支点的位置设置20mm 加厚隔板，并设置24mm 支座支撑加劲肋。横隔板的设置垂直于线路设计线，为桥梁结构提供了有效的支撑和分隔。

2 顶推施工中的临时设施

鉴于施工工期的紧迫性，结合所涉长张高速公路的车流量和行车安全的综合考虑，通过方案对比研究，我们决策采用整体顶推的安装方案来完成某高速公路互通匝道钢箱梁的安装。在此方案中，计划在34#墩侧设置1 个临时钢管支架，以充当钢箱梁拼装区的临时支撑。在31#-34#墩之间设置5 个临时钢管支架，作为整体顶推操作的临时支撑墩，在这些临时支架上将设置五组顶推装置，并通过通长滑梁的布置来支撑整个顶推操作的进行。值得注意的是，钢箱梁的前端将配置导梁，而导梁的制作将呈凸台状。这一设计方案在满足紧张工期要求的同时，充分考虑了行车安全及施工操作的可行性。

图1 临时支墩立面布置图

2.1 临时墩支架的施工

①临时墩支架地基处理：在对临时墩地基进行处理时，我们迫切关注防范顶推过程中可能出现的地基不均匀或沉降过大的风险，以避免支架、吊车等设备的潜在坍塌危险。在这一背景下，确保地基承载力能够满足设计标准显得尤为关键。为此，我们精心设计了支架基础，采用了0.6m 厚的条形基础，并选择了C30 混凝土进行浇筑，同时在其内部预先嵌入了用于支架连接的钢板。这些支架位置紧邻所涉长张高速公路主线中间隔离带。

考虑到中间隔离带下存在管线，并伴随地基承载力不足的问题，我们决定将条形基础设置在所涉长张高速公路路基上，以确保结构的稳固性。为了进一步增强支架的稳定安全，我们在条形基础的外围布置了混凝土隔离墩，这些墩不仅能够提供额外的支持，还通过表面覆盖高反光膜来增加夜间的可见性。这样的设计综合考虑了多方面因素，为工程的安全和稳定性提供了坚实的基础。

②临时墩支架搭设：在完成临时墩基础的准备后，采用吊车将焊接成型的管柱吊装至预定的设计位置，随后进行焊接剪刀撑的操作，以确保整个桥架体结构能够牢固稳定。全桥的临时墩支架整体上包括了51 根钢管排架，其中沿桥纵向设置了15 排，而在桥横向则有两种设置方式，分别是3 排和4 排。所选用的材料为ϕ630×14 螺旋钢管，而在排架的柱顶部进行焊接时，使用了双拼HN692*300 型钢作为横梁，其长度为12m。

为确保工程质量和安全性，需进行全桥临时墩支架的验收。验收过程中，应特别关注焊接工艺的规范性和连接部位的牢固性，确保焊接成型管柱和剪刀撑的连接牢固可靠。另外，对于使用的钢管排架和横梁材料，要检查其规格和质量是否符合设计要求。验证整个结构的固定性和稳定性，以确保临时支架在后续的施工过程中能够可靠地支撑整个桥体。验收工作应当由合格的工程验收人员进行，确保符合相关的建筑标准和规范。

③隔离带临时墩支架处的交通组织设计：在进行隔离带处临时墩支架的地基基础及上部支架的施工时，必须实施所涉长张高速中间隔离带处双向各封闭一个车道的交通管理措施。这一封闭措施的原因在于，施工期间需要在所涉长张高速隔离带处进行设备和人员的作业，而临时墩支架基础被设置在高速路面上。出于对钢箱梁顶推施工期间施工人员安全、满足长张高速管理机构日常巡检工作安全以及保障长张高速交通通行安全的关切，交通流量分流将在所涉隔离带处实施。

为实现所涉长张高速中间隔离带处双向各封闭一个车道，将在路网远端进行交通流量的分流，并在近端设置三级预告及警示。这样的交通管理措施旨在最大程度地降低施工区域的交通干扰，确保施工过程中施工人员的安全，并保障长张高速交通的正常通行。在实施交通封闭的过程中，将特别注重预警信号的合理设置以及信息的充分传达，以提高驾驶员的警觉性，进而确保施工区域和交叉路口的交通流畅和安全。

2.2 临时支架的施工

①临时支架搭设：临时支架基础可以利用某匝道桥的桩基或墩柱扩大基础，以提高其稳定性和承载能力。支架的立杆选用螺旋管，规格为Ф630×14，横向间距可选择3600mm、2500mm 或1500mm，其中同一列的间距保持一致，而纵向间距统一为4500mm。在钢管柱之间设置横梁，其规格为Ф219×8，横向间距为2500mm。柱间通过斜撑进行连接，斜撑采用Ф219×8 的钢管，而立柱顶部的横梁则采用双拼H 型钢，规格为HN692×300。为提高结构的整体稳定性，支架的顶部配置有沙箱。

这一支架结构的设计旨在充分利用螺旋管的承载性能，通过横纵向的合理间距布置，确保了支架的稳定性和可靠性。同时，通过斜撑的设置和双拼H 型钢的运用，进一步提高了结构的整体刚性。此外，配置沙箱在支架顶部，有助于对支架的额外加固和稳定。这样的设计方案在实际工程中可行性强，为临时支架的施工提供了可靠的技术支持。

②安全防护设置：在进行临时支架的搭设之前，必须对施工部件周围进行安全防护设计。这一安全防护措施中，特别需要进行对安全防护棚的安全验算，以确保其在使用过程中具备足够的自身安全稳定性，同时在碰撞后也能维持系统的整体稳定性。安全防护棚的主要功能在于有效防范高空坠物和坠落物，以确保在整个施工过程中能够维护高水平的安全性。

