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1、精选优质文档-倾情为你奉上跨越运营高铁的铁路钢箱梁桥顶推施工风险分析 跨越运营高铁的铁路钢箱梁桥顶推施工风险分析 跨越运营高铁的铁路钢箱梁桥顶推施工风险分析* 王春生 唐友明 崔文科 刘冬冬（长安大学桥梁与隧道陕西省重点实验室，西安 ） 摘 要：大西客专联络左线特大桥连续跨越已投入运营的郑西高速铁路，采用顶推法施工，钢箱梁在钢厂分节段预制，运至施工现场节段拼装，根据施工现场情况采用专家调查法确定施工风险，并采取相应控制措施。对钢箱梁顶推全过程进行有限元数值分析，并结合现场线形和应力监测，对顶推施工全过程进行实时监控，保证施工安全。研究成果对首次跨越运营高速铁路顶推施工钢箱梁桥提供了技术支持，积
2、累了工程经验。 关键词：钢箱梁；高速铁路；顶推施工；风险分析；施工监控 1 工程概况 大西客专联络左线特大桥在2124号墩段内上跨郑西高速铁路及包西上、下行联络线，主桥位于直线上。上部结构采用3跨连续钢箱梁，跨径布置为（64+68+64）m，总长196m。下部结构是端部为圆形实体桥墩和直径1.25m的钻孔桩基础。既有线郑西高速铁路为350km/h的客运专线，联络左线与郑西线铁路夹角为22，其中23号墩墩顶距离郑西线轨面高度为8.02m，距离包西下行线轨面高度为6.81m。主桥桥跨布置如图1所示。 主梁为单箱单室截面，梁高4.8m，箱梁顶宽7.5m，设置1.5m悬挑翼缘，箱梁底宽4.3m，中支点
3、局部加宽至5.04m，顶板厚24mm，底板中支点处厚32mm，其余部分厚24mm，腹板厚26mm。钢箱梁顶板与底板均设置有沿桥纵向贯通的T形加劲肋，T形加劲肋腹板高180mm，翼缘宽250mm，加劲肋厚度为12mm。钢箱梁腹板采用宽度280mm，厚度20mm的板式加劲肋。横隔板标准间距为2m，厚度为20mm。主要材质Q370qE和Q345qE。中支座处钢箱梁底部灌注C50混凝土。钢箱梁典型断面如图2所示。 2 顶推施工系统 既有线路的运营安全与新建线路的施工方法有着密切关系。对于跨越既有线的桥梁施工，所选取的施工方法应具有施工周期短、吊装作业少、不易产生坠落物、施工占用场地小等特点。常用的施工
4、方法如满堂支架法、悬臂施工法、逐孔施工法等都不具备这些条件。顶推法施工具有施工费用较低、施工设备少、无噪声、不影响桥位处交通运行和工期短等优点1-6，综合考虑各方面因素，该桥采用顶推法施工。钢箱梁全长为等高度，基本分段长度为12m，全桥共分17个节段，钢箱梁在钢厂分节段预制，运至施工现场进行节段拼装，采用顶推施工方法跨越既有郑西高速铁路及包西上、下行联络线，最终落梁就位，全程累计顶推距离达230m。顶推施工示意如图3所示。 图1 连续钢箱梁与既有线相对位置 图2 钢箱梁典型断面 图3 钢箱梁顶推施工示意 2.1 拼装和顶推平台 联络左线特大桥采用在1620号墩搭设拼装和顶推平台，钢箱梁拼装和顶
