包头黄河大桥顶推设计简介汇总

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包头黄河公路大桥顶推设计简介

一、桥址概况

本桥于包头东河区西南10公里的黄河上。该河段属平原区游荡型河流。具有河弯多、河床宽而而浅、比降平缓及河床摆动大的特点。有的河段经过多年淤淘，最后自然裁弯取直。桥位处北岸淘，主河槽有往北移的趋势。南岸淤，河滩宽而浅。

黄河水位及流量，一年内出现两次高峰。据记载27年内历史最大流量5,963m/s。一年内有两次凌期，3月下旬开冻后及11月封冻前。前者流冰严重，最大流冰体积可达

450×200×1.5m3，流速1.27m/s，常在急弯浅滩处形成冰坝，拥冰堵塞，造成凌害。为减少凌害，每年都需组织力量炸凌、防凌，迫使强行解冻。造成凌情严重的原因主要是此段黄河流向由南向北，上下游纬度差达5度之多。

本河段水流含沙量大，年平均3.87～8.85kg/m3，日最大含沙量可达62kg/m3。

包头属大陆性气候。年平均相对湿度52%。年平均降雨量322mm。风沙大，年平均最大风带1.8m/s，主要风向NE。年平均最高气温35.7℃，最低气温-26.9℃。土壤冻结深度1～1.75m。10月下旬开始冰冻，次年5月中旬全部解冻。

本区地震烈度为6-7度。

由地质钻孔可知，表层30～40深为第四纪黄河冲积层，离地面40～100m为第三纪湖相沉积层。经化验，地基土为硫酸盐盐渍化土。

除昭君坟河段有几百m长的片麻岩露头外，河底300m内无岩层。

二、桥位与桥型设计

(一)桥位比较及桥孔设计

桥位勘察时对三个桥位进行了比较。

其中昭君坟、镫口桥位因位置不适，接线长，线形差，拆房和占地多等缺点被否定。最后确定画匠营子桥位。该桥位有位置适宜，接线短，河床顺直，两岸地势较高，洪水可归槽等优点，缺点是河床地质较差，河底300m以内没有岩层。

设计流量按多年洪峰流量资料延长序列：Q1%=6,300 m3/s，Q0.33%=7,010 m3/s。桥高由通航水位和最高流冰水位控制设计。按1/300或1/100或然率所计桥高，桥孔尺寸基本相同，但前者计算基础埋深稍大。设计流量为7,010 m3/s。因桥位处地质差，不宜过分压缩，冲刷系数采用1.2。桥下所需过水面积2,500 m2。按流冰宣泄及五级通航要求，参照上下游河段已建成的桥梁，桥孔不宜小于60m，包头防汛指挥部要求70孔径。

本桥一般冲刷采用64-1式计算，h=15.2m。局部冲刷按65-1式计算，h=6.41m。

(二)桥型方案的选择

1973年曾对70mT构和65m悬拼连续梁方案进行过详细的比较。二者在建筑高度、养护、外观、施工难易及使用性能方面相差甚微。若每个墩基础均用8φ1.5m钻孔桩，T构所需桩长84m，连续梁所需桩长60m。比较全桥经济指标，连续梁方案少用混凝土4,980m3，少用钢材177吨。然而，基础的不均匀沉降将对连续梁产生附加应力。但经计算，在4cm的相对沉降影响下，连续梁支点弯矩增值不超过10%。当时推荐了连续梁方案。1975年因压缩基本建设，该桥停建。1978年工程再次上马。上级要求1979年10月开工，限期两年完成，在这紧

急情况下，设计重新考虑了桥型方案。包头地处严寒地区，一月份平均最低气温-26.9℃。在这样严寒的地区建桥，如何实现冬季施工，缩短工期以保建桥按时完成，是一个具体的问题。因此，为了实现严寒地区冬季施工，为了确保主梁制作的精度和质量，为了减轻劳动强度，为了避免悬拼所需的大型悬吊起重设备，为了摸索新工艺顶推法施工在我国大跨径桥梁上的运用，经研究确定：上部采用三联四孔预应力混凝土顶推连续方案。设计还考虑河槽变迁、五级航道通航的要求、冬春两季流冰宣泄的需要，跨径采用等跨65m。下部由冰压力控制设计，均采用重力式墩台，1～6号墩采用空心沉井，7～12号墩采用8φ1.5m的钻孔灌注桩。

