城市高架曲線鋼箱梁頂推施工臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王 松 喻致蓉 張紅杰

(平頂山平煤機(jī)煤礦機(jī)械裝備有限公司 平頂山 467000)

0 引言

由于城區(qū)人口較為密集且交通路況復(fù)雜，橋梁建設(shè)環(huán)境約束限制較多，城市高架橋的施工必須確保吊裝頂推期間周圍主干道的通行安全。鋼箱梁頂推法施工能夠有效的避免上述問(wèn)題且施工速度快，近年來(lái)發(fā)展迅速[1]。對(duì)于鋼箱梁頂推施工，已經(jīng)有較多的學(xué)者對(duì)于頂推系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理、頂推設(shè)備同步控制、平衡度控制、糾偏控制、累計(jì)誤差控制等方面進(jìn)行研究[2-8]，形成了成熟的頂推工藝，但對(duì)頂推施工過(guò)程中使用的臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究關(guān)注較少。由于頂推施工過(guò)程中工況多、結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換復(fù)雜，施工荷載也是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)是否安全合理直接關(guān)系整個(gè)頂推施工的成敗，因此，有必要對(duì)臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行探討。

1 工程概況

鄭州市農(nóng)業(yè)路快速通道工程為東西向城市快速通道,全線西起雄鷹東路，東至金源東街，總長(zhǎng)約13.5km。本工程范圍為農(nóng)業(yè)路快速通道工程N(yùn)YLDJSG-2標(biāo)段主線高架橋第2聯(lián)鋼箱梁，跨越既有京沙立交橋，鋼箱梁全橋全長(zhǎng)166m，總重約2600t。鋼箱梁節(jié)段效果圖如圖1所示。

圖1 農(nóng)業(yè)路鋼箱梁節(jié)段效果圖

2 鋼箱梁分段設(shè)計(jì)方案

由于鋼箱梁全橋整體噸位較大，受到制造、道路運(yùn)輸、起重條件的限制，為了滿足鋼箱梁梁段的工廠化制造、汽車運(yùn)輸、工地現(xiàn)場(chǎng)吊裝、頂推施工等各環(huán)節(jié)的要求，鋼箱梁在制造中必須進(jìn)行縱向、橫向的節(jié)段劃分形成桿件單元，以達(dá)到順利制造、順利運(yùn)輸、順利架設(shè)的目的[3]。綜合考慮以上因素，全橋鋼箱梁沿橋縱向分為13個(gè)梁段，橫向分為7個(gè)梁段，即5個(gè)箱室+2個(gè)挑臂，合計(jì)91個(gè)鋼箱梁桿件，單節(jié)桿件最大重量50t。分段方案如圖2所示。

a.縱向分段圖

b.橫向分段圖

3 鋼箱梁頂推架設(shè)方案

3.1 架設(shè)總體施工方案

為了減少上部鋼箱梁施工對(duì)橋下既有道路交通的影響，確保吊裝頂推期間通行安全，參照類似工程并結(jié)合農(nóng)業(yè)路快速通道工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際場(chǎng)地情況，鄭州市農(nóng)業(yè)路鋼箱梁采用步履式多點(diǎn)同步頂推施工[4]。

鋼箱梁節(jié)段箱體桿件運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后，利用60t龍門吊將鋼箱梁節(jié)段桿件吊裝至頂推及拼裝平臺(tái)上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)總拼，將鋼箱梁整體節(jié)段的平面坐標(biāo)和高程調(diào)整到施工道路線形后進(jìn)行焊接。

由于施工場(chǎng)地受限，本橋由K6#墩側(cè)向K2#墩側(cè)進(jìn)行頂推，待鋼箱梁全部頂推到位后采用液壓油缸落梁的方法將鋼箱梁整體調(diào)整至設(shè)計(jì)標(biāo)高，達(dá)到設(shè)計(jì)要求后進(jìn)行支座安裝，完成鋼箱梁頂推施工。鋼箱梁頂推架設(shè)總體施工如圖3所示。

圖3 農(nóng)業(yè)路鋼箱梁頂推架設(shè)總體施工圖

3.2 鋼箱梁施工難點(diǎn)、重點(diǎn)

(1)考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地限制，K3-K4-K5跨間為既有的京沙立交橋，跨間臨時(shí)支墩設(shè)置難以實(shí)現(xiàn)。因此跨間不設(shè)臨時(shí)支墩。同時(shí)由于鋼箱梁跨越既有線路，對(duì)于施工進(jìn)度和施工安全性要求極高。