5、推平台基础为条形扩大基础，每2个墩之间设置4个基础，每个基础上设置4根立柱，立柱之间用型钢连接。每个基础的尺寸为14.3m2m0.8m，扩大基础浇筑成一个整体，以保证支架在荷载的作用下沉降均匀，地基承载力不小于250kPa。立柱采用400mm200mm 8mm13mm的H型钢对抱，型钢竖直度偏差按0.1%进行控制，型钢纵、横向之间采用连接系焊接为一个整体。型钢与扩大基础之间采用预埋件焊接成一个整体。预埋件采用厚20mm的钢板和直径25mm的二级钢筋使用穿孔塞焊焊接而成。钢箱梁拼装和顶推平台共计128m，如图4所示。支架搭设完成后，在支架上压1.2倍的最大荷载，持续3天进行支架预压，在支架预压时
6、对基础的沉降及支架变形进行重点观测，确保支架基础沉降满足施工要求。 图4 支撑平台 2.2 导 梁 在钢箱梁顶推施工中，导梁安装在第一节箱梁前端，其作用为：1）减小钢箱梁顶推过程中前端悬臂状态的负弯矩；2）引导主梁上墩，便于主梁偏位纠正，保证施工精度。前导梁总长度为26m，总质量约80t，前导梁采用变高度工字梁，导梁和钢箱梁端部及导梁节段之间采用焊接。连接系采用400mm200mm8mm13mm的H型钢、矩形管350mm200mm8mm与两侧工字梁焊接而成，导梁构造如图5所示。 图5 导梁构造示意 2.3 滑道系统 滑道是保证钢箱梁顶推顺利实现的关键。滑道系统设在支座垫石上，整个滑道梁系统由滑
7、道梁装置、不锈钢板（四周围焊，打磨平整）、滑块和四氟滑板组成，如图6所示。滑块位于钢箱梁底部与滑道梁之间，滑块顶面与钢箱梁底之间为橡胶，滑块底部与滑道梁之间为四氟滑板，在顶推过程中，由于钢箱梁与滑块之间的摩擦系数（0.75）大于滑块与滑道梁之间的摩擦系数（0.04），在顶推力的作用下，钢箱梁带着滑块一起在滑道梁上向前滑动。滑道板在顶推过程中与出口刨成圆弧坡度，方便滑板的进入和滑出。 图6 滑道系统 2.4 纠偏系统 为保证钢箱梁在顶推过程中的就位精度，在钢箱梁横向设置纠偏系统，在滑道梁横向位置焊接托座，并在托座上设置水平千斤顶。在顶推过程中，在钢箱梁顶板中间位置设置轴线标志，采用全站仪实时监测
8、钢箱梁横向位置，若发现顶推过程中钢箱梁横向偏位，则立即联系顶推指挥人员横向进行纠偏工作，通过水平千斤顶将钢箱梁顶回横向既定位置，保证顶推施工的就位精度和安全（图7）。 图7 横向纠偏系统 2.5 顶推设备 钢箱梁的顶推设备是采用2台1000kN水平千斤顶与1台泵站并联，靠1台泵站同时控制2台千斤顶来保证千斤顶的同步性，并在千斤顶前加顶推杆进行顶推。在滑道梁上设置顶推反力座，并在滑道梁上每1.9m设一处反力钢板，与滑道梁采用焊接连接方式，通过千斤顶顶推托座达到顶推钢梁的目的。 3 顶推过程风险分析与控制措施 钢箱梁顶推施工过程中一旦发生风险事故，易造成人员伤亡且社会影响恶劣，因此在施工前必须对施
9、工过程中的潜在风险进行分析。不仅要保证钢箱梁顶推施工自身安全，还应避免施工对既有运营线产生不利的影响。在正式施工前应根据所采取的施工技术方案，识别并评估施工中可能出现的风险，对施工风险做出正确的评价和判断，并制定控制措施对施工风险进行主动控制，确保施工安全。通过施工风险分析并采取相应措施确保钢箱梁顶推施工的顺利完成及既有高铁线路的正常运营。 3.1 风险源辨识 钢箱梁桥跨越既有线顶推施工由于其存在的特殊施工难点，施工中的风险需要结合现场调查及施工方案进行风险源辨识。施工前，通过专家调查法对施工过程中潜在的风险源进行筛选，分类、分层次对所有施工过程中的主要潜在风险进行整理分类，如图8所示。 3.
