大跨度鋼橋梁頂推過程中的豎曲線線形控制技術(shù)

宋 敏 朱 江 皮淑萍 邰鵬鳴 葉倍君

中億豐建設(shè)集團股份有限公司 江蘇 蘇州 215131

1 概述

1.1 頂推的基本概念與線形控制的目的

鋼橋梁的頂推為一種懸臂的施工方法，導(dǎo)梁設(shè)置在鋼橋梁的前端并與鋼橋梁連接。在橋梁頂推過程中，懸臂端懸挑長度逐步增加[1]。由于導(dǎo)梁質(zhì)量較輕，后續(xù)連接鋼橋梁質(zhì)量較大，即可以理解為在頂推過程中，后續(xù)鋼橋梁作為壓重，來保證懸挑出去的導(dǎo)梁可以安全達到對面支座。導(dǎo)梁抵達對面支座后，橋梁頂推由懸臂施工變?yōu)槎帱c支撐的正常頂推，直至橋梁段到達對面支座（圖1）。

圖1 頂推橋梁構(gòu)造

頂推過程中橋梁線形控制的目的就是通過控制頂推過程及結(jié)構(gòu)成形后的線形，使其符合設(shè)計要求，來確保結(jié)構(gòu)安全及美觀。

某項目頂推工程的主橋部分跨越高速公路，主橋為五聯(lián)跨，施工現(xiàn)場周邊環(huán)境復(fù)雜，為了保證施工的安全，在不影響高速公路正常通行的情況下，結(jié)合現(xiàn)場實際情況和工程特點，采用頂推方式進行鋼橋梁的安裝（圖2）。

圖2 主橋整體模型

1.2 線形控制的重點與難點分析

1）鋼橋梁在拼裝過程中需要控制橋梁豎曲線的整體線形，通過控制橋梁之間的折線角并沿橋梁豎曲線進行頂進，確保頂推完成后橋梁在自重下的線形與設(shè)計線形保持一致。在施工過程中會出現(xiàn)場地受限，無法全橋進行頂推的情況，此時需要部分橋梁先進行拼裝，然后逐步邊頂推邊后續(xù)拼裝。在邊頂推邊后續(xù)拼裝的項目中，需做好局部頂推和全橋頂推的對比，確保此頂推工況的合理性。

2）步履式頂推過程中，用于頂推的導(dǎo)梁只是作為臨時施工措施，對變形控制要求較小。為節(jié)約成本，一般設(shè)計的導(dǎo)梁會比較接近規(guī)范允許值，產(chǎn)生較大的變形。雖然導(dǎo)梁的變形對橋梁完成后的整體豎曲線線形影響不大，但由于跨線橋梁的施工需要橫跨高速，導(dǎo)梁頂推過程中變形過大會影響下部通行高速公路的凈空，從而影響高速通行。因此，為保證頂推過程中橋梁頂端的導(dǎo)梁線形不會影響到高速的正常通行，在設(shè)計完導(dǎo)梁后，需要采用有限元軟件Midas/Civil對導(dǎo)梁進行全過程分析復(fù)核，確認導(dǎo)梁頂推最大撓度沒有超過原橋最低標高后，導(dǎo)梁才可投入使用。

2 鋼橋梁步履式頂推概述

2.1 步履式頂推的工藝原理

鋼梁拼裝完成后，多臺頂推設(shè)備同時工作，通過“頂、推、落、縮”4個步驟循環(huán)進行，即先將鋼梁整體頂高，脫離拼裝平臺和支墩，然后由千斤頂向前頂進，頂進一定位移后，再將鋼梁落到臨時托梁上，最后油缸縮回，進行下一個循環(huán)，如此反復(fù)直到設(shè)計位置。

2.2 主橋段步履式頂推方法

主橋跨越高速公路，施工現(xiàn)場周邊環(huán)境復(fù)雜。為了保證施工的安全，不影響高速公路正常通行，采用Midas/Civil軟件對主橋3跨和5跨的受力和變形進行分析，最終確定主橋鋼箱梁左幅（64＋40＋38.2） m、右幅（64＋31＋48.6） m各3跨安裝采用步履式多點式同步頂推法施工（圖3）。在左幅45.5、38.3 m兩跨（DZ1區(qū)）和右幅42.4、40.0 m（DZ5區(qū)）兩跨通過搭設(shè)平臺及臨時支撐架，作為頂推施工的梁段拼裝平臺。在拼裝平臺和主橋橋墩上設(shè)置頂推裝置，鋼梁拼裝完成后，向DT1區(qū)及DT2區(qū)頂推施工。

圖3 頂推橋梁拼裝、頂推區(qū)域劃分

3 頂推過程理論分析

由于場地限制，主橋5跨橋梁段無法全部進行頂推，需要在最后2跨進行隨頂推進度的逐步拼裝，然后按整體切線頂入頂推的3跨橋梁段區(qū)域。最后2跨橋梁段在頂推段完成后直接在拼裝區(qū)域進行安裝。因此，在施工前需要對比3跨局部頂推及原設(shè)計5跨的分析模型，確保3跨頂推的合理性。同時針對逐步頂推的3跨橋梁段，需要做好頂推各工況的模擬分析，確保頂推過程中各工況沒有超過設(shè)計要求。為保證橋梁安裝的順利進行，安裝前采用有限元分析軟件Midas/Civil對橋梁的頂推全過程進行了理論分析。主要內(nèi)容包括橋梁成形階段的分析及頂推過程的分析。

