鋼桁梁頂推橫向偏位控制方法研究

王海周

（中鐵十四局集團有限公司 山東濟南 250013）

1 工程概況

黃大鐵路黃河特大橋主橋跨徑布置為120＋4×180＋120 m，采用下承式明橋面連續(xù)鋼桁梁，帶豎桿三角形桁式，桁高18.0 m，節(jié)間長度10 m，主桁中心距 11.0 m［1－2］。

主梁采用頂推法施工，在114?！?15＃墩間120 m搭設(shè)支架，作為鋼梁拼裝平臺。拼裝平臺處設(shè)2臺龍門吊，用以拼裝鋼梁。在115＃～116＃墩跨中位置設(shè)置臨時支墩，115?！?19＃5個主墩搭設(shè)墩旁托架［3］，作為頂推滑道梁支架，如圖1所示。

圖1 頂推大臨設(shè)施布置

2 支墊及滑行結(jié)構(gòu)

鋼桁梁支撐點置于鋼桁梁下弦桿大節(jié)點處，支撐結(jié)構(gòu)從上到下分別為墊板、滑塊、MGE板、復合鋼板、滑道梁、支架、支架基礎(chǔ)［4］。MGE栓接于滑塊底，復合鋼板焊接在滑道梁上，MGE板與復合鋼板之間相對滑動，依靠墊板與梁底間摩擦力帶動上部梁體前行，完成頂推施工。墊板還用于調(diào)整高度，適應不同節(jié)點的預拱度和不同支架高度，如圖2所示。

圖2 橋梁支撐系統(tǒng)

3 鋼桁梁線形偏位分類

大跨度鋼桁梁頂推施工的關(guān)鍵在于線形控制，偏位過大，容易造成前端導梁偏位過大無法上墩，整體線形控制不力會出現(xiàn)鋼梁局部卡死，無法再向前頂推等嚴重且不易處理的后果［5］。

鋼桁梁頂推偏位分為三類，即縱向偏位、橫向偏位和豎向偏位。

（1）縱向偏位

縱向偏位即左右兩片主桁沿線路方向前進不一致，一前一后?？v向偏位不加以控制，發(fā)展至一定程度，主桁中心線與線路中心線間出現(xiàn)較大夾角，鋼梁將朝著偏離中心的方向前進，同時也會引起鋼梁前段后端大的橫向偏位［6］，如圖3所示。

圖3 縱向偏位示意

（2）橫向偏位

橫向偏位即在水平面內(nèi)鋼桁梁中心線上某點或多點偏離線路中心線位置，如圖4所示。橫向偏位需要控制在一定的范圍之內(nèi)，導梁、鋼梁橫向偏位過大會使滑塊與限位鋼板在滑動中接觸，限位鋼板與滑塊非滑動面產(chǎn)生巨大摩擦力，額外增加了牽引千斤頂?shù)臓恳Γ瑫r也增大了墩身所承受的水平反力，對墩身不利；若主梁橫向偏位沒有及時得到糾正，摩擦力進一步增大，限位鋼板受損后剛度降低，限位鋼板限位功能將失效。

圖4 橫向偏位示意

橫向偏位控制不當還會使左右兩臺水平牽引千斤頂受力不一致，梁內(nèi)產(chǎn)生扭曲，引起鋼梁部分桿件改變原工作狀態(tài)，出現(xiàn)應力異常，使鋼梁在頂推中的狀態(tài)趨于不安全；鋼梁內(nèi)部產(chǎn)生扭曲使各墩左右側(cè)滑塊支反力不一致，增大了臨時支架單點的荷載，對下部滑道梁和臨時支架造成隱患。若橫向偏位沒有及時糾正，多處累計值較大后，隨即引起縱向偏位。

（3）豎向偏位

豎向偏位即頂推中的各平臺或滑道梁標高發(fā)生變化。各臨時支點標高發(fā)生變化后，各支點承受的鋼桁梁的重力重新分配，若未能及時發(fā)現(xiàn)，部分支點豎向支反力大于原設(shè)計值，會給鋼桁梁帶來一定的附加應力，不利于鋼梁頂推施工，如圖5所示。

圖5 豎向偏位示意

減小豎向偏位，臨時支架的設(shè)計應趨于保守，適當加大安全系數(shù)，具有承擔一定數(shù)值的偶然荷載能力；在施工中要保證支架基礎(chǔ)、支架的搭設(shè)精度，完成后全面測量，對于超出允許偏差的位置，調(diào)整平面高度后再次復核，直至滿足精度要求；合理組織頂推施工的各道工序，盡量避免頂推過程中出現(xiàn)單個支點受力過大；在施工過程中對支架及滑道梁進行周期性動態(tài)觀測，及時發(fā)現(xiàn)豎向偏位問題，便于調(diào)整處理。