为减小顶推过程中的主梁内力，主梁前端设20m长的钢桁导梁，每跨跨中设临时墩(见照片1)。在临时墩与永久墩之间设置水平拉索，使之与临时墩共同承受顶推时的水平推力。

三、主梁的设计与施工

(一)技术标准

跨径组合：3×(4×65)＋20m。全长810m。

桥面宽：净9＋2×1.5m。

设计荷载：汽车－20，挂车－100，人群：350kg/ m2。

桥面纵坡：0%，横坡1.5%，人行道0.8%。

设计流量：7010m2/s。

设计航道：5级，通航净空5m。

设计洪水频率：按百年一遇洪水设计，三百年一则验算基础。

设计抗震烈度：按8度设防。

两岸引线为III级技术标准，路基宽8.5m，路面宽7m。碴油路面。

(二)主梁构造及布束

主梁横断面采用抗扭刚度较大的单箱单室箱形断面。桥面不设三角垫层，车行道横坡由箱梁顶板自斜形成。箱梁混凝土标号除支点梁段为500号外，余均为400号。

横隔梁布置在每孔的支点及跨中，中支点处横隔梁厚1m，跨中为0.3m，端支点处为0.5m。为了方便内模拆卸，除端支点横隔梁与箱梁同时在顶推前制作外，其余均在顶推就位后完

成混凝土的浇注。为了确保顶推时箱梁的抗扭刚度，将中支点及跨中处之横隔梁分两次制作。顶推时将槽钢制作的人字撑连接在箱梁壁的预埋钢板上。待顶推就位后再布钢筋并浇注2/3横梁高的混凝土。

每联间设有钢梳形板伸缩缝，伸缩量12cm。支座采用可耐低温－35℃的900吨和340吨盆式橡胶组合支座。

钢束种类按受力需要及张拉次序分为先期束和后期束。先期束用于顶推阶段均为直束，采用墩头锚张拉。由于采用逐段预制，逐段顶推的方法，则钢束必须逐段接长张拉。顶板先期束为30束，底板束为20束，均系中心配束，基本上无二次力矩。所谓中心配束就是：先期束的重心与箱梁断面的重心重合。

当顶推就位后，一部分先期束应拆除，称临时束，一部分留下供使用阶段用，称永久束。后期束有直束和弯束之分。

每跨弯束的布置，跨中在下缘，接近支点在腹板内逐渐上弯，越过支点后逐渐下降，最后锚于邻跨的1/3跨径处。

弯束锚于箱梁腹板的加厚板上，直束布置在箱梁顶、底板上。最长的弯束为108m。施工中，只要管道不堵，穿束的困难就不大。钢束采用国产24丝φ5的高强钢丝，抗拉极限强度R ＝16,000kg/cm2。先期钢束采用墩头锚张拉，锚下控制应力为0.7R。先期钢束和后期弯束的管道形成采用锌铁皮，其余采用橡胶抽拔管。

(三)主梁预制及顶推

为加快进度，预制时采取先浇箱梁底板，后浇腹板、顶板的流水作业法。顺桥向，底、腹板模板的位置为错开一个梁段安置，其目的是：浇注第一梁段腹板、顶板的同时，就可浇渡次一梁段底板，以扩大作业面。原设计由两岸同时向跨中顶推的施工方案。预制场长度因考虑顶推时的平衡重，采用14a。预制箱梁段长除首尾段为7.975m外，余标准梁段为16.25m。梁段划分时，考虑了接缝与主梁主要受力断面错开，以利主梁受力。

每一联箱梁共分17梁段。由于采用了流水作业法，则底板钢束的张拉只有将次一梁段底板作为传力板。此时墩头锚的张拉螺杆必须加长一个梁段，施工采用φ5高强钢丝制成工具束重复使用。张拉时应满足底板传力所需的锚下局部应力的要求。

全桥12孔共分三联，分联顶推。第1、2联需要采用首尾导梁，第3联吸需首导梁。为拆除2、3联的前导梁，必在5、9号墩附近设置临时支撑。

镦头锚钢丝下料要求精度较高，本桥控制为L/3,000～L/5,000。而钢线伸长量却影响着钢丝的下料长度，因此伸长量的计算比弗氏锚抻长量的计算要复杂一些。本桥采用下列公式计算延伸量：

0.7σj[e-(μθ+KL计)-0.091] ×(L下-2δ)

△L= Eg

式中:σj——钢丝标准强度16,000kg/cm2

Eg——工地实测弹性模量2.04×106kg/cm2

L下——钢丝下料长度，按下式计：

L下= L计 +2δ

1+ 0.7σje-(μθ+KL计)-0.091]

