三跨钢桁顶推施工方案412.docx
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三跨钢桁顶推施工方案412
长兴县中央大道主桥三跨
连续中承式钢桁拱桥
顶
推
施
工
初
步
方
案
编制：
审核：
武桥重工集团建设股份有限公司
二O一一年四月十一日
长兴县中央大道主桥三跨
连续中承式钢桁拱桥顶推施工初步方案
一、工程概况
长兴县中央大道主桥是一座三跨连续中承式钢桁拱桥，上跨杭宁高速，跨度布置为（30m＋100m＋30m），由四片钢桁架拼装组成2个主拱肋，每两片主桁架由平联连接形成一个主拱肋。
上弦杆、下弦杆、竖杆、斜杆、系杆、上平联、下平联采用型钢或箱梁截面。
桥面系采用钢箱截面形式，由纵向加劲板、局部加劲板、横隔板、U型肋组成;桥面宽46.9m，由机动车道、非机动车道、人行道、分隔带组成。
主桥全桥钢结构总重约3886T，主体结构钢材采用Q345D钢。
二、钢结构安装方案总体思路
长兴县中央大道主桥上跨杭宁高速，由于杭宁高速交通繁忙，为确保杭宁高速交通的畅通、施工的安全及杭宁高速保通净空的要求，采用顶推的施工方案。
每半跨在杭宁高速的侧边现场拼装焊接，再对称向跨中顶推，在跨中合拢，跨中合拢位置基本在杭宁高速的中央分隔带附近，不影响杭宁高速的交通;但在施工过程中可能会对杭宁高速此桥跨越范围内的护坡、防护网、隔离带、路肩进行拆除或加固、占用。
顶推关键时段可能采用临时中断行车。
三、顶推方案拟投入本项目的机具设备表
拟投入本项目的机具设备表
序号
设备名称
单位
数量
备注
1
240t汽车吊
台
1
2
150t汽车吊
台
1
3
50t汽车吊
台
2
4
300吨滑车（滚轮）
组
80
5
40t卧式千斤顶、油泵
套
8
6
500t千斤顶、油泵
套
8
7
50t手动液压千斤顶
台
4
8
16-32t螺旋千斤顶
台
8
9
3．5吨震动锤
台
1
10
5T手动葫芦
台
4
11
电焊机
台
16
12
全站仪
台
1
13
水平仪
台
1
14
限位导向装置
套
8
15
托梁
根
8
16
连接系结构件
吨
45.3
17
起顶支墩
块
8
四、顶推方案临时结构工程量
顶推方案临时结构工程数量表
名称
单位
数量
备注
φ600×12
螺纹管管
吨
1403.5
钢管桩基础
300T滚轮小车
个
80
托梁
吨
300.234
系杆下的托梁
滑道
吨
289.38
顶推滑道
分配梁I40
吨
42.16
钢管桩顶部分配梁
连接系I20
吨
45.282
钢管桩顶部分配梁
40mm厚钢板
吨
40.2
中央分隔带钢管支撑荷载分散钢板
五、顶推施工方案布置图
顶推施工方案布置立面图
顶推施工方案布置平面图
以上布置图只画了半跨80m，整个布置图沿跨中对称布置。
六、顶推施工方案的施工步骤：
1、主桥下杭宁高速公路两侧的河道采用土方填平，碾压密实，作为现场施工场地;
2、采用液压振动锤插打φ600*12的钢管桩，在四片主桁架下每隔4m插打2根φ600*12的钢管桩，横向间距2.5m，钢管桩的入土深度根据承载能力要求暂定为30m，钢管桩在地面之上约8m，每一根钢管桩的长度约38m，在杭宁高速公路边缘外侧的支撑点上加强钢管桩，每一个支撑点上布置6根钢管桩，间距为2.5m，再采用I40的双排工字钢作分配梁。
由于钢管桩的自由段长度较大，约8m，将每四根或六根钢管桩采用I20的工字型做连接系和剪力撑，与钢管焊接牢固，确保钢管桩的受力稳定性，钢管桩的布置示意图见施工布置图;
3、在杭宁高速中央分隔带的附近中跨合拢的位置铺设40mm厚的钢板，作为跨中合拢时钢管支撑点的分配板，以分散支撑点的荷载，然后在分配板之上立φ600*12钢管并与分配板焊接，再在钢管顶部布设I60的双排工字钢分配梁，再在分配梁上摆滚轮小车，滚轮向上，滚轮小车反用;
4、在杭宁高速两侧插打的钢管桩上布置双排I60的工字型钢作滑道，为确保滑道的刚度要求，在每个I60的工字钢腹板两侧各加一块14mm的纵向钢板做加强肋板，并与上下翼缘板焊接，在工字钢纵向每隔2m加设一块横隔板;
5、在杭宁高速两侧现场拼装半跨80m的钢桁拱桥结构体系，拼装的先后顺序为先桥面系后钢桁架拱结构。
