基于改進設備的鋼桁梁頂推施工線形及應力控制

陳旭勇， 李建強， 楊宏印， 張 偉， 湯 杰

(1. 武漢工程大學 資源與土木工程學院， 湖北 武漢 430073；2. 中國市政工程中南設計研究總院有限公司， 湖北 武漢 430010)

步履式頂推法[1,2]是近幾年發(fā)展起來的一種新型頂推施工方法，在我國首次應用于昆明南連接線高速公路跨鐵路線橋梁。通過逐步優(yōu)化與改進牽引頂推、契進頂推研究出步履式頂推。該方法通過液壓泵站對施工中易控制與調(diào)整結(jié)構(gòu)偏位的頂推設備[3]驅(qū)動來實現(xiàn)頂推。隨著頂推能力與精度的提高，普遍應用于拱橋、連續(xù)箱梁橋、組合結(jié)構(gòu)橋梁[4～6]等。因鋼桁梁結(jié)構(gòu)頂推施工一般僅能在節(jié)點附近支撐和頂升，所需行程較大，而傳統(tǒng)步履式頂推法行程較小，因而應用還較少。

本工程通過改進傳統(tǒng)步履式頂推法，即通過增加鋼框架結(jié)構(gòu)結(jié)合節(jié)點自適應改進技術(shù)有效解決了傳統(tǒng)步履式頂推行程小的問題。因本工程為大跨度橋梁，頂推設備[7]在頂推控制每一行程向前頂推13.4 m，每次推進300 mm，分次推進以便及時調(diào)整鋼桁梁線形。通過施工工況調(diào)整臨時支座與千斤頂位置，以保證鋼桁梁受力合理與安全。改進的步履式頂推法吸取了傳統(tǒng)頂推施工的優(yōu)點，但施工過程中仍存在許多影響橋梁線形與應力[8～11]的因素，分析并控制這些影響因素不僅能保證工程安全與質(zhì)量，也能對改進頂推法的效果進行有效評估和預測。

1 工程概況

1.1 結(jié)構(gòu)形式

本工程鋼桁梁位于深茂鐵路線陽江市內(nèi)，跨越漠陽江航線。本橋為大跨度雙線上下平行等腰三角桁架簡支鋼桁梁橋，全橋長136.6 m，立面如圖1所示。

圖1 大橋整體立面圖/mm

主桁編號1～10桿件斷面均為箱形；主桁編號11～15桿件斷面為箱形或H形；上平面縱向聯(lián)系與橫聯(lián)截面均為工字鋼形。箱形斷面桿件與A，E節(jié)點整體拼接，H形截面桿件與A，E節(jié)點對拼式連結(jié)，最后用高強M30螺栓將桿件與對應節(jié)點固定。鋼桁梁橋面分為橫梁、縱梁、縱肋、橋面板。橋面板不間斷布置，橫向按設計分節(jié)段焊接連接，縱向與編號1～5桿件伸出肢焊接固定。

1.2 改進設備的小循環(huán)頂推法施工

改進的頂推設備是在頂推設備上面增加上層支撐框架， 由縱向與橫向鋼板“井”字布置以增大鋼桁梁與頂推設備接觸以分散應力，同時為外部增加載荷轉(zhuǎn)換裝置提供作業(yè)空間，使頂推設備可以隨著鋼桁梁的節(jié)點自動跟隨行走，以每0.3 m一個停頓行程，整體調(diào)整頂推系統(tǒng)，保證鋼桁梁穩(wěn)定前進，每完成一個節(jié)間13.4 m頂推施工后即自動返回至下一節(jié)點，然后進行整體鋼桁梁偏差調(diào)整，保證其線形，通過如此周而復始地小循環(huán)運動來實現(xiàn)鋼桁梁步履式頂推施工。其改進頂推設備與上層支撐框架如圖2，3所示。通過有限元分析計算，上層框架最大應力出現(xiàn)在近支座的腹板位置，最大值191.1 MPa小于規(guī)范要求的235 MPa，上層框架的豎直方向最大位移為0.96 mm，滿足規(guī)范要求。

