王祺1，袁天驷1，聂方基1
上海隧道工程有限公司，上海 200127
摘要：龙东大道浦东运河桥钢桁架单幅长度120米，采用尾部拼装，整体顶推施工工艺，采用钢管焊接施工临时支架结构，钢管下部设置扩大基础，加强区域设置钢管桩基础。钢桁架在施工过程中对支架产生复杂荷载作用，通过密切监测钢桁架支架沉降，分析在组合荷载作用下支架及基础稳定性。探讨如何在不同荷载作用下，如何设置支架体系、加固基础薄弱区域，避免支架出现失稳风险。
关键词：钢桁架；顶推；组合荷载；支架；沉降；监测；稳定性
Stability analysis of braced structure under combined jacking load
Qi Wang1,Tiansi Yuan1，Peinan Li2，Xue Liu2，Fangji Nie
(1. Shanghai Tunnel Engineering Co., Ltd, Shanghai 200127，P. R. China，2. Donghua University，Shanghai 201620)
Abstract：This paper is based on the steel truss and its brackets of Pudong Canal Bridge on Longdong Avenue. The steel truss has a single length of 120m, with tail assembly and overall jacking construction process, the lower part adopts bracket structure, the ground adopts expanded foundation and the river adopts steel pipe pile foundation. The steel truss generates complex loading effect on the bracket during the construction process. By closely monitoring the settlement of steel truss bracket, the stability of bracket and foundation under the combined loading is analyzed. To discuss how to set up the bracket system and reinforce the weak area of foundation under different loads to avoid the risk of instability of bracket.
Key words：Steel truss ; jacking ; combined load ; bracing ; settlement ; monitoring ; stability
1. 引言
龙东大道浦东运河桥为单跨120米双层钢桁架梁桥，顶推过程中单幅最大重量2840T，采用尾部拼装，整体顶推施工工艺，每拼装完成一段即进行一次顶推[1]，拼装区域固定在钢桁架尾部，有效加强安全与质量管控效果。顶推过程在支架上进行，支架高度6米，在运河东西两侧布置，中间保留30米航道用于运河通航，西侧支架长度48.9米，东侧支架105米。
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2. 水文地质
上海濒临海洋，位于长江三角洲入海口东南前缘，成陆较晚，除西、南路有零星剥蚀残丘外，均为坦荡的平原地形，本工程沿线地形起伏不大，现状道路的标高一般在4.17~5.59m。根据场地地形图和现场勘探，桁架梁与浦东运河交叉，浦东运河为Ⅶ级航道，通航要求为通航≥27米宽度，现状龙东大道交通繁忙，道路及两侧绿化下分布有大量地下管线，包括给水管、燃气干管、电力排管、雨污水管通讯管等。
浦东运河两侧主要由填土、粉（砂）性土、淤泥质土、黏性土组成，运河中主要由淤泥、粉（砂）性土、淤泥质土、黏性土组成。其中填土成分复杂，部分为老桥回填土新桥承台施工完成后的回填土，对基础沉降影响较大。护岸附近涉及到的地层主要有杂填土、素填土、粉质黏土、淤泥质黏土、粘质粉土等，同时相关权属单位要求护岸两侧5m范围内禁止堆载，因此采用钢管桩基础，护岸两侧浅层土对支架影响较小。