3.1 全橋成形節(jié)段分析（3跨頂推對整體線形的影響）

為探討采用3跨頂推、2跨支架安裝的施工工藝而成形的全橋受力與變形狀態(tài)是否達到整體支架安裝、一次落梁施工工藝的設(shè)計成形狀態(tài)的受力與變形狀態(tài)，將分析結(jié)果與5跨設(shè)計模型在自重作用下的應(yīng)力與線形進行對比，應(yīng)力及變形對比分析結(jié)果分別如圖4、圖5所示。

圖4 變形計算結(jié)果

圖5 應(yīng)力計算結(jié)果

從圖4中可以看出，2個模型的變形形狀相同，64 m跨下?lián)希R跨上拱，邊跨下?lián)?，最大撓度均出現(xiàn)在64 m跨中附近，3跨頂推、2跨支架成形階段最大撓度為－42.4 mm，最大上拱為5.1 mm，設(shè)計模型最大撓度為－42.4 mm，最大上拱為5.3 mm。3跨頂推對橋梁線形的影響與原設(shè)計在自重下的變形基本一致。從圖5中可以看出，3跨頂推、2跨支架成形階段最大拉應(yīng)力為27.6 MPa，最大壓應(yīng)力為－33.5 MPa，設(shè)計結(jié)構(gòu)模型最大拉應(yīng)力為41.4 MPa，最大壓應(yīng)力為－50.3 MPa，應(yīng)力均處于較低水平，滿足結(jié)構(gòu)受力安全要求。

對變形與應(yīng)力計算結(jié)果進行綜合分析后可看出，本工程通過單獨頂推3跨、后支架安裝2跨的工藝，成橋后的線形和內(nèi)力與設(shè)計狀態(tài)基本一致，確保了方案的合理性與正確性。

3.2 頂推全過程分析

根據(jù)頂推順序，選取能反映頂推結(jié)構(gòu)受力全過程的關(guān)鍵施工階段，作為分析工況。結(jié)合頂推工藝要點、頂推點的變化、節(jié)段拼裝等關(guān)鍵參數(shù)的變化，對整個頂推過程進行了分析。主要分析結(jié)構(gòu)受力和變形，校核其是否滿足相應(yīng)的受力安全控制要求以及是否會發(fā)生影響節(jié)段拼裝及主橋線形的過大變形。

從分析結(jié)果可知，鋼箱梁在整體頂推過程中，鋼箱梁最大拉應(yīng)力為101.4 MPa，最大壓應(yīng)力為－111.1 MPa，位于鋼箱梁尾端頂推點。整個施工過程中，頂推結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平均較低，可滿足安全受力要求。

鋼箱梁最大上拱35 mm，位于64 m跨內(nèi)；鋼箱梁最大下?lián)希?70.5 mm，位于鋼箱梁尾部，鋼箱梁變形較大，均是頂升工況，且根據(jù)頂升設(shè)備工裝的設(shè)計，頂推結(jié)構(gòu)由頂推裝置整體抬高了約1.2 m，其下?lián)喜粫绊戜撓淞何膊客ㄟ^貝雷架及橋墩。

4 頂推過程的線形控制

主橋鋼箱梁設(shè)計線形為半徑5 900 m的圓弧線。

為了保證頂推完成后橋梁在自重作用下的線形和設(shè)計的線形一致，在頂推過程中要嚴格控制橋梁的線形。首先在鋼梁拼裝時保證相鄰鋼梁之間的折線角與設(shè)計一致，其次在頂推過程中控制鋼箱梁整體沿圓弧線形切線方向頂進，即在頂進過程中，鋼箱梁可以有整體的轉(zhuǎn)動和平動，但鋼箱梁的行進路線始終與設(shè)計原弧形一致（圖6）。

圖6 頂推方向及豎曲線線形控制示意

根據(jù)之前的施工模擬分析，在整個施工過程中，頂推結(jié)構(gòu)尾部梁段端點的轉(zhuǎn)角值較小，最大轉(zhuǎn)角值為0.012，角度約0.7°，此部分誤差可以在加工時進行消除，不會對后續(xù)節(jié)段在拼裝平臺上的連接及頂推進入角度造成影響。

加工時已經(jīng)考慮鋼梁的結(jié)構(gòu)預(yù)拱度，頂推的弧度并非和原橋線形一致。因此，在頂推過程中，有預(yù)拱度的梁段過頂推點時，根據(jù)預(yù)拱度量值，在梁底墊對應(yīng)數(shù)值的墊塊，以確保步履頂推器頂起時保持在梁底頂進圓弧線上。拼裝胎架頂?shù)母叱掏瑯有柽M行控制，使其與梁底頂進圓弧線相協(xié)調(diào)。