圖2 改進頂推設備

圖3 上層支撐框架平面

在頂推施工前保證各頂推系統(tǒng)水平并控制好各頂推設備標高；在頂推過程中通過油壓表讀數(shù)反算摩擦力，控制鋼桁梁支撐力；利用千斤頂與臨時支座調(diào)整鋼桁梁結(jié)構(gòu)受力；改進頂推設備能實時調(diào)整并減小梁體線形誤差；在鋼桁梁落位前采用小行程點動頂推，以便快速糾偏，確保精準落位。通過這些措施保證鋼桁梁成橋后符合設計的線形要求與應力狀態(tài)。

2 線形控制

影響成橋線形因數(shù)諸多，對比傳統(tǒng)導梁步履式頂推施工，小循環(huán)節(jié)點自適應頂推技術(shù)能有效減掉導梁安裝與施工作業(yè)，同時避免導梁對鋼桁梁線形與應力的影響，結(jié)合施工現(xiàn)場條件主要從桿件尺寸、預拱度設置、拼裝、測量四個主要方面進行分析和控制。

2.1 桿件尺寸控制

鋼桁梁桿件經(jīng)標準化預制然后現(xiàn)場精準拼裝。在工廠預制的桿件相對施工現(xiàn)場制造誤差小很多，但各因素制造誤差是不能完全消除的。桿件進場前應嚴格按照設計要求去把控桿件質(zhì)量；桿件進場時應詳細檢查核對桿件相關(guān)技術(shù)資料和構(gòu)件本身，對有缺陷的桿件一律不予驗收，保證所有施工桿件尺寸均在圖紙及規(guī)范要求的偏差允許范圍之內(nèi)。桿件長度是桿件尺寸控制的主要因素。由橋梁相關(guān)規(guī)范可知，桿件長度尺寸偏差允許值為5 mm，選取部分設計數(shù)據(jù)與現(xiàn)場桿件進場驗收數(shù)據(jù)對比分析，如圖4所示。

由圖4可知：桿件長度偏差最大值5 mm，最小值1 mm，均在誤差范圍之內(nèi)，能滿足施工要求。嚴格控制桿件尺寸偏差是保證工程順利施工與成橋線形符合設計要求的第一步。

2.2 預拱度控制

預拱度是鋼桁梁線形主要考慮因素之一。本文以鋼桁梁橋在M橫+1/2M活作用下的撓度為設計值(M橫為結(jié)構(gòu)自重和二期恒載；M活為汽車活載)，根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗與考慮施工影響設置廠制預拱度，反算出落梁后預拱度，以確保施工完成后整體線形。各預拱度值如圖5所示。

圖5 預拱度設計值

鋼桁梁主桁通過廠制伸縮上弦桿來設置預拱度。拼裝過程中利用轉(zhuǎn)化高程坐標法檢驗預拱度值，當預拱度偏差值較大時，結(jié)合施工現(xiàn)場靈活運用適當調(diào)整接縫尺寸和升降溫法來調(diào)小偏差使其符合設計與規(guī)范要求。各實測預拱度偏差值如圖6所示(E0-E1稱為桿件1，依次稱為桿件2，3，…)。

圖6 預拱度偏差值

從圖6分析可知：各預拱度偏差最大值為6 mm，最小值為0.5 mm，整體偏差值均控制在誤差允許范圍之內(nèi)，表明預拱度設置控制良好。因鋼桁梁預拱度影響因數(shù)諸多，需通過優(yōu)化設置方法、減小桿件制造誤差及提高施工精度等措施來整體控制預拱度，保證鋼桁梁成橋后線形。