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图3工程地质剖面图
3. 顶推施工方案
本工程采用拖拉工艺进行，现场拼装场地设置在浦东运河东侧、钢梁拼装由西往东依次进行，钢绗架梁共分5个循环进行拼装拖拉。桁架端部上对岸轨道时，使用2部500吨千斤顶配合下部重物移送器，将桁架悬挑造成的下挠顶升后再向前拖拉。最终完成桁架就位、落梁。
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图4分五次拖拉完成
①钢桁架采用工厂分块预制，现场组拼的施工工艺，构件在支架上拼装焊接，通过BIM模拟施工过程，提前查找施工质量、安全风险点，制定应对措施[2]；
②钢桁架运至施工现场后首先在地面胎架进行预拼装，确定各焊缝宽度，随后采用450T履带吊将构件吊装至支架尾部拼装区域，在构件焊接结束后松钩，进行下一构件的吊装；
③采用拖拉法顶推，每节钢桁架主体框架拼装完成后，以2台100吨液压穿心千斤顶作为动力，采用2×9根15.24mm钢绞线牵引钢桁架，平均行进速度20cm/min；
④钢桁架节点与轨道梁间设置有400吨重物移运器，滑动摩阻力≤0.04，滚动摩阻力≤0.03，摩阻力约为聚四氟乙烯滑板的2/3；重物移运器两侧设置有限位装置，当钢桁架出现偏位时，能起到限制钢桁架横向偏移的作用，配合穿心千斤顶可以实现钢桁架的横向限位与纠偏；
⑤重物移运器与钢桁架间设置有调平箱体，用于调整钢桁架预拱度，计算支架拆除后钢桁架的下挠，根据预拱度与下挠加工调平箱体；
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图 53钢桁架与重物移运器间钢垫块
⑥施工期间需要确保浦东运河航道，在第四节顶推完成后，钢桁架前端处于悬挑状态，第五节拼装完成后钢桁架需顶推至对岸，在对岸轨道梁设置1.1%坡度，钢桁架前端最大挠度计算为47.2mm，在穿心千斤顶的牵引力下钢桁架“爬”上对岸支架。
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图6钢桁架头部锚头
⑦支架相比主墩高超过1米，钢桁架顶推到位后，在两侧主墩上各设置6台500T液压千斤顶，12台千斤顶同时顶升，将3000T钢桁架顶起，拆除下部支架，随后采用3台为一组，循环下放，实现钢桁架的落梁。
4. 支架稳定性试验
4.1 支架结构设计
支架主要用于承载钢桁梁分布的重力、顶推过程中产生的沿钢桁架方向的水平力、可能存在的横向抵抗力、钢桁架振动荷载、拼装区域人员及设备重力、吊装期间产生的其他作用力等。
根据环境要求，支架分为加强段与标准段，标准段支架由上到下分别为重物移运器、轨道梁、钢管支架、路基箱、砼扩大基础；加强支架由上到下分别为重物移运器、加强型轨道梁、跨梁、钢管桩基础，根据放样，设置1.8米加强型轨道梁横跨钢管桩基础，跨度为7米；
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4.2 支架应力影响分析
根据midas civil模型分析，得出以下结论：
（1）基于结构安全性的指标
钢桁梁受力水平整体可控，即使不均匀沉降20mm最大应力仅77.2MPa，Q345安全性指标上限为270MPa，安全富余系数3.45，即许可不均匀挠度差可达到69mm。
（2）基于轨道梁安全性的指标
轨道梁可能产生受力集中现象，不均匀沉降20mm时的应力区间为242.7~ 322.2MPa，Q235安全性指标上限为190MPa，不满足局部应力安全要求，许可不均匀挠度差控制在11.8~15.6mm时轨道梁的安全性可以得到保障。在5mm控制标准下，应力最大80.6MPa，有较好的安全富余度。
（3）基于支撑体系稳定性的指标
虽然钢管撑承受了2~3倍的设计支反力，但钢管撑应力指标仍然满足受力要求，即使不均匀沉降20mm应力仅50.6~112.7MPa，安全富余度较高；计算基础应力在158~231kPa之间，基本满足基础承载要求，接近控制峰值。
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图11综合标准示意图
综合如上标准，见图11所示，在不利工况局部沉降为计算模型情况下，以11.8mm做为控制上限，实际控制时，进一步提高安全系数，选用相邻支架不均匀沉降不大于5mm作为控制标准，且按照最大变形不超过20mm的标准开展控制。
4.3 支架受力沉降分析
