跨既有繁忙电气化铁路预应力混凝土连续箱梁单点顶推技术研究

张威振

(湖南中大设计院有限公司，长沙　410075)



跨既有繁忙电气化铁路预应力混凝土连续箱梁单点顶推技术研究

张威振

(湖南中大设计院有限公司，长沙410075)

摘要：由于本公路桥具有大悬臂、截面不对称、顶推就位后浇筑横向连接段、导梁与腹板连接受力复杂、纠偏难度大等特点，为使预应力混凝土连续箱梁能顺利跨越既有电气化铁路，在常规顶推施工经验的基础上对顶推方案进行改进与创新，采用大吨位单点顶推施工工艺，并提出一套“顶拉结合”的新型纠偏方式。实践证明，该顶推工艺操作简单、适用性强。通过对该技术的总结与研究，为类似跨线桥(跨铁路、公路等)工程提供借鉴和示范。

关键词：公路桥；箱形梁；连续梁；单点顶推；纠偏

箱梁顶推技术是一项在我国使用广泛、工艺成熟的桥梁施工技术，最早是1980年在湖南望城沩水河桥上使用，其特点是：设备简单、施工平稳、噪声低、施工质量好，可在深谷和宽深河道上的桥梁、高架桥以及等曲率曲线桥、带有曲线的桥和坡桥上采用。顶推施工的方法可分为单点顶推和多点顶推，本工程采用大吨位单点顶推技术跨电气化铁路。本文通过对该桥设计特点的总结为今后类似工程的设计提供借鉴与参考[1-3]。

1工程概况

本桥系长沙市湘府路湘江大道工程上跨京广铁路而设，道路与京广铁路交叉角为89.4°，按正交设计。跨铁路联上部结构采用(40+50+40) m预应力混凝土顶推连续箱梁，下部结构采用实体板式桥墩。

2主要技术标准

2.1道路

荷载等级：公路-Ⅰ级；人群荷载：3.5 kN/m2。

桥面宽度：桥宽38.52～37 m，人行道利用箱梁底板悬挑的悬臂板形成。

桥下净空：外侧每股道铁路中心线至桥墩构造物边缘的最小净距大于12.0 m，桥下净高不小于8.2 m。

2.2京广铁路

铁路等级：Ⅰ级。

荷载标准：中-活载。

牵引种类：电力机车牵引。

3结构体系简介

3.1上部结构

跨铁路联上部结构采用预应力混凝土等高度箱梁，按整幅布置。箱梁采用双箱单室斜腹板截面，腹板斜率与主桥相同，箱梁顶宽3 852～3 700 cm(其中在与匝道相接处两侧各留60 cm后浇带)，梁高380 cm；箱梁顶面外、内侧悬臂板长分别为515、400 cm，外内侧端部厚30、40 cm，根部厚65 cm，箱梁底面悬臂板长397 cm，端部厚18 cm，根部厚40 cm；箱梁顶、底板厚均为30 cm，腹板厚85 cm；在箱梁的支点处均设置了横梁，边支点横梁厚1.5 m，中支点横梁厚2.0 m。

桥梁上部结构按双向A类预应力混凝土构件设计。

3.2下部结构

E3、E4号墩采用花瓶式实体板墩，路线左右各设1个。墩身底宽7.1 m，顶宽8.4 m，在距离墩顶3 m位置采用圆弧渐变至墩顶，壁厚2.5 m。墩身采用C40混凝土。基础采用6根φ1.5 m钻孔灌注桩，按嵌岩桩设计，纵桥向布置2排，横桥向布置3排。桩间距为4.0 m。标准断面组成如图1所示。

图1　标准横断面 (单位:cm)

3.3临时墩

本桥共设置11排临时墩，每排临时墩有4个墩柱，共计44个临时墩墩柱，墩身尺寸为1.5 m×2.0 m，横向间距7.04 m，承台厚度为2.0 m。临时墩桩基础共计167根，其中155根φ1.0 m钻孔桩，由于9号临时墩桩基离既有京广线较近，离最近的线路中心线只有7.24 m，为保证既有线安全，该墩桩基采用12根φ1.5 m人工挖孔桩。桩基长16～25.2 m，按嵌岩桩设计。

3.4钢导梁

本工程钢导梁采用钢板梁与钢桁架相结合的结构形式。钢导梁总长34 m，分为4个节段，长度分别为1.1、8、13、11.9 m。每幅箱梁的钢导梁分左右两片，根部高度为2 982 mm，端部高度为548 mm，顶底板钢板厚度为30 mm，腹板钢板厚度为24 mm。两片钢导梁之间采用φ219 mm×8 mm横撑及φ114 mm×8 mm斜撑进行横向连接。