从边跨逐节段向跨中推进，直至半跨结构拼装全部结束，相关的高强螺栓和焊接全部完成，整个半跨钢桁结构体系形成一个整体（不拼装桥面系以下拱脚钢桁结构）;
6、在四片主桁架系杆下安装托梁，托梁与系杆间采用螺栓连结，托梁长83m，挑出系杆3m当导梁使用。
托梁采用600mm×600mm箱型截面，由厚度为20mm的钢板焊接组成，并沿纵向等间距加4块厚20mm钢板作为加劲板，以提高托梁的刚度，减小顶推过程的变形;
7、在四个托梁之下安装滚轮小车，每隔5m设置一个滚轮小车。
滚轮小车设在中横梁和系梁交接点处，在离跨中19m的位置再加设2个滚轮小车，由于顶推到最大悬挑位置19m的时候，此处的支反力较大，增加滚轮小车，增大接触面积，减小局部受压应力，以防止局部变形，影响顶推工艺的连续性或继续推进;
8、在边跨端头的系杆处各焊接一个40mm厚度临时连接钢板以及一个吊耳，以便与油顶相接;
9、边跨端头系杆处采用4台40T油顶（行程2m）同时向前顶推整个已拼装完毕的半跨结构体系，在顶推过程中跟踪观测滑道的变形，悬挑最前端的挠度以及结构体系轴线的偏位，以便及时进行调整和修正;
10、两侧顶推到位，托梁搭在中央分隔带上的钢管支架上后，开始合拢前的准备工作;
11、两侧半跨结构的轴线和标高的调整，以及预抬量的设置，预抬量按3cm考虑，当调整达到合拢的精度要求后开始合拢，高强螺栓的对孔、初拧、终拧，桥面系的焊接;
12、合拢后，拼装桥面系之下的钢桁拱脚结构体系;
13、支座安装及灌浆;
14、临时结构的拆除;
七、施工方案的推演过程
1、桩基、支架及滑道搭设，如下示意图:
2、80m半跨结构拼装，拼装完毕后结构体系示意图如下：
3、顶推过程，示意图如下：
4、悬挑19M最危险工况，示意图如下：
5、悬挑19M前端托梁搭在支撑点上，示意图如下：
6、顶推到位合拢前，示意图如下：
7、跨中合拢，示意图如下：
8、拱脚处支架拆除，示意图如下：
9、拱脚处桁架杆件安装，示意图如下：
10、墩身施工及支座安装，示意图如下：
11、临时结构的拆除，示意图如下：
八、顶推方案受力分析结果汇总
两个最危险工况受力汇总表
工况
最大组合应力
（Mpa）
悬臂端最大挠度
（mm）
最大支反力
（T）
悬挑19M最危险工况
151.2
83.3
324.6
悬挑19M端部刚好搭在中央分隔带支撑架上工况
152.4
21.5
190
其最大组合应力值为152.4Mpa，小于材料的允许应力200Mpa。
前10阶钢管桩基失稳模态特征值表
模态
特征值
1
21.02217
2
-25.644
3
28.42898
4
28.42898
5
32.36183
6
32.61948
7
32.61948
8
32.68955
9
33.05827
10
-35.0408
顶推过程中，钢管桩基第一阶失稳模态的特征值为21，大于4，满足受力要求，在受压过程中不会产生失稳。
拼装过程中，吊杆最大轴向压力为8.66吨，吊杆最大长度为：
19.58m，吊杆最大压应力为：
11.0Mpa，最大压应力11.0Mpa小于允许应力[σ]=150MPa，应力满足要求，不会产生失稳。
九、顶推方案安全注意事项
1、所有液压顶升设备必须经过检查、检验，工作可靠；
2、注意靠近高速公路作业和在高速公路中央分隔带上作业安全；
3、拱的安装必须采取高空防坠物措施；
4、顶推作业必须白天进行，顶推过程对中心支点受力进行详细观察、观测；
5、本工程对周边环境无污染，无其他不良影响。
十、结论及建议
通过采用大型有限元软件MIDAS2006对整个半跨结构顶推的三维受力仿真模拟分析，以计算结果来分析，此顶推方案能满足受力要求，其最大组合应力值为152.4Mpa，小于材料的允许应力200Mpa，最危险工况的最大挠度为83.3mm，最大支反力为323吨，对顶推方案上存在的不足提出以下几点建议：
①、从受力分析上顶推方案能够满足要求，但顶推方案所用的临时结构用钢量比较大，约2077吨，整个顶推方案成本比较高，初步估算比正常安装费用多1800万;
②、通过顶推受力的分析可知，由于钢结构自重较大，桥面系宽度较大，横向变形加大，主拱有向内变形趋势，建议在两内侧主桁架之间加两道桁架风撑，增加横向的稳定性和变形，对其结构的受力比较好和稳定性比较高；