(2)本橋?qū)儆诟叨帐┕で翼斖浦亓看?，鋼箱梁距地面高度約30m，本橋需要更大的頂推力和更強(qiáng)的臨時(shí)支架。

(3)鋼箱梁段縱橋向?yàn)榇笃露?，最大高差約2.4m。在頂推過(guò)程中，支架抄墊處在頂推過(guò)程中需要不斷進(jìn)行調(diào)整，頂推施工難度較大。

3.3 鋼箱梁施工步驟

步驟一：在K4#墩與K6#墩范圍內(nèi)拼裝60t龍門吊機(jī)、布置45m鋼箱梁拼裝支架、調(diào)節(jié)鋼箱梁線形標(biāo)高。施工步履式頂推臨時(shí)支墩，其上布置步履式頂推設(shè)備。

步驟二：在拼裝支架上拼裝導(dǎo)梁；隨后拼裝第一節(jié)段鋼箱梁，并將導(dǎo)梁及鋼箱梁焊接。

步驟三：待第一節(jié)拼裝完畢檢驗(yàn)合格后，進(jìn)行頂推施工，將整體向前頂推一個(gè)節(jié)段。然后拼裝第二個(gè)節(jié)段鋼箱梁；待鋼箱梁焊接檢驗(yàn)合格后，進(jìn)行頂推施工。為了防止頂推過(guò)程中傾覆，在向前頂推一個(gè)節(jié)間時(shí)第一段鋼箱梁及導(dǎo)梁需要三套步履裝置支撐。

步驟四：重復(fù)步驟三繼續(xù)向前頂推一個(gè)節(jié)間，在拼裝平臺(tái)上拼裝第三個(gè)節(jié)段鋼箱梁；待鋼箱梁焊接檢驗(yàn)合格后，進(jìn)行頂推施工。

步驟五：重復(fù)步驟四操作，向前頂推兩個(gè)節(jié)間在拼裝平臺(tái)上拼裝后續(xù)兩個(gè)階段；進(jìn)行頂推施工，將導(dǎo)梁頂推至K3#墩；在頂推過(guò)程中對(duì)鋼箱梁進(jìn)行糾偏。

步驟六：重復(fù)上述步驟，拼裝后續(xù)鋼箱梁，進(jìn)行頂推施工，至導(dǎo)梁K1#墩。

步驟七：繼續(xù)向前頂推鋼箱梁，當(dāng)導(dǎo)梁第一節(jié)段伸出K2#墩后拆除第一節(jié)段導(dǎo)梁；在拼裝拼裝支架上接續(xù)拼裝鋼箱梁。

步驟八：待鋼箱梁頂推到位后，拆除導(dǎo)梁，進(jìn)行落梁施工，使鋼箱梁線形滿足設(shè)計(jì)要求。拆除拼裝平臺(tái)、頂推機(jī)構(gòu)和支架。

3.4 鋼箱梁頂推整體受力計(jì)算

由于頂推的方法的特殊性，鋼箱梁頂推施工過(guò)程中存在多種施工工況，為保證施工安全，必須對(duì)鋼箱梁頂推整體受力計(jì)算。計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 鄭州市農(nóng)業(yè)路快速通道橋支墩雙邊受力統(tǒng)計(jì)表(單位：t)

以上所有工況應(yīng)力最大值如圖4所示。

a：頂推導(dǎo)梁各工況下最大應(yīng)力圖(單位：MPa)

綜上所述：經(jīng)計(jì)算分析在頂推過(guò)程中：

導(dǎo)梁(Q345B)上最大應(yīng)力σ=116.7MPa<[σ]=199MPa

鋼箱梁上最大應(yīng)力σ=43.5MPa<[σ]=199MPa

4 頂推臨時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)農(nóng)業(yè)路鋼箱梁橋位附近交通條件和頂推施工要求，需布置龍門吊、鋼箱梁頂推支架及拼裝支架、導(dǎo)梁等臨時(shí)設(shè)施[4-6]。