钢导梁各段之间采用螺栓及焊接连接，上翼缘、下翼缘及腹板采用拼接板并用高强螺栓连接，各段之间留有2 mm的间隙，并且对下翼缘下表面打磨光滑，确保顶推施工时下翼缘下表面通长光滑平整。

4设计主要控制因素

(1)京广铁路净空的限制。桥梁的纵断面线形设计必须满足梁底与轨顶间距大于8.2 m的净空要求。

(2)施工场地狭小，受既有京广线影响较大。本桥桥址位于京广线黑石铺车站(K1580+148)的北侧。夹在黑石铺车站派出所与豹子岭污水泵站之间，桥梁横跨铁路5股道，由于京广线为电气化铁路，铁路上方有27.5 kV的接触网线路和回流线路，沿铁路两侧接触网钢支柱较多，为顶推过程中临时墩设置造成了非常大的影响。

(3)跨铁路联箱梁断面受到毗邻联横断面的形式的限制。由于相邻的E2联人行道布置于箱梁悬臂板下，利用箱梁底板悬挑形成人行道，实行人车分离的方式以节约桥梁结构空间，结合行人由E2联跨越京广铁路后下行至书院路的需要，本联的横断面亦须做成人车分离的形式。

(4)顶推长度长、重力重。顶推梁长达70 m，左、右幅重力达到80 000 kN，施工中必须两幅同时顶推，该施工工艺在广州铁路集团范围内尚属首次，因为预制顶推梁的重力和长度极为罕见。

(5)桥址范围内既有管线众多，建设条件十分复杂。在桥址范围内雨水箱涵、污水管及铁路相关的铁路通信、信号光缆等管线密度，桥梁设计要充分结合管线的布置情况避让。

受上述条件的制约，本桥在方案设计阶段从安全性、施工方便性、对铁路运营的干扰性最小的角度出发，研究切实可行的技术方案保证铁路运营安全，同时考虑为铁路的发展预留条件，对转体与顶推两种施工方案进行了比选与分析。并根据桥位附近的地形、交通规划、地质、地貌等自然条件，施工难易程度及建设单位意见，充分考虑交通规划、特别是施工期间对京广铁路的运输干扰等因素，本着“安全、适用、经济、美观、有利于环保，以及地方和铁路共同协调发展”的原则，最终确定采用顶推法施工方案，采用(40+50+40) m等截面连续箱梁的孔跨布置方式，主跨连续箱梁采用顶推法施工。该桥50 m主梁一孔跨越京广铁路，桥墩边缘距铁路中心线的水平距离不小于12.0 m。顶推场地设置在新联路侧[4-6]。

5设计主要特点

顶推施工桥梁设计要充分考虑施工过程中边界条件的变化对于结构的影响，由于梁体在施工过程中受到的弯矩正负交替变化使得结构受力复杂，其预应力钢束的布置方式与常规的桥梁有很大的不同[7-9]。顶推过程中混凝土箱梁及钢导梁应力如表1所示。

表1　顶推过程中混凝土箱梁及钢导梁应力　MPa

注：正值为拉应力，负值为压应力。

钢导梁前端最大位移为36 mm，混凝土箱梁前端最大位移为6 mm。

上述结果表明顶推过程中的应力及位移指标均满足现行规范的要求。

由于本桥的地理位置及结构的特殊性，与常规的顶推桥梁设计相比本桥具有如下创新点。

5.1一次性浇筑70 m箱梁，整体顶推

由于京广铁路为国家的运输大动脉，设计应使桥梁的施工对铁路运输的影响降到最低，利用最少的天窗点将桥梁顶推就位，因此不能采用常规顶推箱梁边浇筑边顶推的施工方案。本桥采用的方案为先在主桥位东侧E4～E8墩间搭设箱梁预制顶推平台，预制上部70 m主梁段，箱梁浇筑完毕后顶推就位。再在70 m主梁段两端搭设支架，然后现浇施工两端30 m边跨箱梁。采用上述方案大大节省了顶推时间。具体施工工序见图2。

图2　顶推施工步骤示意(单位：m)

5.2桥面宽度大，顶推重力大，顶推施工难度大

本桥桥面宽度达37 m，如采用整幅箱梁浇筑顶推的方式，其重力大、顶推难度高、安全系数低，因此采用分幅支架浇筑然后顶推的方式，但是由于半幅箱梁截面严重的不对称(外侧底板设置了人行道挑臂)，在施工及成桥运营的过程中，内外侧腹板受力差别较大，箱梁扭转效应显著，通过采用空间实体有限元分析的方式得到了箱梁的内力分布情况，经过多种支座布置方式的优选比较，最终确定了支座的布置间距与方式，减少了不对称截面对受力的不利影响。箱梁标准横断面见图3。