2.3 拼裝控制

鋼桁梁桿件采用懸吊拼裝法，利用機械與人工相協(xié)調(diào)扶正桿件，然后用節(jié)點板連接桿件，最后用高強度螺栓連接固定。桿件拼裝施工前，根據(jù)圖紙確認拼裝步驟和標明各桿件依次拼裝次序，然后在桿件上標明連接螺栓區(qū)域、桿件起吊位置及拼裝方向。拼裝嚴格按設計相關(guān)要求，有條不紊施工。

本工程鋼桁梁跨度大(134 m)，桿件多次拼裝，多次節(jié)點連接。為控制拼裝質(zhì)量，在拼接初次固定前嚴格檢查拼裝桿件的各部分尺寸、軸線、高程及位置等是否符合施工圖設計要求，確認無誤后再進行最終固定。在拼裝中通過相關(guān)儀器控制整個拼裝過程，做到偏差早發(fā)現(xiàn)、快糾正以滿足施工拼裝質(zhì)量要求。拼裝固定分兩次，初擰技術(shù)人員檢驗合格后，再由專業(yè)質(zhì)量檢查人員驗收合格后才能進行終擰。通過這些控制措施本橋拼裝誤差總體控制較好，達到了施工設計與質(zhì)量要求，可為今后相關(guān)橋梁拼裝施工提供借鑒與指導。

2.4 測量控制

測量是影響鋼桁梁質(zhì)量與進度并連接整個施工工序的關(guān)鍵工序之一。本工程為大跨度鋼桁梁橋，10次節(jié)段拼裝，11次設備來回頂推，同時工程質(zhì)量要求高，測量至關(guān)重要，因此在測量工作開始之前制定多套詳細合理的測量方案，這是測量控制的第一步。

橋墩高程控制是鋼桁梁落位后保證整個橋梁線形重要的環(huán)節(jié)。橋墩高程與軸線按規(guī)范要求(高程偏差±10 mm，軸線偏差±20 mm)進行十字線的放樣測量去控制施工。復測兩側(cè)橋墩6個點高程(每側(cè)3個控制點)與軸線偏差，偏差均在允許誤差范圍內(nèi)，確保了橋墩施工滿足落位線形要求。

拼裝前通過設計所給控制點利用全站儀在拼裝工作面“引”出新的控制點記錄好相關(guān)數(shù)據(jù)并明顯標記。在拼裝施工中實時對拼裝節(jié)點與桿件位置進行三維變形觀測，以控制拼裝質(zhì)量；在頂推過程中利用全站儀對整個鋼桁梁實時進行三維空間觀測，及時調(diào)整并控制梁體軸線與預拱度。頂推完成時利用儀器準確調(diào)整好支撐位置，以保證鋼桁梁受力合理；利用儀器全程觀測梁體落位過程，保證準確落位；最后，落位后利用水準儀與全站儀進行鋼桁梁整體測量，以檢驗施工質(zhì)量與整體測量評估。通過上述測量控制措施，結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)選取軸線偏差與設計允許偏差進行對比分析，如表1所示。

表1 軸線偏差對比分析 mm

從表1分析可知：鋼桁梁軸線偏差最大值為12 mm，在允許誤差范圍(±20 mm)之內(nèi)，符合規(guī)范要求。本工程其他測量數(shù)據(jù)也都在允許誤差范圍內(nèi)，說明施工質(zhì)量與測量控制良好?？刂坪檬┕ぶ忻恳画h(huán)節(jié)的測量，同步做好復核措施，是避免測量錯誤與減少測量誤差的關(guān)鍵。

結(jié)合本工程相關(guān)線形數(shù)據(jù)對比京石客運專線64 m鋼桁梁(導梁步履式頂推法)相關(guān)數(shù)據(jù)，本工程軸線偏差最大值12 mm遠遠小于其64 m鋼桁梁軸線最大偏差50 mm。鑒于本工程鋼桁梁長度遠大于64 m，可見運用改進的頂推設備能有效控制線形誤差、避免導梁施工工序、加快施工速度，節(jié)約工期，同時也保證了工程質(zhì)量。

