4.3萬t鋼桁梁長距離多點(diǎn)同步頂推施工技術(shù)研究

王宏毅

(中鐵建大橋工程局集團(tuán)第四工程有限公司 黑龍江哈爾濱 150000)

1 前言

由于國家交通建設(shè)及城市橋梁的快速發(fā)展，橋梁工程建設(shè)難度逐漸增大。對于基礎(chǔ)工程復(fù)雜、墩臺造價(jià)較高的大橋或特大橋，以及靠近城市、鐵路公路均較稠密而需建造鐵路橋和公路橋以聯(lián)接線路時(shí)，為了降低造價(jià)和縮短工期，可考慮建造公鐵兩用橋[1－2]。然而頂推施工對于多跨公鐵兩用大橋的順利建設(shè)具有重要作用[3－4]，因此需要研究多點(diǎn)連續(xù)頂推施工同步控制技術(shù)，以確保此類大橋的順利建成。

李艷哲[5]詳細(xì)介紹了成貴鐵路宜賓金沙江公鐵兩用橋主橋施工技術(shù)；冀偉等[6]以三跨等跨混凝土連續(xù)梁橋?yàn)槔瑯?gòu)建主梁－雙導(dǎo)梁的計(jì)算簡化模型，以實(shí)橋數(shù)值算例為例，提出合理、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?dǎo)梁參數(shù)優(yōu)化計(jì)算方法，獲得最優(yōu)的導(dǎo)梁參數(shù)；李兆峰等[7－8]以石濟(jì)客運(yùn)專線濟(jì)南黃河公鐵兩用橋頂推施工新技術(shù)為工程背景，采用2個(gè)尺度分步分析該鋼桁梁頂推過程中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，并選取該橋施工中受力最大的典型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)力試驗(yàn)。左權(quán)勝等[9]以杭州一公路下承式三跨簡支鋼桁架橋?yàn)槔?，詳?xì)介紹了施工中采用的步履式多點(diǎn)同步累積頂推技術(shù)；賀常松[10]基于拱上平臺的頂推施工法進(jìn)行鋼梁支反力變化趨勢研究，發(fā)現(xiàn)由于頂推過程的重復(fù)性，頂推鋼梁的支反力變化趨勢呈現(xiàn)周期性的特點(diǎn)；翁方文等[11]依托跨漢洪高速公路高架橋，提出了大跨度連續(xù)鋼箱梁橋頂推施工全過程控制方法。陳江平[12]針對曲線形鋼箱梁，采用滑移施工很好地規(guī)避頂推施工的不利因素，以贛深南互通D匝道橋?yàn)槔龑η€鋼箱梁滑移施工進(jìn)行詳細(xì)介紹，采用3D3S軟件對各不同工況進(jìn)行模擬分析。

綜上所述，現(xiàn)有頂推施工技術(shù)主要用于一般性公路橋梁施工中，對于建設(shè)難度較大的多跨公鐵兩用橋頂推研究成果較少。本文以三門峽公鐵兩用大橋鋼桁梁多點(diǎn)連續(xù)頂推施工為研究背景，詳細(xì)闡述多點(diǎn)連續(xù)頂推同步關(guān)鍵控制技術(shù)以及多跨鋼梁頂推糾偏控制技術(shù)，借助PLC現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)連續(xù)頂推同步關(guān)鍵控制；通過給鋼梁支撐滑塊增加“翅膀”的設(shè)計(jì)，解決邊頂推邊糾偏的技術(shù)難題，確保長距離、大重量鋼桁梁施工質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，使三門峽黃河公鐵兩用大橋鋼梁頂推順利完成，以期為今后類似工程建設(shè)提供重要參考。

2 工程概況

2.1 設(shè)計(jì)概況

三門峽黃河公鐵兩用大橋主橋?yàn)?1跨連續(xù)鋼桁結(jié)合梁橋，主梁位于6‰的單向縱坡上(三門峽至運(yùn)城方向?yàn)橄缕路较?，橋跨布置為(84＋9×108＋84)m，主橋全長1 142.5 m。主橋承受四線鐵路和六車道高速公路，其中下層為四線鐵路，分別為雙線“蒙西通道”(線間距4.0 m)、雙線“運(yùn)三鐵路”(線間距4.2 m)，上層為六線公路。主桁采用三角形桁式，桁高15 m，橫向?yàn)?片桁架，中邊桁中心距13.6 m，上層公路橋面全寬32 m。主橋立面及橫斷面布置如圖1所示。