5.3箱梁与钢导梁之间的联接设置体外预应力索

由于70 m箱梁采用一次浇筑完成后顶推，钢导梁与箱梁的连接与常规的边浇筑边顶推施工工艺不同，常规顶推导梁一般与端横梁通过精轧螺纹钢连接，应力集中分布现象不明显，只要螺栓连接强度达到要求，安全性完全可以得到保证。该桥由于顶推完成后还需要对边跨剩余部分进行浇筑，导梁只能与局部加厚的腹板通过螺纹钢进行连接，其接触面小、螺栓布置间距的要求等因素的限制使得应力集中相对明显，为增大顶推施工期间的安全储备，通过在钢导梁与箱梁腹板间布置体外预应力索的方式保证在最不利状态下的箱梁截面基本处于全断面受压状态。具体连接构造及设置体外预应力前后的梁端部局部应力分布分别见图4～图6。

图3　箱梁标准横断面(单位:cm)

图4　体外预应力连接构造

图7　跨铁路后浇段处理示意(单位:cm)

图5　未设临时体外预应力时端部主拉应力分布

图6　设置临时体外预应力后端部主拉应力分布

分析结果表明， 未设体外预应力前端部连接部位主拉应力大于2.74 MPa的区域分布在距离梁端3.6 m左右的范围内，高度方向为距离梁底1.5 m左右。设置体外预应力后则主拉应力较大的范围可大大减小，混凝土主梁端部连接部位主拉应力大于2.74 MPa的区域分布在距离梁端1.0 m左右的范围内，整体应力储备水平加大。

实践证明该连接方式安全可靠，可作为以后类似工程的借鉴。

5.4两幅箱梁顶推就位后后浇段的处理

由于左右两幅箱梁同时顶推，就位后跨铁路孔范围内中间后浇段的处理是本工程的一个技术难点，既要保证桥下铁路的运营安全，又要保证成桥后的箱梁结构安全，且便于施工。为此开展了多方案比选，最终采用顶推箱梁悬臂端部设置小牛腿搁置6 cm厚的预制板，然后浇筑上部混凝土的方案。6 cm厚的预制板由于预留钢筋即可与上部混凝土共同参与受力，又可作为现浇混凝土的底模，防止了施工期间异物坠落的发生。后浇段处理方式见图7。

5.5采用大吨位千斤顶单点顶推

由于施工场地狭小，且临近黑石铺车站，电气化设备密布，为不影响既有京广铁路营运，因此只能在E4桥墩(永久墩)设置反力点，作为顶推千斤顶的安装位置，无法采用多点顶推施工工艺。桥墩的设计除了要满足运营期间的受力需要外，更要确保大吨位单点顶推施工期间的绝对安全。

5.6顶推纠偏控制技术

箱梁顶推过程中，由于各种施工误差，箱梁在每个滑道上所受摩擦力不会完全一致，又由于箱梁截面的不对称，在顶推过程中必然会有轴线的偏移。为了保证箱梁能够准确就位，在顶推过程中必须进行纠偏控制，本项目主要采取如下两种纠偏措施来控制箱梁偏位[10-11]。

5.6.1限位纠偏支架

由滚轮、滚轮支撑架以及纠偏架主体组合而成，滚轮由直径12 cm的圆钢车制，然后通过滑动轴承与滚轮支撑架相连接，滚轮架由4 cm厚钢板、2 cm厚钢板以及工字钢焊接而成，纠偏架主体由工字钢与槽钢焊接而成，如图8、图9所示。

图8　纠偏架示意

图9　现场施工的纠偏架

由于箱梁下缘设置有人行道悬臂，且尺寸较长达到4 m左右，上述的限位装置在无底板挑臂的情况下适用性较好，但该桥由于限位系统长度大、刚度小，在实际使用时发现效果较差，难以达到限位的效果。

5.6.2“顶拉结合”的新型纠偏方式

针对上述限位纠偏系统的缺陷，经过对限位方式的分析研究，提出了一套“顶拉结合”的新型纠偏方式。由于本项目70 m箱梁顶推施工是左右幅同时顶推，每幅箱梁的顶推进度不一样，偏位情况也不一样，因此在箱梁顶推过程中，将两幅箱梁互为反力点，相互为另一幅箱梁的纠偏千斤顶提供反力。又由于顶推施工横跨京广铁路，每天的顶推只能在铁路封锁点内进行，因此可以在顶推间隙对箱梁进行纠偏处理。