这一设计要求的核心目标是为了提高施工现场的安全性，减少潜在的伤害和事故风险。安全防护棚的安全验算是保障其可靠性和稳定性的重要步骤，通过确保防护棚的结构在各种工作情况下都能够承受外部力量的作用，从而保护施工人员免受高空坠物和其他危险因素的威胁。这种全面而谨慎的设计理念为施工现场提供了有效的保障，有助于确保整个工程过程的安全进行。

③拼装区临时支架搭设：在钢箱梁的拼装区域，应当设立一个专门的临时支架，其位置位于33#墩和34#墩之间，距离34#墩的位置为10m 处。该支架的结构形式与临时墩支架相似，包括设置6 根钢管排架，其中顺桥向设置2 排，横桥向设置3 排。所采用的材料为ϕ630×14 螺旋钢管，而在柱顶进行焊接时，选择双拼HN692*300 型钢作为横梁，其长度达到了14m。在这一设施的基础上，可充分利用33#-34#墩进行钢箱梁的拼装和焊接工作。

为了确保焊接过程中的人身安全，有必要在临时支架的顶部搭设一个平台。该焊接平台的设计包括采用10#槽钢，其宽度为3.1m。为提高平台使用者的安全水平，平台的护栏高度被设定为1.2m，并在其周围设置了挂有防护网的围栏。这一结构设计不仅能够提供足够的工作空间和平台稳定性，同时也为操作人员提供了有效的防护措施，确保施工过程中的安全性和高效性。

④临时支架拆除：经过钢箱梁的全面验收后，拆除临时支架的任务即刻展开。拆除工作应当严格按照设计要求和施工方案进行，确保拆除过程的有序进行。在拆除支架的过程中，必须特别注意施工部件的顺序，以防止任何不必要的安全风险。

在进行拆除工作时，应当严格按照设计要求和相关施工方案的步骤进行，确保拆除的有效性和安全性。拆除过程中，需特别关注支架各个部件的连接情况，逐步解除焊接点和支撑点。为保障整个拆除过程的顺利进行，必须确保所有参与拆除工作的人员都具备相应的操作技能和安全防护意识。

2.3 钢箱梁顶推导梁方案

导梁的设计尺寸为长28m，宽7.75m，结构由两片工字型梁构成，每片梁均由四个节段组成，并通过中间的横联进行连接。每个工字梁的截面形状为工字型，其最大截面宽度为2.4m，最小截面宽度为1.2m。这些截面由20mm、16mm 和14mm 厚的钢板通过焊接工艺构成。中间的横联部分采用ϕ219×6 的钢管进行焊接。

导梁的施工方案需要特别注意工字梁的截面尺寸和焊接工艺的合理性。在焊接过程中，必须确保每个节段的连接牢固且符合设计要求。另外，导梁的整体尺寸和结构稳定性对于钢箱梁顶推过程至关重要。在施工过程中，应当加强对导梁结构的质量监控，特别是焊接工艺的质量控制，以确保导梁的整体性和稳定性。同时，在导梁安装的过程中，需要精准测量和准确调整导梁的位置，以满足设计要求和确保钢箱梁顶推过程的顺利进行。

3 钢箱梁顶推临时支墩受力计算

根据工程工况计算，针对单组顶推支架，在考虑摩擦效应的情况下，最大反力估算为1412.8kN，其中摩擦系数取0.07。该支架主体结构由4 根直径为630×14 的钢管组成，长度约为13m。连接部分采用直径为219×8 的钢管，并在支架的顶部设置了双拼N650×300×11×17 型号的横梁。

为了进一步深入研究钢箱梁顶推支架的性能，我们采用了MADIS/Civil2019 软件进行了建模和计算。该软件能够提供详尽的结构分析，通过数值模拟的方式，对支架在工程工况下的力学行为进行全面而准确的评估。这一计算过程有助于优化支架的设计和性能，确保其在实际施工中能够承受最大反力，同时考虑到摩擦效应，为工程提供可靠的技术支持。

钢箱梁顶推支架进行建模计算，如图2 所示。

图2 支架模型图

顶推钢管柱受力结算结果如图3 所示。

图3 支架应力图

屈曲一阶模态如图4 所示。

图4 屈曲一阶模态图

Q235 钢材的抗弯强度设计值为215MPa。经过详细的计算和分析，得知顶推支架在实际工况下的最大应力为127.4MPa，表明其抗弯性能满足设计要求。同时，通过对支架结构进行一阶屈曲模态的计算，其临界值为137MPa，远远高于实际应力值。这一计算结果表明，顶推支架在抗弯强度和整体稳定性方面均满足设计要求。这一结论对于支架设计和工程实施提供了有力的技术支持，保障了施工过程中支架的稳定性和安全性。

4 结论

在曲线钢箱梁顶推施工过程中，临时设施的受力状况直接影响整个系统结构的安全性和稳定性。为保障工程施工的可靠进行，必须通过优化顶推临时设施的设计及施工方案，采用有限元Civil 软件进行数值仿真分析，以确保支架的强度和整体稳定性能够满足设计要求。

在这一优化过程中，特别需要关注顶推临时设施的设计，包括支架的结构、材料选用以及连接方式等方面。通过合理设计和施工方案的优化，旨在提高支架的整体性能，确保其在受到外部荷载作用时能够保持结构的安全性和稳定性。有限元Civil 软件的数值仿真分析将为优化设计提供有效的工具，通过对支架的强度和整体稳定性进行详尽的数值模拟，为实际施工提供科学的依据。