③、行车道比较宽，中横梁和端横梁的自重比较大，端横梁自重约38吨，中横梁自重约18吨，对吊机的起吊能力要求较高，建议将中横梁和端横梁进行分块处理，减小起吊重量并且能够在施工过程设横向的预拱度，有利于成桥后的桥面的坡度和线形;
④、顶推在最危险工况（悬挑19M）时，悬挑根部支点的支反力比较大，约323吨，按1.3的偏载系数考虑，悬挑根部每个支点的桩基的承载能力必须不小于420T，前排支点需用多根钢管来共同承担这些荷载。
顶推方案对前排支点钢管桩的要求比较，而且桩的沉降量对整个顶推方案的影响比较大，建议增大悬挑根部支点的承载安全系数；
⑤、由于桥梁净空高度只有5.3M，根据设计规范，高速公路通行净空高度必须不小5M，顶推方案中的托梁占掉了一部分通行净空高度。
为保证交通通行的安全，建议将桥梁整体抬高50cm;
十一、顶推方案受力计算书附件（见后）
顶推方案受力计算书
一、模型介绍
长兴县中央大道主桥是三跨连续中承式钢桁拱桥，顶推方案全过程的受力分析采用MIDAS2006大型有限元软件进行三维仿真分析，所有杆件采用梁单元，截面采用实际截面尺寸，桥面系的端横梁、中横梁、次梁、纵梁、边纵梁采用刚度等效换算成梁单元，全桥的三维模型示意图如下:
三维模型示意图
计算中采用半跨三维模型，取杭宁高速左侧80m半跨结构进行计算、分析，左侧最大悬挑19M，由于右侧顶推的工况没有左侧顶推工况危险，所以就只以左侧半跨结构进行受力分析。
二、MIDAS验算模型计算结果
本模型的验算采用MIDAS2006大型有限元程序计算。
下面是最危险的2种工况的最大组合应力、悬臂前端的最大挠度及悬挑根部最大支反力、桩基稳定性、吊杆稳定性的分析结果。
（1）悬挑19M最危险工况分析结果
①、组合应力结果示意图如下：
组合应力结果示意图
杆件最大应力为：
151.2Mpa，最小应力为：
-86Mpa;
最大应力151.2Mpa，小于材料允许应力[σ]=200MPa，应力满足要求。
②、最大悬臂端挠度结果示意图如下：
悬臂端挠度结果示意图
悬臂端最大挠度值为：
83.3mm。
③、最大支反力结果示意图如下：
最大支反力结果示意图
顶推过程中，支反力最大值为：
324.6吨。
（2）悬挑19M前端刚好搭在中央分隔带支撑架上工况分析结果
①、组合应力结果示意图如下：
组合应力结果示意图
杆件最大应力为：
152.4Mpa，最小应力为：
-115Mpa;
最大应力152.4Mpa，小于材料允许应力[σ]=200MPa，应力满足要求。
②、最大悬臂端挠度结果示意图如下：
最大悬臂挠度结果示意图
悬臂端最大挠度值为：
21.5mm。
③、最大支反力结果示意图如下：
最大支反力结果示意图
悬臂根部支反力最大值为：
190吨。
两个最危险工况受力汇总表
工况
最大组合应力
（Mpa）
最大悬臂挠度
（mm）
最大支反力
（T）
悬挑19M最危险工况
151.2
83.3
324.6
悬挑19M端部刚好搭在中央分隔带支撑架上工况
152.4
21.5
190
（3）钢管桩基稳定性分析
钢管桩基稳定性分析三维模型示意图如下：
钢管桩基稳定性分析三维模型示意图
前10阶桩基失稳模态特征值如下表：
前10阶桩钢管桩基失稳模态特征值表
模态
特征值
1
21.02217
2
-25.644
3
28.42898
4
28.42898
5
32.36183
6
32.61948
7
32.61948
8
32.68955
9
33.05827
10
-35.0408
第一阶桩基失稳模态示意图
第二阶桩基失稳模态示意图
第三阶桩基失稳模态示意图
钢管桩基第一阶失稳模态的特征值为21，大于4，满足要求，在受力过程中不会产生失稳。
（4）吊杆受压失稳分析
吊杆受压轴力示意图如下：
吊杆受压轴力示意图
吊杆最大轴向压力为8.66吨，吊杆最大长度为：
19.58m。
最大压应力示意图
吊杆最大压应力为：
11.0Mpa，小于允许应力[σ]=150MPa，应力满足要求，不会产生失稳。
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