δ——钢丝镦头所需长度0.9cm。

L计——钢丝计算长度，按下列两种情况进行计算：

1）当一端为锚板一端为连接器时：

L计 = （L+4.5）cm

2）当两端为连接器时：

L计 = （L-14）cm

μ、θ、K等参数的意义见“预规”第5.2条。

注：1）式中0.091常数为考虑张拉时的初应力损失（1,019.2kg/ cm2

2）伸长量的计算与实侧的允许误差为：

当钢束长＜25m时为±5%△L计；当钢束长≥25m时为≥±7%△L计；

3）张拉时，实测伸长值与计算值之差均在允许误差范围。

(四)顶推设计中的点滴体会

1.关于弯束的设计：弯束产生的二次力矩较小，并有利于改善支座附近的主拉应力。相对于直束，线型更为合理。所谓预加力产生的二次力矩，是指连续梁为超静定梁式结构，若把预加力当作外力，当外力作用于梁上后，在支点约束处要产生赘余力矩，此赘余力矩就是二次力。设计曾用力法比较了拆除临时墩前、后，因预加力产生的二次力矩：a)二次力矩与初力矩的符号相反；b)拆临时墩前，张拉全部后期束所产生的二次力矩比拆除临时墩后，张拉后期束所产生的二次力矩要大；c)二次力矩的大小与钢束布置的位置有关，从理论上，总是可以寻求一种钢束的线型，使二次力矩为零，这样的钢束布置，国外叫做“无约制”线型钢束。国外顶推连续梁一般都设置弯束。本桥是国内顶推连续梁第一次采用弯束的尝试。笔者认为：从改善受力，以利布束及方便施工，可将束分段切短。弯束在腹板中应尽量靠边布置，以利混凝土浇注。

2.关于估束公式的采用：本桥采用弹性理论公式估计钢束的数量：

钢束产生之抗力矩：M抗=T×(e上+K下)=n×f. ×σn(e上+K下)

注：混凝土压力中心位置可按需要确定。

n =

(K+e)faσn

式中：M——顶推过程中断面产生的最大弯矩。

K——截面核心距。求顶板钢束时用K上，反之用K下。

e——钢束重心至断面中性轴的距离，求顶板钢束时用e上，反之用e下。

F——箱梁计算截面的毛面积。

fa——一束钢（24丝φ5高强钢丝的面积，4.7cm2；

σn——可近似采用0.55σj=8，800kg/ cm2；

上式实际上把预应力梁当着钢筋混凝土梁一样考虑，由钢筋承担拉力，混凝土承担压

力，拉、压内力偶组成一个抗力矩与外荷产生的力矩平衡而得。就横断面而言，由于未考虑相反方向预加力的作用，公式似乎比较粗略，但因公式推导的出发点是截面最外边缘应力为零及的取用亦偏安全。从工程实用的观点，此公式概念明确，计算简便，由实际使用可知，公式是可行的。

3.关于顶推过程中不均匀沉降的计算：当顶推跨径较大且设有临时墩时，该项计算万不可忽视。因为不均匀沉降对主梁内力的影响与跨径平方成反比，由下列求支点弯矩的公式可以说明：

M = KEI△L2

式中： K——由主梁支承条件而定的系数。

EI——主梁抗弯刚度。

L——顶推跨径。

因顶推时设有临时墩，使跨径l比使用阶段减少一半，当沉降很小时，也会产生很大的弯矩。本桥考虑临时墩土基的压密及顶推过程中起顶的需要，不均匀沉降量按1.2cm计，由此而增加的纵向弯矩达2,856吨一m。因此，原设计顶推先期钢束数量，顶板由20束增改为30束，底板由14束增改为20束。

4.关于箱形断面的抗扭刚度问题：众所周知，箱形断面的抗扭刚度相对于开口形断面而言是很大的，加之外形简洁，目前国内外桥梁常选用它。当工字形截面与箱形截面在截面尺寸及惯矩完全相同时，若外荷不偏心，则二者抗弯能力完全相同，但当偏心受截时，二者的抗扭能力就相差悬殊了。其主要原因是：箱形截面为闭合截面，其抗扭惯矩大，从下列求算抗扭惯矩的公式可知：