10、2 钢箱梁风险 图8 钢箱梁顶推施工风险 由于钢箱梁自身及施工工艺的特性，施工过程中钢箱梁存在若干潜在风险：1）随着顶推的不断进行，悬臂段长度不断增长导致倾覆力矩增大，钢箱梁可能会产生纵向倾覆的危险，因此必须对所有相对危险的工况进行抗倾覆验算并采取锁定措施。计算表明，在前导梁即将到达23号墩时，结构的纵向倾覆稳定系数最小，为8.5，满足规范7要求。2）顶推过程中，如果一侧横向限位装置作用失效有可能导致钢梁横向偏移过大，应在顶推运行过程中实施横向纠偏。3）大悬臂工况下钢箱梁悬臂末端竖向支撑反力较大，钢箱梁部分板件可能发生局部屈曲。施工过程中应实时监测，密切注意钢梁关键位置的屈曲现象，一旦发现及时
11、采取加肋措施。4）钢箱梁顶推施工所用方法属于间断顶推，会产生“爬行”现象，使支架平台和桥墩受到反复冲击，施工过程中应不断调整墩顶滑道高程，最大限度地降低结构受冲击程度。5）落梁过程中，可能会出现某一墩顶支反力过大，致使钢箱梁局部屈曲。落梁前，根据施工设计应对支点断面进行加强；落梁时，要保证各墩千斤顶下落进度一致，施工人员要密切注意梁底变形情况。 3.3 既有线风险 钢箱梁跨越既有高铁线路顶推由于其施工的特殊性，必然会对运营线路产生影响，因此也存在若干潜在风险。1）钢梁施工过程中，杂物有可能会落入既有高铁线路上，造成严重后果。施工方应在钢梁进入既有高铁线路前在桥面两侧安装护栏，防止杂物滚落，并责
12、专人对桥面杂物进行清理。2）钢箱梁顶推施工中前导梁挠度过大，导梁前端距离接触线不满足要求的安全距离，会对既有高铁线路的正常运营产生影响。施工过程中必须实时监测导梁挠度，确保导梁前端处于安全距离。3）钢箱梁施工过程中可能无意间会产生列车运营指挥信号的效果，干扰既有线列车的正常运营。因此，施工前应对施工人员进行相关知识的普及，避免可能产生对设备使用的干扰。 3.4 设施风险 钢箱梁顶推施工所用设施种类多样，施工设施的安全是完成顶推的必备条件，因此必须对各类重要的施工设施进行风险分析。1）施工平台作为施工过程中最重要的临时结构，必须对最不利工况下支架的变形与整体稳定性进行验算，定时对地基沉降进行观测
13、。2）横向限位装置的突然失效可能使钢梁在顶推进行中产生较大的横向偏位。在顶推运行中密切关注各侧向限位装置，一旦失效应及时更换。3）滑道梁表面摩擦系数应满足顶推力设计要求，否则可能造成顶推困难。每阶段顶推运行前，应反复涂抹润滑剂。4）施工中2台千斤顶如未能做到同步，同样也会造成钢箱梁发生较大横向偏移。施工前需对顶推设备进行全方位检查，并进行23次试顶推，在确保设备运行正常后开始正式顶推。顶推运行过程中，必须有专人对千斤顶制动器进行控制，并实时汇报当前油压，顶推监控小组须实时对钢箱梁应变进行监测并汇报，顶推现场负责人随时掌控当前施工中各项信息并下达进一步施工指令。 3.5 其他风险 施工中由于不可
14、抗力及人为原因会产生一些难以控制的风险因素，这些风险同样可能会对施工造成严重后果，产生恶劣的社会影响，成为桥梁施工中不可忽视的一类施工风险。这就要求施工单位做好相关的风险预案并合理处理有关矛盾冲突，同时要求施工人员严格遵守相关施工章程，合理安排相关事宜，妥善处理施工突发状况。 4 顶推施工过程钢箱梁监测 4.1 顶推过程受力分析 根据顶推施工情况，采用MIDAS/CIVIL中梁单元建立钢箱梁和前、后导梁有限元模型，通过约束变换来实现顶推的模拟，计算不同工况下结构的变形和应力。 在前导梁即将达到23号墩时，22号墩顶钢箱梁底板局部承受较大反力，采用MIDAS/FEA建立钢箱梁24m节段模型，采用
15、壳单元模拟，将整体计算所得反力加载到钢箱梁底板相应位置，节段有限元模型如图9所示。 计算表明，在该工况下，墩顶处钢箱梁底板与腹板von Mises应力虽在容许范围内，但均已超过200MPa，横隔板在反力位置处出现应力集中情况，应力达到329MPa，如图10所示。因此，需要在钢箱梁该位置处设置加劲，防止发生局部屈曲。 图9 钢箱梁节段有限元模型 图10 钢箱梁局部von Mises应力 MPa 4.2 变形监测 变形监测包括平面线形监测（轴线偏位）和主梁高程监测。平面线形监测测点设置在每个顶推节段钢箱梁轴线中心处和梁端中心处，通过全站仪观测轴线偏移值，根据观测结果，及时对梁体轴线进行纠偏。主梁高
16、程测点每个断面共2个，设置在腹板处的顶板位置，便于观测箱梁横向变形和是否发生扭转变形，根据竖向变形监测数据分析得到其预拱度，与模型计算分析进行对比，判断其预拱度设置是否合理。主梁与导梁变形测点如图11所示。 图11 钢箱梁顶推施工变形测点 如图12所示为主梁与导梁前端高程测点在顶推过程中实测值与计算值的对比曲线。由图12可知，结构挠度实测值与计算值基本吻合，理论值与实测值存在一定偏差的原因主要是温度对钢箱梁挠度的影响。在顶推行程为77.2m时，也即前导梁在到达22号墩之前的最大悬臂为46.2m时，导梁、主梁的左、右高程有较大偏差，说明此时结构处于扭转状态，也可能由于钢箱梁出现横向偏位所致。实测
17、导梁前端最大挠度为218mm，与理论值接近8-9。 图12 高程实测值与计算值对比 顶推过程中结构变形在可控范围内，成功落梁就位，达到设计成桥线形。 4.3 应力监测 根据全桥顶推施工的有限元分析，得到导梁和主梁应力包络图，将应力较大的截面作为测试断面，全桥共8个测试断面。主梁每个测试截面布置8个应力测点，均为顺桥向布置，前导梁上共需12个应力测点，其中导梁顶板上布设6个应力测点，导梁末端底板上布设2个应力测点，导梁末端腹板上布设4个应力测点，应变测点布置如图13所示。 在顶推过程中，采集各截面测点不同工况下的应变，限于篇幅，这里仅给出导梁与主梁结合处断面3以及断面5的截面应力在整个顶推过程中