5 導(dǎo)梁線形對高速公路的影響分析

鋼橋梁頂推過程導(dǎo)梁伸出長度越大即懸挑長度越大，導(dǎo)梁前段的變形就越大。為了安裝時不影響高速公路的正常通行，對頂推施工過程中導(dǎo)梁的應(yīng)力與變形情況進行了分析。根據(jù)施工模擬分析，得出導(dǎo)梁的最大應(yīng)力為167.5 MPa，位于導(dǎo)梁根部截面，約為Q345設(shè)計強度（275 MPa）的60%，可滿足安全受力要求。導(dǎo)梁前端會隨著施工階段的變化發(fā)生上拱與下?lián)?，最大下?lián)蠟?17.2 mm，最大上拱為125.6 mm，而根據(jù)頂升設(shè)備工裝的設(shè)計，頂推結(jié)構(gòu)由頂推裝置整體抬高了約1.2 m，其下?lián)衔创笥陧斖乒に囈蟮纳咸Я?，因此，不會對繞城高速的車輛正常通行造成影響。

6 頂推過程的監(jiān)測

6.1 靜力水準監(jiān)測

在頂推過程中，導(dǎo)梁端部的變形在不斷變化著。一般說來，導(dǎo)梁端部位移由于滑塊壓縮量不一、導(dǎo)梁與梁體連接螺栓松動、溫度變化等原因，和理論值可能會存在偏差。懸臂端位移可表現(xiàn)線彈性情況，變形過大或變形突然增大過快都是危險信號。因此，為保證導(dǎo)梁受力安全，順利通過支墩，在導(dǎo)梁前進過程中，特別是導(dǎo)梁懸臂最大時，應(yīng)對頂推過程中的橋梁中軸線和導(dǎo)梁的變形動態(tài)進行實時監(jiān)測。另外，需實時監(jiān)測每分段鋼箱梁間的相互變形情況，以確保頂推后橋梁有一個合理的拼接狀態(tài)。采用靜力水準儀為主，全站儀和配套棱鏡為輔，對箱梁、導(dǎo)梁高程進行監(jiān)測，得到箱梁和導(dǎo)梁的變形情況。為適用于本次監(jiān)測，專門研發(fā)改進了適用于橋梁頂推的在線監(jiān)測系統(tǒng)。

在頂推過程中，導(dǎo)梁端部的變形會不斷發(fā)生變化，且變形變化較大，因此需在導(dǎo)梁端部設(shè)置水準儀，監(jiān)測其實時變化情況，并給予安全預(yù)警。同時，導(dǎo)梁部分由2片實腹式不等截面工字形鋼板梁組成，為檢驗頂推過程中拼接接縫處的節(jié)點可靠性，在每個拼接接縫處布置一個水準儀，導(dǎo)梁處共計3個測點。鋼箱梁每節(jié)段長度控制在17 m以下，共分為9個節(jié)段，由于具體分段原因，頂推長度為156.35 m。在每節(jié)段軸線處布置一個水準儀，水準儀布置位置為每節(jié)段中軸線處的2節(jié)段拼縫位置附近。

監(jiān)測結(jié)果顯示，在整個頂推過程中，每次頂推具有周期性。每次步履式頂推過程中，在頂起5 cm的階段，各測點的撓度會由初值逐漸變大；在前移50 cm階段，各測點撓度變形為穩(wěn)定值（第一次為40 cm）；在箱梁放下階段，各測點撓度再變小，恢復(fù)至一個初值。頂推完畢靜定時間內(nèi)，結(jié)構(gòu)會逐漸趨于穩(wěn)定，得到一個最終的撓度變化值。

通過采用水準儀，在頂推過程各階段對各監(jiān)測點的實時高差進行匯總。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬分析進度對比，各監(jiān)測點的變形值與模擬值相近，在預(yù)警范圍之內(nèi)。

6.2 應(yīng)力監(jiān)測

在頂推安裝過程中，鋼箱梁的應(yīng)力在不斷地變化。為了解整個頂推過程中結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況，保證安全可靠，本工程采用鋼結(jié)構(gòu)振弦式應(yīng)變計和配套采集儀對箱梁進行應(yīng)力監(jiān)測。

選擇頂推過程中受力最大截面和成橋狀態(tài)的各跨跨中、墩頂截面作為監(jiān)測斷面，每個斷面布置4個測點。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)得知，各監(jiān)測點在頂推過程中的最大實際應(yīng)力未超過模擬分析的最大應(yīng)力（111.1 MPa），在預(yù)警范圍內(nèi)。

7 結(jié)語

通過對大跨度鋼橋梁頂推過程中的豎曲線線形控制，整體豎曲線線形與原設(shè)計基本保持一致，各類監(jiān)測數(shù)據(jù)均未超出模擬分析數(shù)值，整體控制良好。橋梁頂推段平穩(wěn)通過高速公路并順利落墩，頂推過程中的最大豎向變形未對下部高速公路通行產(chǎn)生影響，取得了階段性的成功，為今后同類項目提供了參考經(jīng)驗。

[1] 張愛軍.連續(xù)梁橋頂推施工控制[J].技術(shù)與市場,2011,18(6):162.