摘 要：首先介绍和分析了桥梁顶推施工法，随后基于顶推施工工艺特点，并依托某高速公路桥工程施工实例，通过有限元数值模拟与理论分析，研究等跨度变截面钢箱梁桥顶推施工过程中梁体受力情况，最后提出钢箱梁顶推施工过程桥梁受力规律，分析变截面顶推桥梁施工关键问题并给出解决办法，旨在为类似工程提供参考与借鉴。
关键词：等跨度变截面钢箱梁;顶推施工;受力分析;
作者简介：庞振宇（1989—），男，回族，工程师，从事路桥设计工作。;
0 引言钢箱梁在施工时可采用拖拉或顶推施工法。随着施工工艺与设备的日益成熟，顶推施工法被广泛用于桥梁施工中。基于此，分析钢箱梁顶推施工过程中桥梁的受力情况以及关键问题，对保证桥梁结构的安全性，以及对桥梁顶推施工方法的推广与应用，具有非常重要的意义。
1 桥梁顶推施工的现状与关键问题顶推施工法起步较晚，各专家学者一般认为其最早开始于1959年建造的奥地利Ager桥[1]。以施工方式分类，可将顶推施工法分为步履式顶推法和拖拉式顶推法两种。步履式顶推法是对传统拖拉式顶推法的一种改进，它除了具备拖拉式顶推法的优点外，还能有效克服拖拉式顶推法的缺点，集顶升、平移、横向纠偏于一体，真正实现了“顶”和“推”的施工工艺。因此本文主要研究步履式顶推施工。
本文依托某高速公路桥工程施工实例，对等跨度变截面钢箱梁桥顶推施工过程受力及关键技术展开分析与研究，主要集中在以下几个方面。
(1）顶推过程中支座反力复杂多变，支座反力的大小又决定了支座位置处钢梁的局部应力，对于支座反力的测定在顶推施工控制过程中有着关键的作用[2]。
(2）钢箱梁在顶推过程中钢箱梁及导梁受力分析。
(3）钢箱梁整体基本为变高截面，横桥向带有横坡，同步顶推要求精度高，成桥线形控制也是顶推施工中的关键难点。
2 工程概况广深沿江机场复合式互通受东人工岛填海筑岛的影响，广深沿江高速（福永码头）以东，机场南路以南，地铁11号线以西与深中通道以北的现状海域将被合围，机场外排渠及新涌河防洪排涝影响显著，为进一步提升深中通道东人工岛及本工程后方河渠的防洪排涝能力，综合考虑施工工期、安全风险等因素，对河口段及跨机场外排渠桥梁分别进行了结构优化调整：利用河口段多跨30m的预制小箱梁已实施桩基，优化调整为3x60m跨径连续钢箱梁，减少了三排桥墩，并将部分承台底面标高提高至设计洪水位以上。方案优化调整后，大幅减少了对机场外排渠及新涌河防洪排涝影响。结合地方的建议，加强桥梁景观设计，将3×60m连续钢箱梁立面由等截面调整为变截面形式，并结合现场施工条件采用顶推施工方案。
图1 河口段钢箱梁布置图 下载原图
图1所示为河口段钢箱梁布置图。河口段共计1座主线桥，3座匝道桥，共6联钢箱梁，总长度为880.944m，梁高为2.0～3.0m不等，详见表1所示。钢箱梁采用Q345qD钢材，钢导梁采用Q345B钢材。钢箱梁主结构工程量约11 106t。
钢箱梁安装按照桩基施工进度，先A2/C1匝道桥、再主线左幅与L匝道桥，最后主线右幅施工。钢箱梁安装以拼装平台及钢梁支架开始施工至整联钢箱梁顶推完成，对进度计划进行编排。钢箱梁安装施工包含支架施工，钢箱梁分节段运输，顶推设备安装及钢导梁安装，钢箱梁吊装组拼与焊接，顶推，线型控制，支座安装，体系转换，支架拆除，工地涂装等关键工序。
表1 钢箱梁结构形式 下载原图
以机荷连接线特大桥第十九联施工过程为例，采用midas有限元模拟分析。其中钢梁采用标准钢箱梁截面的梁单元模拟建模，导梁采用与设计相一致的梁单元模拟。荷载施加，箱梁及导梁自重根据节段划分按梯形荷载施加，风荷载以线荷载的形式施加在钢箱梁及导梁上。边界条件，根据拼装平台和辅助墩的结构形式计算出各个支点位置实际的整体刚度，钢箱梁及导梁支点处以一般支承约束Dx和Dy，以节点弹性支承约束Dz；导梁与钢箱梁之间采用刚接，导梁连接系与导梁之间采用铰接。分析每一施工工况，提取计算结果。计算模型，如图2所示。
图2 计算模型 下载原图
3.1 顶推工况根据箱梁拼装及顶推施工步骤设置施工计算工况。工况十四为最不利工况（顶推钢箱梁最大悬臂工况）：将拼装好的钢箱梁整体向前顶推14m；在拼装平台上拼装后续钢箱梁节段D。
图3 工况十四顶推钢箱梁最大悬臂工况 下载原图
3.2 顶推过程反力分析计算顶推过程中支点反力，顶位1～8为两个千斤顶受力，同一顶位下的千斤顶受力相等。顶推过程中各支点最不利反力如表3.1:
表2 顶推阶段各支点最大反表 下载原图