18、的应力变化曲线，如图14所示。由图14可知，计算值与实测值基本吻合，同一断面各测点应力大小有一定差异，且顶板、底板横向应力并不对称，造成这种差异的原因主要有：1）钢箱梁在顶推过程中发生横向偏位或者横向受力不均导致梁体发生扭转；2）钢箱梁受非线性温度场的影响。 图13 应变测点布置 图14 顶推过程中典型断面测点应力变化曲线 由图14可知：在顶推过程中实测最大拉应力为70.4MPa，位于断面5，最大压应力为113.4MPa，位于断面5。钢梁应力均未超过钢材的容许应力，结构安全。 5 结 语 1）跨越既有高速铁路施工由于其施工的特殊性及高风险性，为了减少对运营高铁的干扰，钢箱梁顶推施工方案被逐渐采
19、用。对跨越运营高铁的钢箱梁顶推施工的施工工艺与技术需进一步深入分析。 2）对于采用顶推施工的钢箱梁桥，在顶推过程中要重点监测钢箱梁底板及底板加劲肋易出现局部屈曲的位置。在设计阶段不仅要考虑成桥状态的结构安全也要考虑施工阶段的受力要求。 3）钢箱梁顶推施工风险分析是施工安全的重要环节，施工筹备阶段应对潜在的施工风险进行辨识，通过选择合理的施工方案，制定完善的施工组织设计可对施工风险进行有效规避。 参考文献： 1 刘召宁.大型钢箱梁高胎位总拼装暨步履式顶推施工技术J.钢结构，2013，28（11）：76-80. 2 刘建辉，王涛，吴清，等.超大跨度城市钢箱梁高架桥安装施工技术J.钢结构，2012，
20、27（4）：66-68. 3 金健，宋进军，王炳岩.桥梁架设中大型结构递进式柔性顶推技术J.钢结构，2012，27（5）：60-65. 4 董启军.连续钢箱梁顶推施工J.施工技术，2005，34（5）：20-22. 5 张晓东.桥梁顶推施工技术J.公路，2003（9）：45-51. 6 彭仕国.跨铁路钢箱梁顶推施工技术J.铁道标准设计，2009（7）：45-47. 7 TB 10002.2-2005 铁路桥梁钢结构设计规范S. 8 TB 10415-2003 铁路桥涵工程施工质量验收标准S. 9 TB 10002.1-2005 铁路桥涵设计基本规范S. RISK ANALYSIS OF JAC
21、KING CONSTRUCTION OF RAILWAY STEEL-BOX GIRDER BRIDGE FOR A RAILWAY CROSSING EXISTING HIGH-SPEED RAILWAY Wang Chunsheng Tang Youming Cui Wenke Liu Dongdong（Key Laboratory for Bridge and Tunnel Engineering of Shaanxi Province，Changan University，Xian ，China） ABSTRACT：The steel-box girder bridge for Dax
22、i passenger railway line is crossing above three existing railways，the jacking method was used to erect this bridge.The sections of steel-box girder were precast in steel mills，then the sections were transported to the construction site to be assembled.Whose construction risk was determined based on
23、 the engineering background through expert investigation method，and the corresponding control measures were also taken.In order to have a real time monitoring and ensure the safety of the construction，the finite element analysis was done for the whole process of the jacking construction and the defo
24、rmation and stress of the steel-box girder bridge were monitored.The achievements could provide some important references：for the jacking construction of similar steel-box girder bridges. KEY WORDS：steel-box girder；high-speed railway；jacking construction；risk analysis；construction monitoring DOI：10.13206/j.gjg *交通运输部应用基础研究项目（80）；中央高校基本科研业务费专项资金创新团队项目（2013G）。 第一作者：王春生，男，1972年出生，教授，博士生导师。 Email：wcs2000wcs 收稿日期：2015-01-16专心-专注-专业