3 應力控制

在鋼桁梁拼裝與頂推過程中，隨著拼裝長度、重量不斷增加和臨時荷載變化，桿件應力會不斷變化，某些桿件可能會超過設計規(guī)范值，影響結(jié)構(gòu)安全，所以監(jiān)測主要桿件應力與控制其應力變化是必要的。

首先根據(jù)以往工程經(jīng)驗再結(jié)合本工程特點做出合理的鋼桁梁橋設計，然后根據(jù)設計圖紙建立準確理論模型；其次通過減少桿件制造誤差與拼裝變形來控制初始應力，以滿足設計要求；再次嚴格控制施工中每一個工序，以減少施工誤差對應力變化的影響；最后結(jié)合施工實際情況不斷修正模型，使最終模型能較好地反映工程實際情況，用于計算桿件應力，再對比實測數(shù)據(jù)，評估應力控制效果。

本工程采用有限元分析軟件ANSYS建立模型。整個施工過程共27個施工工況，選取工況13，即最大懸臂(鋼桁梁產(chǎn)生最大撓度)時進行分析。在分析鋼桁梁最大懸臂桿件應力和位移時綜合考慮溫度因素與風速影響，計算分析結(jié)果如圖7，8所示。

圖8 最大懸臂時應力結(jié)果 /MPa

由圖7，8結(jié)果可知，懸臂桿件最大撓度為9.43 cm(A1-A2桿)，最大應力為100.2 MPa(E0′-A1′桿)，以最不利結(jié)果指導施工。

根據(jù)理論模型受力與結(jié)構(gòu)形式分析在鋼桁梁合理設置應力測點與溫度補償點，以保證應力所測值有效。在應力測點上布置鋼弦式應變傳感器實時監(jiān)測桿件應力狀況，并與理論計算值比較，發(fā)現(xiàn)問題及時采用相應控制措施。因工況多，實測數(shù)據(jù)組數(shù)多，選取3個典型工況進行對比分析，如表2～4所示。

表2 傳感器全部安裝完畢時應力 MPa

表3 最大懸臂時應力 MPa

表4 整體拼裝完畢時應力 MPa

由表2～4可知：上弦A-A桿應力偏差較小，偏差控制在3 MPa之內(nèi)，平均偏差率為7.3%；下弦E-E桿偏差值較上弦桿大，最大偏差值-5 MPa，平均偏差率為7.5%；斜腹E-A桿應力偏差值變化較上下弦桿都大，偏差最大值為8 MPa，但平均偏差率也較好控制在7.3%左右。計算應力與實測應力結(jié)果一致，說明所建模型與實際狀態(tài)較為吻合，即所建模型可靠性較高，同時也說明施工總體控制較好。此外，可見鋼桁梁施工過程中各桿件應力均較小，結(jié)構(gòu)安全可靠。

對比傳統(tǒng)導梁頂推法，該改進頂推設備的步履式頂推法避免了設置導梁步驟，既不需要考慮導梁對其撓度的影響，也無需考慮導梁對鋼桁梁內(nèi)力的影響，簡化了施工工序，經(jīng)應力驗算滿足規(guī)范要求，故該改進設備能更好地保證鋼桁梁施工過程中應力滿足要求。

4 結(jié) 語

本工程大跨度鋼桁梁通過增加支撐框架與步履式節(jié)點自適應小循環(huán)頂推法相結(jié)合，改進了傳統(tǒng)步履式頂推受節(jié)點支撐影響行程小的不足，同時嚴格按照上述控制措施進行施工，安全高效地完成了整個鋼桁梁頂推施工。改進頂推設備結(jié)合節(jié)點自適應頂推技術(shù)能更好地應用于鋼桁梁橋頂推施工中，可為今后相關(guān)工程提供借鑒與指導。

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