圖1 主橋立面及橫斷面布置

2.2 工程重難點(diǎn)分析

本工程的重難點(diǎn)主要有以下3點(diǎn):

(1)鋼梁最大頂推重量達(dá)43 000 t(含高栓、剪力釘)，單片桁中、邊桁節(jié)點(diǎn)最大支反力分別達(dá)2 233 t和1 896 t，頂推最大懸臂長度達(dá)96 m，多點(diǎn)頂推系統(tǒng)設(shè)計(jì)及施工是本工程的重、難點(diǎn)，主橋鋼桁梁模型如圖2所示。

圖2 主橋鋼桁梁模型

(2)主梁不帶混凝土橋面板頂推，整體剛度較弱，因此導(dǎo)梁設(shè)計(jì)及頂推、頂升設(shè)備、糾偏設(shè)備的選型、布置是本工程的重點(diǎn)。

(3)本工程最大頂推高度近72 m，屬高位頂推，水平頂推、豎向頂升及落梁的同步性控制為本工程的關(guān)鍵點(diǎn)。

本工程鋼梁全橋共有12個(gè)混凝土主墩，在頂推過程中，滑道與滑塊之間產(chǎn)生的水平摩擦力作用于各主墩頂面，對混凝土主墩整體產(chǎn)生巨大的偏心彎矩，如偏心彎矩過大，會對混凝土主墩造成結(jié)構(gòu)上的破壞，因此需要通過嚴(yán)格控制作用在各混凝土主墩的水平摩擦力來保證偏心彎矩?cái)?shù)值處于安全數(shù)值范圍內(nèi)，使頂推過程中混凝土墩結(jié)構(gòu)安全無誤。

為能做到對水平摩擦力的嚴(yán)格控制，就必須對頂推過程中各個(gè)墩上的水平頂推力進(jìn)行嚴(yán)格控制，以便達(dá)到所有墩的均勻合理承載受力。同時(shí)在頂推過程中，當(dāng)鋼梁偏離軸線時(shí)及時(shí)進(jìn)行鋼梁的糾偏。因此需要對全橋11個(gè)墩上的頂推千斤頂進(jìn)行多點(diǎn)連續(xù)頂推同步控制。

3 多點(diǎn)連續(xù)頂推同步控制技術(shù)

3.1 水平頂推主要設(shè)備

水平頂推系統(tǒng)主要由水平連續(xù)千斤頂、液壓泵站及控制系統(tǒng)組成。

(1)水平連續(xù)千斤頂前頂在頂推時(shí)后頂處于回程工況，后頂回程到位后前頂仍處在頂進(jìn)狀態(tài)。當(dāng)前頂頂進(jìn)行程未滿前，后頂與前頂同時(shí)頂進(jìn)。在前頂頂進(jìn)到位后，前頂回程，此時(shí)后頂仍連續(xù)頂進(jìn)，直至前頂回程到位。如此反復(fù)進(jìn)行，整個(gè)頂推過程不間斷。0?！?1＃墩布置33臺ZLD3500-300型水平連續(xù)千斤頂，每墩3臺350 t級千斤頂可現(xiàn)場控制及遠(yuǎn)程控制。水平連續(xù)千斤頂結(jié)構(gòu)構(gòu)造見圖3。

圖3 水平連續(xù)千斤頂結(jié)構(gòu)構(gòu)造

(2)液壓泵站采用LSDB105型液壓泵站，在1?！?1＃墩上各布置1臺液壓泵站。LSDB105型泵站采用了變量泵與比例閥組成的液壓系統(tǒng)，輸出的液壓動(dòng)力油通過比例閥開口變化來實(shí)現(xiàn)流量的無級調(diào)節(jié)，同時(shí)液壓系統(tǒng)可根據(jù)千斤頂載荷的變化進(jìn)行自動(dòng)均衡調(diào)節(jié)，從而有效地提高液壓同步性能。