当为闭合圆环时

Jd 闭=2πr3δ

当为开口圆环时

Jd 开=2

πrδ 3

若 r=100cm，圆环厚δ=10cm，则二者抗扭惯矩之比：300。π

本桥箱梁在顶推施工中，虽然滑道高差超出容许值，箱梁底板不平（标高差达4.4mm），除个别区段外，箱梁断面受力尚好，说明箱形截面是适应顶推的一种比较好的截面形式。

5.关于顶推时箱梁扭转的计算：本桥未计顶推时箱梁的扭转，仅在使用阶段将纵向弯曲内力乘以大于1的增大系数：汽车乘1.1；挂车乘1.15。从顶推施工的初中看，此系数对于顶推连续梁主梁来说嫌太粗略，且“增大系数”仅考虑于使用阶段的纵向弯曲。事实上，扭转对梁产生的变形和受力是较复杂的，在有的部位可能主要产生钢性转动，即周边不发生变形的扭转；在有的部位则可能主要产生截面歪扭，即截面周边发生变形，亦称畸变。

刚性转动又根据顶、底、腹板的约束情况可产生自由扭转或约束扭转。当腹板较薄和横隔梁间距较大时，则截面歪扭的变形就不能忽视。据有关资料介绍，跨径为30m简支梁，无中横隔梁，当腹板厚与梁高之比为0.1时，因歪扭产生的纵向翘曲正应力可达总正应力的24～26%。从本桥三联箱梁顶推施工的实践及同类型桥的施工情况来看，在导梁与箱梁交接处，产生了歪扭变形裂缝。本桥腹板厚与梁高之比约为0.1，基本上属薄壁杆件。

因此，设计应该考虑在端部增设抗扭的纵向筋和环形箍筋或者垂直于裂缝方向的斜筋；预埋在箱梁内的导梁上、下节点板可用型钢或钢筋上、下焊边，以增大主梁端部的刚度。

6.关于锚下局部应力的计算：本桥采用交通部公路规划设计院编写的专用程序进行电算。对各个平面分别采用平面应力的有限单元法分析，在各个平面的连接点上建立协调条件，以反映实际结构的空间作用。电算锚下最大压力为：150.3kg/cm2。此外，设计引用1978年“公预规”公式进行了手算复核，对“规范”第4.11条、4.12条中参数β、A、Ac 的计算进行了分析。笔者认为：当锚垫板为方形且强度与钢度满足受力要求时，锚下局部应力按图示2计算比较合理。

实际上锚下局部受力是相当复杂的，锚头处不仅有混凝土的弹性，而且还有混凝土的塑性。目前国内外都遵循一个设计原则：在符合安全的条件下，尽量采用较高的承压应力，一般比容许的应力要增加许多，这是从经济的角度考虑的。否则，锚具造价将大大增加。从受力上看，锚下螺旋筋起着紧箍强化的作用。且锚固处最高应力是在预应力传递的一瞬间，以后的预应力只会越来越小，而混凝土强度却越来越高，此后，应力不会出现超载和疲劳的危险。从预加力使用的情况看，钢束张拉吨位将朝着增大的方向发展。在实际使用中，只要构造上采取妥善措施，按一定的操作规程施工，钢束的锚固、张拉是可以达到安全、经济的。

7.关于箱梁底板的验算：由于先制作箱梁底板，后制作腹、顶板的顺序，因此设计对预制场内的底板做了纵、横方向的验算。在纵方向，将底板作为一个开口扁平横断面的短跨连续梁，顶推时，底板必须布置8－φ25的钢筋。

底板除承受自重外，还需承受心模平台滑车及心模的重量，当底板顶推一个梁段后、立侧模、浇腹板和顶板混凝土，均需对底板进行验算。在横方向，将底板视为简支板计算。

8.关于先期钢束张拉程序的修改：原设计为浇注一个梁段，钢束就张拉一次接长一次。为了减少连接器槽口的数量以改善箱梁受力，将先期钢束改为甲、乙两组先后张拉。若甲组钢束穿过1、2梁段并在第2梁段并在第3梁段的尾部张拉、锚固，则乙组钢束穿过2、3梁段并在第3梁段的尾部张拉、锚固。此修改除改善箱梁受力外，还节省了一系列的穿束、镦头、张拉、锚固的工序；节省了镦头锚连接器系统及锚具所需材料。

9.关于设计有待进一步改进的地方：

1)临时束与永久束搭接的修改：原设计征求施工单位张拉工人的意见，将临时束与永久束的连接采用搭接的形式。经本桥实践，此搭接可改为对接。这不仅可以减少钢束的搭接长度，还可以增大钢束间距和减少槽口的数量，以利混凝土的浇注。