4.1 臨時(shí)支架

4.1.1 臨時(shí)結(jié)構(gòu)布置

臨時(shí)支架主要包含頂推支架及拼裝支架。頂推支架供鋼箱梁頂推承載使用，拼裝支架供鋼箱梁頂推前的拼裝施工使用(圖5)。

圖5 鄭州農(nóng)業(yè)路臨時(shí)支架布置圖

4.1.2 拼裝支架4.1.2.1 拼裝支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

拼裝支架主要用于組拼鋼箱梁吊裝段桿件，將鋼箱梁桿件總拼成型，為鋼箱梁頂推施工進(jìn)行相應(yīng)準(zhǔn)備工作。

拼裝支架的長(zhǎng)度計(jì)算應(yīng)考慮以下因素：拼裝支架作為鋼箱梁箱體桿件拼裝的焊接平臺(tái)，既要滿足鋼箱梁承重要求，又要滿足鋼箱梁橋面整體線形要求，同時(shí)必須滿足工人焊接操作要求[5]。綜上所述，為滿足鋼箱梁組拼、焊接打磨、油漆涂裝工位的需要,鋼箱梁拼裝支架平臺(tái)至少要提供3個(gè)節(jié)段鋼箱梁工作位置。本橋鋼箱梁縱向節(jié)段單節(jié)最長(zhǎng)尺寸14.53m，最短尺寸11.2m，由此可以計(jì)算拼裝支架最小長(zhǎng)度尺寸應(yīng)為45m。

4.1.2.2 拼裝支架結(jié)構(gòu)計(jì)算

圖6 拼裝支架及邊跨頂推裝置示意圖 圖7 拼裝支架模型受力圖(單位：t)

圖8 拼裝支架應(yīng)力圖(單位：MPa)

最大應(yīng)力值為σmax=51.9MPa≤[σ]=145 MPa，故強(qiáng)度滿足要求。

最大側(cè)向位移為fmax=33.8mm≤[f]=H/400=24632/400=61.58mm，故剛度滿足要求。

經(jīng)計(jì)算拼裝支架滿足受力要求。

4.1.3 墩旁頂推支架4.1.3.1 頂推支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

墩旁頂推支架為頂推施工中的主要受力結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度設(shè)計(jì)上既要滿足鋼箱梁頂推施工時(shí)的最大豎向荷載和最大水平力的需求，又要滿足鋼箱梁在頂推過(guò)程中沿道路平曲線和豎曲線軌跡前進(jìn)要求[5]。

頂推支架主肢結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用φ820mm×10mm的螺旋鋼管，肢間聯(lián)接系結(jié)構(gòu)采用φ325mm×7mm鋼管，支架的外形尺寸為2000mm×10000mm，兩側(cè)對(duì)稱布置，且橋墩兩側(cè)支架需將其連成整體，保證其整體的穩(wěn)定性。分配梁均采用鋼箱梁，分配梁上部放置頂推設(shè)施(圖10)。

圖10 K2#-K4#墩頂推支架示意圖

4.1.3.2 墩旁頂推支架結(jié)構(gòu)受力計(jì)算

鋼箱梁頂推過(guò)程中墩旁頂推支架同時(shí)承受豎向荷載和水平荷載，為保證頂推過(guò)程的安全和順利進(jìn)行，有必要對(duì)墩旁頂推支架的強(qiáng)度、剛度進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)過(guò)以上鋼箱梁整體計(jì)算受力分析：頂推支架在頂推過(guò)程中受力最不利工況中受到單側(cè)最大的壓力為F導(dǎo)=4040000N；單根分配梁上受力為F=2020000N，水平方向受風(fēng)荷載，單根鋼管受到的風(fēng)荷載為F風(fēng)=12100N。采用有限元分析軟件Midas civil建立臨時(shí)墩旁頂推支架有限元模型，如圖11～13所示。

圖11 墩旁頂推支架模型受力圖(單位：N) 圖12 墩旁頂推支架應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖13 墩旁頂推支架變形圖(單位：mm)

最大應(yīng)力值為σmax=87.5MPa≤[σ]=145 MPa，故強(qiáng)度滿足要求。

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

支架上最大位移為fmax支=3mm≤[f]=H/400=6000/400=15mm，故剛度滿足要求。

經(jīng)計(jì)算墩旁頂推支架滿足受力要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)計(jì)算，該工程臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足頂推施工要求。在鄭州市農(nóng)業(yè)路快速通道工程鋼箱梁工程實(shí)踐中，由于臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)合理，較好的克服了頂推過(guò)程工況變化多、高墩頂推彎矩大等技術(shù)難點(diǎn)，為該橋的頂推架設(shè)施工順利完成提供了有力保障，其經(jīng)驗(yàn)可供同類型橋梁施工臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考。