对可能产生的沉降量进行分析，采用midas计算标准组合下各工况的反力分布情况，以第一节拼装完成为工况一、第一节顶推中为工况二、第一节顶推完成为工况三，以此类推，第五节钢桁架拼装完成为工况十三、全部顶推完成为工况十四。
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图12工况-压力图
根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）计算如上反力对应的沉降量，基本上分布在10~40mm之间，大多数沉降位于20mm左右，见下图所示，对于一般工程而言，沉降量偏大，具有较高风险，需要开展相应的控制[5]。
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图13工况-沉降图
顶升牛腿设置在每排横梁与轨道梁交叉位置处，使用预留顶升牛腿对轨道梁进行顶升抄平处理。待抄平垫铁安装完成，挠度修复后继续进行钢桁架顶推。
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4.4 观测点布置
在钢桁架支架顶部、接近轨道梁位置贴反光贴片，对顶推期间支架沉降进行观测。沉降观测点如下图所示：
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图16观测点示意图
采用二等水准的精度要求将基准点联测并引至现场的工作基点，工作基点的位置选择要综合现场测点位置及全站仪设站的需求而定。各监测点高程初始值在施工前测定（至少测量2次取平均）。某监测点本次高程减前次高程的差值为本次沉降量，本次高程减初始高程的差值为累计沉降量[5]。每次测量时尽量保证人员、仪器、线路、视距不变，避开不利观测时段，获取准确可靠的测量成果。
在顶推准备过程中进行初始值测量，顶推中采取动态测量，顶推结束后进行终值测量；顶推中仅向顶推人员反馈沉降超限支架位置，施工人员根据反馈信息采用钢垫板抄平轨道梁，顶推结束后对测量数据进行整理。
4.5 支架沉降修复
监测资料表明，监测点均有不同程度的沉降变形，1~12#支架最大沉降变形在18mm内。13~18#支架最大沉降变形在16mm内，均未超过20mm的最大变形值。其中，1~12#支架经历两次调整：
（1）ZJ5与ZJ6在第6~9工况期间，累计沉降达到16mm，与20mm限制值较为接近，ZJ5与ZJ6的沉降变形差最大达到4.5mm，在第10工况前进行了主动补偿，顶升量按10mm控制，顶升后累计沉降在6mm左右，沉降差接近0，补偿后受力状态较好。
（2）ZJ6与ZJ7在第15~17工况期间，累计沉降达到17mm，与20mm限制值较为接近，ZJ6与ZJ7的沉降变形差最大达到4.6mm，在第18工况前进行了主动补偿，ZJ6顶升量按5mm控制，ZJ7顶升量按10mm控制，顶升后累计沉降在6mm左右，沉降差接近0。
采用主动补偿方法，避免了沉降差以及累计沉降过大的问题，保障了顶推过程中的应力安全。
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4.6 支架变形分析
监测资料表明，支架在顶推过程中除受到垂直力外，同时也承受水平向力，ZJ2-1支架水平方向扭动如下图所示（正值向北，负值向南）：
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图21ZJ2-1水平支架位移
扭动在支架尾部明显，在ZJ2-1支架处处于最大值，顶推过程中，最大时产生了5mm扭动，水平力主要由横向纠偏及横向限位装置产生，在本次顶推过程中，水平力对支架结构的稳定影响较小，如果钢桁架横向偏位过大或者横向纠偏过程中单侧应力集中，同样存在支架倾覆风险。
5. 结语
该文依托龙东大道浦东运河桥顶推，通过对支架受力分析模拟、支架受力监测及补偿对比，得出结论：
①钢桁架作为骨架结构，相较钢筋混凝土结构，其自重对支架的影响相对较小，但在顶推过程中产生的复杂荷载对支架的稳定性产生了较大影响，直接效果为支架沉降与支架扭动，需要对支架的异常状态进行调整，以确保支架结构的稳定性。
②结合工程背景，该文提出了支架沉降补偿方案，并加以应用，整体效果良好。
③目前顶推支架多为根据经验进行设计，设计完成后再进行受力模拟分析，本次监测数据及研究成果，为后续顶推支架施工提供了重要的受力模型，具有较高的参考和借鉴意义。
参考文献：
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