(3)LSDKC-16控制系統(tǒng)為網(wǎng)絡(luò)式遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，由主控單元、檢測單元、顯示單元及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。本工程主控系統(tǒng)采用分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)主控系統(tǒng)，由1個(gè)主控臺、11個(gè)泵站、11個(gè)現(xiàn)場控制柜、66套壓力位移傳感器、198個(gè)感應(yīng)開關(guān)組成。本工程中的控制系統(tǒng)采用PLC現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，工程控制主機(jī)系統(tǒng)對頂推過程各墩分控系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)算處理，從而確保頂推過程的安全及平穩(wěn)進(jìn)行?？刂葡到y(tǒng)軟件包括上位機(jī)軟件及下位機(jī)軟件，原理圖如圖4所示。

圖4 主控系統(tǒng)原理

3.2 系統(tǒng)控制策略

在頂推過程中，對水平千斤頂?shù)奈灰聘淖兦闆r進(jìn)行收集，利用閉環(huán)控制比例閥開口值與位移之間的協(xié)調(diào)配合，將比例閥開口值大小變化以及位移狀況作為相應(yīng)的參考數(shù)據(jù)，合理地控制水平千斤頂改變速度，從而有效達(dá)到合理控制頂推速度。

本工程水平連續(xù)頂推千斤頂布置為每墩每桁各1臺，每墩3臺水平連續(xù)頂推千斤頂共用1臺液壓泵站、同一油路，以確保其頂推力基本一致。同一墩上3臺千斤頂有某臺伸缸較快，則通過電磁閥斷流調(diào)整頂伸缸速度。不同墩間連續(xù)頂推千斤頂間的快慢則通過液壓泵站的流量調(diào)整。若某臺液壓泵站伸缸較快，則控制該液壓泵站進(jìn)油路減小，降低相應(yīng)變量泵與比例閥開口值，從而減小流量；反之，則增加相應(yīng)變量泵與比例閥開口值，從而增大流量。利用壓力傳感器提高構(gòu)件的安全性，實(shí)時(shí)監(jiān)測每個(gè)千斤頂?shù)妮d荷變化情況。在頂推過程中，計(jì)算機(jī)通過壓力傳感器監(jiān)測每臺千斤頂?shù)妮d荷變化情況。如果千斤頂?shù)妮d荷有異常的突變，計(jì)算機(jī)會自動(dòng)停機(jī)，并報(bào)警示意。連續(xù)頂推同步控制流程如圖5所示。

圖5 連續(xù)頂推同步控制流程

3.3 頂推同步性措施

本工程中，采用壓力和位移交替控制來實(shí)現(xiàn)頂推的同步性，分兩步進(jìn)行。即頂推分級加載預(yù)緊，然后再進(jìn)行位移同步頂推。

將頂推時(shí)的頂推力分成5個(gè)等級，分別是30%、50%、70%、80%、85%，頂推時(shí)按等級加載。加載等級的壓力根據(jù)5個(gè)等級和千斤頂參數(shù)14 kN/MPa確定。

頂推工作就緒后，首先選擇手動(dòng)模式，逐一將前后主頂?shù)幕钊氐叫谐涕_關(guān)位置后開始手動(dòng)頂推。主控臺操作人員按下“前頂進(jìn)”按鈕，觀察操作界面的壓力顯示，在30%、50%、70%、80%、85%牽引力狀態(tài)下，檢查各受力結(jié)構(gòu)變形情況。檢查油泵、頂推頂、前后夾持器、前后監(jiān)控器、壓力表、鋼絞線是否異常，如有異常立即報(bào)告。

加載85%后，各水平千斤頂?shù)氖芰恢拢D(zhuǎn)換至自動(dòng)運(yùn)行模式，以位移控制下進(jìn)行自動(dòng)連續(xù)頂推。各墩分控系統(tǒng)收集水平千斤頂位移信號加以運(yùn)算，并發(fā)送至工程控制主機(jī)系統(tǒng)；主控機(jī)對數(shù)據(jù)分析后再下令各墩分控系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的指令，在此過程中，主控機(jī)和各墩分控系統(tǒng)不斷地收集信號、運(yùn)算、執(zhí)行相應(yīng)指令，形成一種閉環(huán)控制。

