城市高架曲线钢箱梁顶推施工临时支架结构设计

王 松 喻致蓉 张红杰

(平顶山平煤机煤矿机械装备有限公司 平顶山 467000)

0 引言

由于城区人口较为密集且交通路况复杂，桥梁建设环境约束限制较多，城市高架桥的施工必须确保吊装顶推期间周围主干道的通行安全。钢箱梁顶推法施工能够有效的避免上述问题且施工速度快，近年来发展迅速[1]。对于钢箱梁顶推施工，已经有较多的学者对于顶推系统设计原理、顶推设备同步控制、平衡度控制、纠偏控制、累计误差控制等方面进行研究[2-8]，形成了成熟的顶推工艺，但对顶推施工过程中使用的临时支架结构设计方面的研究关注较少。由于顶推施工过程中工况多、结构体系转换复杂，施工荷载也是一个动态变化过程，临时支架结构是否安全合理直接关系整个顶推施工的成败，因此，有必要对临时支架结构安全性进行探讨。

1 工程概况

郑州市农业路快速通道工程为东西向城市快速通道,全线西起雄鹰东路，东至金源东街，总长约13.5km。本工程范围为农业路快速通道工程NYLDJSG-2标段主线高架桥第2联钢箱梁，跨越既有京沙立交桥，钢箱梁全桥全长166m，总重约2600t。钢箱梁节段效果图如图1所示。

图1 农业路钢箱梁节段效果图

2 钢箱梁分段设计方案

由于钢箱梁全桥整体吨位较大，受到制造、道路运输、起重条件的限制，为了满足钢箱梁梁段的工厂化制造、汽车运输、工地现场吊装、顶推施工等各环节的要求，钢箱梁在制造中必须进行纵向、横向的节段划分形成杆件单元，以达到顺利制造、顺利运输、顺利架设的目的[3]。综合考虑以上因素，全桥钢箱梁沿桥纵向分为13个梁段，横向分为7个梁段，即5个箱室+2个挑臂，合计91个钢箱梁杆件，单节杆件最大重量50t。分段方案如图2所示。

a.纵向分段图

b.横向分段图

3 钢箱梁顶推架设方案

3.1 架设总体施工方案

为了减少上部钢箱梁施工对桥下既有道路交通的影响，确保吊装顶推期间通行安全，参照类似工程并结合农业路快速通道工程现场实际场地情况，郑州市农业路钢箱梁采用步履式多点同步顶推施工[4]。

钢箱梁节段箱体杆件运输至现场后，利用60t龙门吊将钢箱梁节段杆件吊装至顶推及拼装平台上进行现场总拼，将钢箱梁整体节段的平面坐标和高程调整到施工道路线形后进行焊接。

由于施工场地受限，本桥由K6#墩侧向K2#墩侧进行顶推，待钢箱梁全部顶推到位后采用液压油缸落梁的方法将钢箱梁整体调整至设计标高，达到设计要求后进行支座安装，完成钢箱梁顶推施工。钢箱梁顶推架设总体施工如图3所示。

图3 农业路钢箱梁顶推架设总体施工图

3.2 钢箱梁施工难点、重点

(1)考虑到现场施工场地限制，K3-K4-K5跨间为既有的京沙立交桥，跨间临时支墩设置难以实现。因此跨间不设临时支墩。同时由于钢箱梁跨越既有线路，对于施工进度和施工安全性要求极高。

(2)本桥属于高墩施工且顶推重量大，钢箱梁距地面高度约30m，本桥需要更大的顶推力和更强的临时支架。

(3)钢箱梁段纵桥向为大坡度，最大高差约2.4m。在顶推过程中，支架抄垫处在顶推过程中需要不断进行调整，顶推施工难度较大。

3.3 钢箱梁施工步骤

步骤一：在K4#墩与K6#墩范围内拼装60t龙门吊机、布置45m钢箱梁拼装支架、调节钢箱梁线形标高。施工步履式顶推临时支墩，其上布置步履式顶推设备。

步骤二：在拼装支架上拼装导梁；随后拼装第一节段钢箱梁，并将导梁及钢箱梁焊接。

步骤三：待第一节拼装完毕检验合格后，进行顶推施工，将整体向前顶推一个节段。然后拼装第二个节段钢箱梁；待钢箱梁焊接检验合格后，进行顶推施工。为了防止顶推过程中倾覆，在向前顶推一个节间时第一段钢箱梁及导梁需要三套步履装置支撑。