4 頂推橫向偏位原因分析

頂推施工鋼梁橫向偏位原因復雜，根據(jù)東營黃大項目現(xiàn)場實踐經(jīng)驗從施工角度對橫向偏位原因進行總結(jié)。

（1）頂推系統(tǒng)同步千斤頂不同步

水平千斤頂頂進行程不一致是造成橫向偏位最主要的原因，本項目頂推系統(tǒng)為分散連續(xù)頂推，在各墩主桁下均設(shè)置牽引千斤頂。盡管千斤頂進行周期性檢驗、維護、維修，各墩左右側(cè)每個循環(huán)存在微小的不同步偏差在所難免。雖然單個循環(huán)千斤頂行程相差甚小，但較小行程差值長期累積后，即會引起橫向偏位［7－8］。

（2）手動頂推人為因素干擾

頂推系統(tǒng)在自動頂推之前要先進行手動調(diào)整，調(diào)整至各墩牽引力滿足頂推方案要求時的位置；在自動頂推階段出現(xiàn)線形變化時，也將采取手動頂推調(diào)整的措施解決。在手動調(diào)整階段，左右側(cè)千斤頂同步性受人為因素干擾較大，并且干擾值不易被觀測，不同步累積后首先造成縱向偏位，再由縱向偏位引起橫向偏位。

（3）支架標高及幾何形位偏差

滑道梁標高及幾何形位偏差是造成鋼梁橫向偏位的另一個原因，尤其是左右滑道梁的標高偏差。在頂推過程中，滑道梁標高的差異會使鋼梁向著標高低的一側(cè)滑動，造成橫向偏位?；舶鍢烁呒皫缀涡挝黄钍怯善湎虏拷Y(jié)構(gòu)高程變化造成，如支架立柱變形、滑道梁變形、支架下部基礎(chǔ)沉降變形。

（4）間歇型“爬行”線形

在頂推過程中由于鋼絞線的彈性和摩擦面摩擦狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，滑塊與滑床板之間的滑動不能連續(xù)勻速進行，經(jīng)常出現(xiàn)間歇性“爬行”現(xiàn)象，每次線形回歸正常都需克服巨大的靜摩擦力，并在靜摩擦與動摩擦兩種狀態(tài)下交替轉(zhuǎn)換［9］，對滑床板、滑道梁、支架產(chǎn)生較大的水平?jīng)_擊，造成其幾何形位發(fā)生變化。

（5）風荷載影響

當導梁懸臂過長時，容易受到風荷載的影響，導梁前端出現(xiàn)左右擺動，引起后端鋼梁偏離縱向中心線。

5 橫向偏位模型分析

本節(jié)建立橫向偏位模型，對比分析實際水平糾偏千斤頂糾偏效果與理論值的關(guān)系，并得出相關(guān)結(jié)論。

本文以導梁上117＃墩后140 m工況為例，模擬在116＃墩上使用水平千斤頂分別糾偏5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm、40 mm、50 mm 需要施加的荷載。

建立Midas模型，導梁及鋼桁梁桿件使用梁單元模擬，材料屬性按照設(shè)計所給材料的性能考慮，荷載僅考慮導梁及已拼裝主桁自重，模型荷載中1.35倍自重系數(shù)能夠含拼接板、隔板、節(jié)點局部加強及橫向聯(lián)接系的重量，水平糾偏力等效為強制位移。115＃墩約束方式假定為固定支座，116＃墩、118＃墩、拼裝平臺、1＃臨時墩均假定為活動支座。幾何模型如圖6所示［10］。

圖6 鋼梁模型

糾偏0 mm、5 mm、10 mm的組合應力結(jié)果由上至下如圖7所示。

圖7 糾偏0 mm、5 mm、10 mm組合應力

糾偏15 mm、20 mm、25 mm的組合應力結(jié)果由上至下如圖8所示。

圖8 糾偏15 mm、20 mm、25 mm組合應力

分別糾偏30 mm、40 mm、50 mm的組合應力結(jié)果由上至下如圖9所示。

圖9 糾偏30 mm、40 mm、50 mm組合應力

根據(jù)組合應力計算結(jié)果可知，在116＃墩位置上糾偏5 mm，對主桁桿件應力影響極小，桿件應力分布狀態(tài)基本沒有變化，桿件應力仍然受其自身重力控制。因此，5 mm以內(nèi)的橫向糾偏不會對導梁及主梁桿件造成太大影響。但一次橫向糾偏值不能太大，仍應按照化整為零的原則，將較大的橫向偏位，分次多點進行糾偏消除。