施工过程中安装反力自动测定装置，实时监测顶推过程中各个阶段的反力变化，并根据实测数据与计算数据进行对比，可较好地控制钢梁在顶推过程中的受力状态。
3.3 顶推过程受力分析计算分析顶推过程中钢箱梁及导梁变形及应力。通过有限元计算，得出工况一～工况十四钢箱梁与导梁的正应力、剪应力及组合应力。由计算结果可知，钢箱梁顶推过程中，工况十四最不利，即将拼装好的钢箱梁整体向前顶推14m，顶位8未参与工作，此时钢箱梁悬臂最大，悬臂长度为20.8m。为钢箱梁最不利受力状态。
图4 工况十四钢梁及导梁正应力图 下载原图
图5 工况十四钢梁及导梁剪应力图 下载原图
根据图4～5，钢箱梁最不利受力状态在工况十四，为钢箱梁最大悬臂工况下，最大正应力29.01Mpa，最大剪应力20.23Mpa，组合应力45.49Mpa。钢导梁钢箱梁最不利受力状态在工况七，为钢导梁未到达辅助墩2前，为最大悬臂工况下，最大正应力72.15Mpa，最大剪应力19.72Mpa，组合应力79.83Mpa。满足钢梁材料强度要求。
施工过程中结构受力分析：钢箱梁前端竖向位移随着梁体顶推前移过程变大。顶推行进过程中，箱梁尾端由于整个梁体重心前移而发生上翘趋势，最大变形12mm，如图6工况八所示，在新吊装焊接一段箱梁后上翘的钢箱梁在自重作用下又落回顶推平台。分析导梁上翘的原因可能有：导梁采用焊接连接，产生一定的焊接变形。要解决梁上翘与临时墩不接触的问题，可以采用：整体旋转法或全长找坡法，使两者重新接触。
图6 工况八钢梁及导梁变形图 下载原图
同时顶推行进过程中，钢箱梁悬臂长度最大时，梁体变形最大（工况十四），最大变形64.4mm，如图7所示。
图7 工况十四钢梁及导梁变形图 下载原图
梁的挠度变形对顶推过程至关重要，因此，密切关注每个工况下梁的挠度变形，对结构的安全性与稳定性控制有着重要的作用。在此过程中，要特别注意钢箱梁悬臂最大处，梁体变形的控制。
钢箱梁顶推施工时，需对钢箱梁轴线偏差、高程、倾斜度及扭转进行测量监控，保证测量控制点准确无误，对控制点桩位进行必要的加固和保护，在点位处设置明显标志。
4 变截面钢箱梁顶推施工关键技术(1）变截面顶推施工梁底调平因A/C匝道及主线桥钢箱梁为变截面钢箱梁，为消除钢箱梁变截面高差对钢箱梁顶推造成的影响，故在钢箱梁底部采用调平托架将箱梁统一垫高至3m，见图8变截面钢箱梁梁底调平托架布置图，调平托架在钢箱梁加工场厂家进行加工制作，调平托架由12～20mm厚Q345钢材制作而成，托架中部连接系设置于钢箱梁横隔板对应位置处，托架与主梁连接、托架与托架连接均采用M24高强螺栓连接，为保证各部件匹配的准确性，螺栓孔现场进行施工。
图8 变截面钢箱梁梁底调平托架布置图 下载原图
(2）钢箱梁顶推线形监控
钢箱梁顶推施工过程中，钢箱梁的线形控制非常重要，应密切进行观测。钢箱梁的横向线形控制主要通过横向调节油缸进行控制，竖向线形控制主要通过顶推设备中的竖向千斤顶完成。
为保证钢箱梁线形顺直，拱度满足设计要求，节段总拼台架应设置预拱值，节段纵向以一端为基准对线进行拼装，另一端再根据线形进行配切，横向按系统线对位。为及时发现偏差与纠正，在钢箱梁安装及顶推作业过程中同步进行监测工作，并据此分析是否需要使用纠偏设备对箱梁进行横移，同时测定分块的实际应力大小并和计算值进行对比，为后续分析工作提供依据，以免发生超应力等问题。
5 结语变截面钢箱梁桥顶推施工中，工况复杂，仍存在诸多难点，本文依托某高速公路桥工程实例，通过数值模拟，对等跨度变截面钢箱梁桥顶推施工过程进行受力分析与关键技术研究，为类似工程提供参考。
参考文献[1] 小西一郎.钢桥[M].北京：中国铁道出版社，1980.
[2] 张鸿，张永涛，周仁忠.步履式自动化顶推设备系统研究及应用[J].中外公路，2012,32(4):123-125.
[3] 匡勇江，熊永光，韩晗，等.九堡大桥连续组合梁桥顶推施工中的受力性能研究[C]//第十九届全国桥梁学术会议论文集（下册）.上海：中国土木工程学会，2010:392-398.
[4] 吴鸿胜.跨线钢箱梁顶推受力全过程分析[J].铁道建筑技术，2016(7):48-52.
[5] 李述慧.基于顶推法施工的连续钢箱梁桥结构设计分析[J].中国市政工程，2018(4):60-63,110-111.
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