步骤四：重复步骤三继续向前顶推一个节间，在拼装平台上拼装第三个节段钢箱梁；待钢箱梁焊接检验合格后，进行顶推施工。

步骤五：重复步骤四操作，向前顶推两个节间在拼装平台上拼装后续两个阶段；进行顶推施工，将导梁顶推至K3#墩；在顶推过程中对钢箱梁进行纠偏。

步骤六：重复上述步骤，拼装后续钢箱梁，进行顶推施工，至导梁K1#墩。

步骤七：继续向前顶推钢箱梁，当导梁第一节段伸出K2#墩后拆除第一节段导梁；在拼装拼装支架上接续拼装钢箱梁。

步骤八：待钢箱梁顶推到位后，拆除导梁，进行落梁施工，使钢箱梁线形满足设计要求。拆除拼装平台、顶推机构和支架。

3.4 钢箱梁顶推整体受力计算

由于顶推的方法的特殊性，钢箱梁顶推施工过程中存在多种施工工况，为保证施工安全，必须对钢箱梁顶推整体受力计算。计算结果统计如表1所示。

表1 郑州市农业路快速通道桥支墩双边受力统计表(单位：t)

以上所有工况应力最大值如图4所示。

a：顶推导梁各工况下最大应力图(单位：MPa)

综上所述：经计算分析在顶推过程中：

导梁(Q345B)上最大应力σ=116.7MPa<[σ]=199MPa

钢箱梁上最大应力σ=43.5MPa<[σ]=199MPa

4 顶推临时结构设计

根据农业路钢箱梁桥位附近交通条件和顶推施工要求，需布置龙门吊、钢箱梁顶推支架及拼装支架、导梁等临时设施[4-6]。

4.1 临时支架

4.1.1 临时结构布置

临时支架主要包含顶推支架及拼装支架。顶推支架供钢箱梁顶推承载使用，拼装支架供钢箱梁顶推前的拼装施工使用(图5)。

图5 郑州农业路临时支架布置图

4.1.2 拼装支架4.1.2.1 拼装支架结构设计

拼装支架主要用于组拼钢箱梁吊装段杆件，将钢箱梁杆件总拼成型，为钢箱梁顶推施工进行相应准备工作。

拼装支架的长度计算应考虑以下因素：拼装支架作为钢箱梁箱体杆件拼装的焊接平台，既要满足钢箱梁承重要求，又要满足钢箱梁桥面整体线形要求，同时必须满足工人焊接操作要求[5]。综上所述，为满足钢箱梁组拼、焊接打磨、油漆涂装工位的需要,钢箱梁拼装支架平台至少要提供3个节段钢箱梁工作位置。本桥钢箱梁纵向节段单节最长尺寸14.53m，最短尺寸11.2m，由此可以计算拼装支架最小长度尺寸应为45m。

4.1.2.2 拼装支架结构计算

图6 拼装支架及边跨顶推装置示意图 图7 拼装支架模型受力图(单位：t)

图8 拼装支架应力图(单位：MPa)

最大应力值为σmax=51.9MPa≤[σ]=145 MPa，故强度满足要求。

最大侧向位移为fmax=33.8mm≤[f]=H/400=24632/400=61.58mm，故刚度满足要求。

经计算拼装支架满足受力要求。

4.1.3 墩旁顶推支架4.1.3.1 顶推支架结构设计

墩旁顶推支架为顶推施工中的主要受力结构，强度设计上既要满足钢箱梁顶推施工时的最大竖向荷载和最大水平力的需求，又要满足钢箱梁在顶推过程中沿道路平曲线和竖曲线轨迹前进要求[5]。

顶推支架主肢结构设计采用φ820mm×10mm的螺旋钢管，肢间联接系结构采用φ325mm×7mm钢管，支架的外形尺寸为2000mm×10000mm，两侧对称布置，且桥墩两侧支架需将其连成整体，保证其整体的稳定性。分配梁均采用钢箱梁，分配梁上部放置顶推设施(图10)。

图10 K2#-K4#墩顶推支架示意图

4.1.3.2 墩旁顶推支架结构受力计算

钢箱梁顶推过程中墩旁顶推支架同时承受竖向荷载和水平荷载，为保证顶推过程的安全和顺利进行，有必要对墩旁顶推支架的强度、刚度进行计算。经过以上钢箱梁整体计算受力分析：顶推支架在顶推过程中受力最不利工况中受到单侧最大的压力为F导=4040000N；单根分配梁上受力为F=2020000N，水平方向受风荷载，单根钢管受到的风荷载为F风=12100N。采用有限元分析软件Midas civil建立临时墩旁顶推支架有限元模型，如图11～13所示。

图11 墩旁顶推支架模型受力图(单位：N) 图12 墩旁顶推支架应力图(单位：MPa)

图13 墩旁顶推支架变形图(单位：mm)

最大应力值为σmax=87.5MPa≤[σ]=145 MPa，故强度满足要求。

分配梁上最大位移为fmax分=7mm≤[f]=L/400=6000/400=15mm；

支架上最大位移为fmax支=3mm≤[f]=H/400=6000/400=15mm，故刚度满足要求。

经计算墩旁顶推支架满足受力要求。

5 结束语

经过计算，该工程临时支架结构设计能够满足顶推施工要求。在郑州市农业路快速通道工程钢箱梁工程实践中，由于临时支架结构合理，较好的克服了顶推过程工况变化多、高墩顶推弯矩大等技术难点，为该桥的顶推架设施工顺利完成提供了有力保障，其经验可供同类型桥梁施工临时支架结构设计参考。