2)镦头锚连接的修改：原设计钢束间连接采用接长器用螺丝连接。经过本桥的施工实践笔者认为：此种连接，施工麻烦，加工精度要求高，今后可改为销接。

3)张拉吨位的修改：原设计钢束张拉吨位较小，今后可考虑增大吨位，这既可方便施工又给布束带来方便。

4)永久墩上滑道的修改：滑道设计可考虑在永久支座上形成，支座作为滑道的组成部分。其余部分可用型钢作成装配式支架。当梁顶推就位，后，顶起主梁，取下不锈钢板及滑块、支架等即可落梁。

5)临时束的修改：顶推中采用的先期束可改为体外束，这既可方便张拉又可方便拆卸，减少管道形成等工序。

6)箱梁制作的修改：本设计将箱梁分两次浇注。今后可考虑不拖底板的施工方法，这将避免工具索传力板的张拉（工具索张拉的办法相当麻烦）。底板和腹、顶板仍可分两次浇，但底板高度宜提高50～100cm，这将有利于腹板混凝土的浇注。为适应我国目前施工的实际，腹板可改为竖直，当然断面的抗扭刚度将略减小，且增大一些桥墩的尺寸。

7)根据国内顶推连续梁桥的实践，一联箱梁的跨径数可增加，如六孔一联，八孔一联均可，尽量避免采用尾导梁。

四、顶推连续梁的使用及发展

自七十年代以来，此种桥型在我国相继有五个省修建。1974～1977年甘肃狄家河大桥首次采用了顶推法施工；1977年～1978年广东万江桥又相继建成；1978年～1980年湖南沩水桥又第一次成功地采用了多点顶推；1978年～1982年贵州卧龙桥亦采用双点顶推。其它将要竣工的有：广西柳州二桥，广东中堂大桥，贵州六圭河桥。

顶推施工是一项机械化程度要求高，施工工艺和技术管理要求较严的新技术，在一定条件下，具有综合性的经济效果；我国引进后，要充分发挥其优越性和得到应有的经济效果还有不少差距。例如：顶推的一大特点是下部、上部可以进行平行作业，即在安排下部施工的同时就应着手上部的顶推准备，待墩、台施工妥后即可进行顶推。可是，在我国不少顶推桥都是下部工程全部完工后才着手预制场的设计和施工，加之导梁因陋就简，使用不便，工期衔接安排不善，再加上工艺不熟悉等，这都给顶推连续梁的广泛采用带来了不利。但根据调查和本桥施工的实践，笔者认为：顶推施工法是一种有效的建桥方法。特别在山区，在建桥时要求桥下维持通航、通车的地方；在严寒地区，因工期紧迫要求冬季施工的桥梁。当设计跨径在30～50m的范围内，顶推连续梁的综合经济效果，在一定条件下是其它桥型所不能比拟的。

我国幅员辽阔，现场施工条件、地形地貌复杂，需要有多种施工工艺与其适应。应该肯定，顶推施工法的引进，为我国桥梁设计和施工带来了更多的选择和方便。

根据本桥建桥的实践，我们体会顶推施工有以下特点：

1)所需施工设备少，占用场地少，适用开山区、城市；不需特别大型吊装机械，避免了大量机械的远程运输及现场装卸。

2)施工安全，劳动强度低，工人劳动条件大大改善。

3)架桥的机械化和自控程度较高，顶推工艺本身比较容易掌握。

4)建桥中可以实现桥下维持船舶通航或车辆通行。

5)在北方气候严寒的地区，可以实现冬季施工，以缩短施工周期。在30～50m最佳顶推跨径范围内，它可以降低造价。

当然，顶推法施工，要求墩台施工精度高，目前预应力钢束吨位小，工艺较复杂等缺点。某些工艺还不为施工所熟悉，且工艺本身要求自控、机械化程度较高，因此，要求用科学的办法进行管理。根据我国目前科学技术水平，只要设计、施工认真对待，顶推法施工是有一定发展前途的。

本桥的修建，在进入正常施工以后，工序一环紧扣一环，十天生产一个梁段的周期得到保证，有的梁仅用一个星期就可完成。广西柳州二桥的顶推施工也进展得非常顺利，工人同志对顶推施工在预制场进行，不被风吹雨打和日晒的劳动条件很满意。继本桥修建，为节省人力和投资，为实现全年施工，缩短工期，内蒙将在喇嘛弯再行修建一座与本桥相

同跨径和梁高的六孔一联的顶推连续梁。大部分设备利用包头桥的，这说明顶推施工法是有一定生命力的。

由于顶推架桥所需设备较少，所需人力也少，若对外承包采用此种桥型，具有机动灵活、施工队伍短小精干等特点，是进入国际市场对外承包的一种有效手段。