以在顶推施工过程中进行的一次纠偏处理为例说明整个纠偏过程。

首先将左右幅箱梁(面对大里程方向)根据南北方向分为南幅箱梁与北幅箱梁，以防止用左右来区分箱梁时发生混淆。

根据现场测量情况，分别测得两幅箱梁的前端与尾端的偏位情况，根据偏位情况与现场状况，决定先对北幅箱梁进行纠偏处理完成后，再对南幅箱梁进行纠偏。总体施工顺序如下。

在南幅箱梁尾端拉锚器与临时墩间小型千斤顶，对南幅梁的尾端进行限位。如图10所示。

图10　南幅箱梁限位示意

在南幅梁前端利用临时墩靠广州侧的反力支架上焊接钢板，填塞楔形木块，对南幅梁前端进行限位，见图11。

图11　利用小型千斤顶对箱梁进行限位

梁尾端通风孔安放4束钢绞线，搭设脚手架，安放穿心式千斤顶，拉力控制在600 kN左右，如图12所示。

图12　通风孔中对拉钢绞线便于横向大吨位纠偏

梁前端利用千斤顶安放在两梁的翼缘板上，对北幅梁施加横向顶力，见图13。

图13　两幅箱梁翼缘板之间的小型千斤顶

梁前后端同步施力，由于此时南幅箱梁被限位，无法横向移动，这样就将南幅箱梁作为一个反力点对北幅箱梁施加横向水平力，从而实现北幅箱梁的纠偏，见图14。

图14　纠偏过程现场示意

纠偏过程中要严格进行箱梁前后端轴线偏位的监测，并随时将纠偏数据上报指挥台。

纠偏过程中，根据千斤顶位置布置的不同，将横向水平力分为如下4种情况：

箱梁前端被施加推力，箱梁后端被施加拉力，北幅箱梁绕重心顺时针转动；

箱梁前端被施加拉力，箱梁后端被施加推力，北幅箱梁绕重心逆时针转动；

箱梁前端被施加推力，箱梁后端被施加推力，北幅箱整体向北移动；

箱梁前端被施加拉力，箱梁后端被施加拉力，北幅箱整体向南移动。

因此将上述4种受力情况自由组合，不论北幅箱梁的偏位情况如何，都能对北幅箱梁进行纠偏处理。

北幅箱梁处理完成后，同样将南幅箱梁的限位措施拆除，对北幅箱梁进行限位，然后利用同样的原理对南幅箱梁进行纠偏。纠偏完成后，拆除南北两幅箱梁的限位措施与纠偏千斤顶，为下次顶推施工做好准备。

6结论

该桥梁采用顶推施工方案，由于施工方案及施工组织设计合理，施工期间京广铁路运输畅通，无一例安全事故发生，社会效益和经济效益明显，产生的直接经济效益达298.72万元。

实践证明，长沙市湘府路湘江大桥工程跨京广铁路联工程设计中采用顶推施工的工法跨越繁忙既有电气化铁路，工程安全、经济、适用、美观，使城市桥梁与既有铁路友好和睦相处，为类似跨线桥(跨铁路、公路等)工程设计提供了很好的借鉴和示范[12-13]。

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Research on Single-point Incremental Launching Technology of Prestressed Concrete Continuous Box Girder over Existing Busy Electrified Railway

ZHANG Wei-zhen

(Hu’nan Zhongda Design Institute Co.， Ltd.， Changsha 410075， China)

Abstract：This highway bridge is characterized by large cantilever， unsymmetrical section， the later casting of transverse connection segment after the beam is pushed in place， the completed stress distribution in joint regions between the launching nose and the web， and the difficulties in rectification， and improvement and innovation of the incremental launching scheme are conducted on the basis of the experiences of the conventional incremental launching construction using large-tonnage single-point incremental launching method to allow the prestressed concrete continuous box girder smoothly across the existing electrified railway. A new method for rectification through pushing and pulling is initiated and proves to be simple and applicable. The research and summary of the process may provide reference and demonstration for other similar flyovers (crossing over railway or highway)．

Key words：Highway bridge; Box girder; Continuous girder; Single-point incremental launching; Rectification

中图分类号：U445.462

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.04.012

文章编号：1004-2954(2016)04-0047-06

作者简介：张威振(1979—)，男，高级工程师，2004年毕业于中南大学防灾减灾工程及防护工程专业，工学硕士，E-mail：linquanzhang@yeah.net。

收稿日期：2015-08-31； 修回日期：2015-09-07