糾偏量提高至5 cm時，應力分布仍沒有明顯變化，主桁弦桿應力有所增大，由176 MPa增大到192 MPa，但未超出允許應力。所以，采用橫向糾偏千斤頂橫頂糾偏具有可行性。

糾偏需要克服的是鋼梁和滑道之間的靜摩擦力，根據(jù)統(tǒng)計頂推數(shù)據(jù)，頂推過程中的實際靜摩擦系數(shù)在0.08～0.1之間，模型計算靜摩擦系數(shù)取較高值0.1。對比分析理論彎曲糾偏力、模型計算支反力、實際糾偏力，見表1。

表1 理論彎曲糾偏力、支反力及實際糾偏力匯總

本項目水平糾偏千斤頂頂力為250 t，最大行程5 cm，糾偏量5～50 mm，現(xiàn)場實際糾偏力從84.6 t到86.9 t，糾偏力未見明顯變化。通過對比分析，實際糾偏力與理論彎曲糾偏力、需摩擦力關(guān)系不大，頂推過程中的橫向糾偏力不受彎曲應力控制，而是由靜摩擦力控制。

現(xiàn)場糾偏力從糾偏5 mm至50 mm變化沒有明顯增大，說明在大跨度鋼桁梁頂推施工橫向糾偏中，糾偏力主要受靜摩擦力控制。在選用水平糾偏千斤頂規(guī)格時主要考慮靜摩擦系數(shù)。

6 橫向糾偏措施及效果

橫向糾偏要以精確的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在保證鋼桁梁位置的前提下，以可推動滑塊和墊板的位置作為糾偏千斤頂作用點，如圖10所示。

圖10 支撐系統(tǒng)

（1）限位鋼板

限位鋼板作為頂推過程中滑塊限位的基本約束，頂推過程中，若滑塊出現(xiàn)與一側(cè)限位鋼板頂緊現(xiàn)象，則將主梁起頂，調(diào)整滑塊位置，使其居于滑床板中部?；瑝K與限位鋼板頂緊狀態(tài)下，會增加水平牽引力，臨時支架、墩身的水平反力也隨之增加，不利于安全［11］。

在很多鋼桁梁頂推施工中，使用角鋼作為限位鋼板并不合理，角鋼一般用作拉壓二力桿，而限位鋼板受較大水平推力（剪力），角鋼抵抗能力較差，而且角鋼板厚較薄，限位工作面狹小，不具備限位功能。在個別工程中已有角鋼限位失敗的案例，黃大鐵路東營黃河特大橋項目已經(jīng)成功地采用鋼板加加勁肋方式完成限位約束功能，建議使用板厚較厚的鋼板輔以同等厚度的加勁肋作為限位裝置。

（2）單點單動

頂推過程中，若發(fā)現(xiàn)導梁前端監(jiān)測點發(fā)生左右偏移，即縱向偏位，可單獨使用偏向一側(cè)的牽引千斤頂工作，另一側(cè)千斤頂不動，進行分次糾偏，一次糾偏量控制在5 cm，糾偏一次復測一次，直至導梁回歸正位。單點單動容易引起主梁后端位置偏差，在糾偏過程中應嚴密觀測后端滑塊與限位鋼板的相對位置，避免因?qū)Я呵岸嗣つ考m偏引起主梁后端偏位［12］。

（3）橫向千斤頂糾偏

根據(jù)第5章節(jié)分析可知，糾偏千斤頂并不是克服鋼桁梁彎曲應力而是克服靜摩擦力進行糾偏。對于本工程，相對于180 m跨度，鋼桁梁柔性較大，很小的力就可以對其糾偏5 cm。糾偏分次分點進行，逐級將鋼桁梁和導梁產(chǎn)生的橫向彎曲應力釋放掉。

（4）前端牽引

導梁上墩前懸臂較大時，采用鋼絲繩與前端墩身連接，并對鋼絲繩施加一定的牽引力，避免因異常大風天氣造成導梁懸臂左右擺動，也是控制導梁前端橫向偏位的一種輔助措施。

7 結(jié)論

在大跨度鋼桁梁頂推施工中，橫向偏位糾偏力主要受靜摩擦力控制，選用水平糾偏千斤頂規(guī)格時主要考慮靜摩擦系數(shù)，一次糾偏反力大小可以忽略。

根據(jù)該項目已完成工程經(jīng)驗，限位鋼板、單點單動、橫向千斤頂糾偏、前方牽引等措施可以有效控制、處理鋼桁梁的橫向偏位，建議在實際頂推施工過程中應綜合靈活運用橫向糾偏措施，并充分利用現(xiàn)場條件，以達到良好的偏差調(diào)整效果。