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

伴隨國家經(jīng)濟和交通發(fā)展的需求，我國建造了一大批在國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)了國家的綜合技術(shù)實力與經(jīng)濟水平。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)置中間臨時墩或墩旁支架。對于大跨曲線梁，為了促進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，對高墩彎橋頂推技術(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為工程背景。該橋地處海洋環(huán)境臺風(fēng)頻發(fā)地區(qū)，且屬丘陵山區(qū)，無較好運輸條件，橋梁標(biāo)準(zhǔn)跨徑達80 m，墩高均超過50 m，中間不設(shè)臨時墩和墩旁支架，鋼槽梁由緩和曲線段向直線段頂推。針對上述復(fù)雜地形情況和技術(shù)條件，展開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50 m，跨徑最大為80 m(見圖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

2.1 鋼槽梁整體線形及結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

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)計為T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)包括空腹式和實腹式兩種形式，除支點位置為實腹式橫梁外，其他位置均為空腹式橫梁[5]，見圖2。

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

為了滿足運輸要求與頂推的線形要求，槽型鋼梁設(shè)計分為5種梁段結(jié)構(gòu)類型(見表1)。梁段分節(jié)段在場內(nèi)制造，減小單榀梁段的質(zhì)量，便于槽型鋼梁的吊裝運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

2.2.1頂推鋼導(dǎo)梁設(shè)計

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：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)定性和強度的條件下，選擇以減小主梁頂推時最大懸臂狀態(tài)的負彎矩為目的的輕質(zhì)導(dǎo)梁[6]。導(dǎo)梁制作預(yù)拼完成后，通過海運運到現(xiàn)場，節(jié)段之間用高強度螺栓連接，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個桁架。

2.2.2墩頂托梁設(shè)計

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消除了支架下沉的風(fēng)險[7]。槽型鋼梁頂推到位后，再沿邊緣氣割進行割除，切割邊用同厚度鋼板焊接成連接板，采用高強度螺栓連接。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，避免對鋼槽梁表面的破壞。墩頂承載梁的設(shè)計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，同時減少了臨時墩支架搭設(shè)的工期。

2.2.3防臺風(fēng)設(shè)計

該橋位于福建省沿海地區(qū)，考慮到每年經(jīng)常會受到臺風(fēng)及其暴潮等自然災(zāi)害的襲擊，這就需要在自然災(zāi)害來臨之前做好各方面的防御措施，確保生命和財產(chǎn)安全。因此在槽型鋼梁頂推施工設(shè)計中須加入防臺風(fēng)臨時錨固設(shè)計。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)先對槽型鋼梁底部進行定位開孔，確保與預(yù)埋套筒位置對應(yīng)。在臺風(fēng)期間，通過槽型鋼梁的底部孔道，接長螺紋鋼穿過鋼梁進行錨固。

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

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

圖5 防臺錨固設(shè)計(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連續(xù)頂推法施工。鋼槽梁在工廠分節(jié)段預(yù)制，通過海運至施工現(xiàn)場，鋼槽梁節(jié)段在頂推平臺上拼好后，導(dǎo)梁和部分鋼槽梁節(jié)段在頂推平臺前端的三向千斤頂作用下移動，然后采用步履式頂推設(shè)備提供頂推力，帶動梁體前進，可以通過頂升調(diào)節(jié)里程方向，還可對橋梁局部線形進行橫向調(diào)節(jié)[8]。簡要施工流程如下：承載梁、操作平臺安裝→千斤頂調(diào)試安裝(鋼導(dǎo)梁、鋼槽梁加工運輸)→導(dǎo)梁拼裝→槽梁調(diào)節(jié)、焊接→(施工監(jiān)控、焊縫檢測)→頂推施工(導(dǎo)梁過墩、糾偏)→墩頂落梁→橋面板安裝。

3.2 頂推施工

3.2.1多點同步頂推

在每個墩頂設(shè)置2個水平千斤頂(小噸位)，頂推全部采用步履式三向千斤頂[9]。每個液壓系統(tǒng)以中央控制機為控制中心，實現(xiàn)對單臺液壓系統(tǒng)的控制。為了保證步履式千斤頂在頂推施工中的同步性，一般均需通過中心控制室控制各千斤頂?shù)某隽Φ燃?，保證同時運作。每臺液壓站具有按鈕操作、觸摸屏和遠程中央控制機操作功能。上位機也具備遠程單控與遠程連控的功能。

中央控制器具有實時同步、界面刷新速度快、通訊故障及時反饋的提醒功能[10]。遠程操作可選擇對應(yīng)站點液壓系統(tǒng)控制，前進或者后退，改變相應(yīng)工況的位移，點擊相應(yīng)的油缸按鍵來實現(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原因：

(1)橋梁頂推過程中由于橫向兩側(cè)頂推距離不同步，實際過程中同步性不能達到理想狀態(tài)，產(chǎn)生的數(shù)值累計達到控制報警值時，鋼槽梁軸線與設(shè)計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)計軸線會產(chǎn)生偏差。

(3)槽型鋼梁在頂推過程中，每個橋墩相對應(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，在頂推過程中根據(jù)不同步值，計算兩側(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)達到5 cm時進行糾偏[11]。

(3)頂推時動態(tài)調(diào)節(jié)梁段措施。通過各種導(dǎo)向裝置限位，設(shè)置4個橫向調(diào)節(jié)油缸，啟動油缸的調(diào)整功能，通過橫向調(diào)節(jié)梁段位置使偏差值在設(shè)計的允許范圍內(nèi)。

3.2.3頂推施工應(yīng)力控制

通過有限元模擬分析[12]，計算頂推施工過程中的應(yīng)力情況。

(1)荷載

主要荷載有以下幾部分。

鋼槽梁的自重：單段鋼梁質(zhì)量如表2所示，考慮的分項系數(shù)值為1.35。

表2 鋼梁節(jié)段質(zhì)量

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

風(fēng)荷載：工作風(fēng)級為6級，對應(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)級為12級，wk=2.18 kN/m2，分項系數(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、施工場地地形及施工工藝等條件，對頂推鋼槽梁全過程的21種工況進行分析[13]，對各工況計算分析其對應(yīng)的受力與變形。其中，大部分工況為導(dǎo)梁即將上墩時的最大懸臂狀態(tài)。

(3)頂推過程有限元模型建立

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)梁進行計算。

(4)頂推施工過程有限元模擬計算

根據(jù)有限元計算可知，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#橋墩支撐點處的鋼梁頂板位置(見圖6(b))。

頂推過程中，最大懸臂狀態(tài)下鋼槽梁的最大應(yīng)力計算結(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)頂推過程中端梁的空間姿態(tài)對線型影響較大[14]，頂推拼裝過程中每輪數(shù)據(jù)采集存在較多制約因素，具有一定的隨機性和較大敏感性。頂推完成后，對比落梁后的實測數(shù)據(jù)與設(shè)計線形數(shù)據(jù)(見圖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

針對高墩、大跨徑、彎橋等特點，對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)置臨時墩和墩旁支架。目前我國公路橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正處于蓬勃發(fā)展的時期，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[18]。