在位移控制頂推過程中，頂推壓力作為輔助控制，各墩液壓泵站均有壓力限定裝置，分控系統(tǒng)有壓力監(jiān)控措施，主控機(jī)上顯示所有分控監(jiān)控措施?；瑝K跟滑道的摩擦力變化時(shí)，頂推壓力也相應(yīng)變動(dòng)，在壓力不超過一定范圍值內(nèi)，系統(tǒng)不報(bào)警。當(dāng)超壓時(shí)，分控系統(tǒng)會報(bào)警，并在顯示上體現(xiàn)出來，液壓泵站限壓裝置啟用，使水平千斤頂壓力不再升高，頂推力不會增大，保護(hù)鋼梁和主墩安全。當(dāng)墩頂上突然停電時(shí)，主控機(jī)上監(jiān)控立即顯示停電分控系統(tǒng)，并下令其他分控系統(tǒng)停止執(zhí)行當(dāng)前指令，防止其他水平千斤頂壓力超壓，保護(hù)鋼梁和所有主墩的安全。主控機(jī)發(fā)出指令給各分控系統(tǒng)執(zhí)行是同步性的，即主控機(jī)同時(shí)對各分控系統(tǒng)發(fā)出指令，各分控系統(tǒng)同時(shí)執(zhí)行指令，各墩的水平千斤頂同時(shí)動(dòng)作，使得主墩受到較小的水平力，保護(hù)主墩安全。

3.4 頂推過程控制措施

(1)頂推力的確定

在倒換滑塊起頂時(shí)，可確定各個(gè)墩頂?shù)闹Х戳?，按照?shí)測滑塊的靜摩擦系數(shù)計(jì)算出摩阻力，再根據(jù)摩阻力來確定千斤頂需施加的頂推力?；瑝K和滑槽的相對位置采用自動(dòng)加黃油的裝置，確保頂推過程中同步性和減少摩擦力。剛開始頂推時(shí)，拼裝平臺水平千斤頂加載至85%，1?！?0＃橋墩水平千斤頂加載至70%，再同步頂推；頂推走完6 m之后，停止頂推，放鋼絞線使滑塊不受力再重新加載，拼裝平臺水平千斤頂加載至70%，1＃～10＃橋墩水平千斤頂加載至85%，再次同步頂推至12 m。主梁頂推過程中監(jiān)控測量鋼梁的應(yīng)力，一旦出現(xiàn)異常，則立即停工，查找原因，并予以調(diào)整。處理完問題后再繼續(xù)頂推。

(2)頂推過程中橋墩受力及變形控制

根據(jù)結(jié)構(gòu)的受豎向支反力可知，在橋墩受最大支反力作用時(shí)，橋墩受最大彎矩為260 040 kN·m，假設(shè)滑塊摩擦系數(shù)為0.05，橋墩受最大縱向水平力為43 340×0.05＝2 167 kN。由最大彎矩引起的縱向位移為0.013 7×260 040/1 000＝3.6 cm；由最大縱向水平力引起的縱向位移為0.7×2 167/1 000＝1.5 cm；最不利縱向?yàn)閮烧忒B加，為5.1 cm，所以要求墩頂縱向位移不能超過5 cm，如頂推能達(dá)到多點(diǎn)同步，墩頂縱向位移不超過4 cm。

在主墩墩頂進(jìn)行線形監(jiān)測，將監(jiān)測數(shù)據(jù)和實(shí)際理論數(shù)據(jù)對比。當(dāng)超出預(yù)警值，立即停止頂推工作，通過增加或減少水平力、抄墊，進(jìn)行糾偏等辦法解決后再進(jìn)行下一步工作。

4 多跨鋼梁頂推糾偏控制技術(shù)

4.1 糾偏工法的選擇

頂推施工過程中的糾偏工法主要包含靜態(tài)糾偏法和動(dòng)態(tài)糾偏法。本工程中混凝土主墩高度近72 m，糾偏時(shí)產(chǎn)生的水平力將作用于主墩頂面，對混凝土主墩整體產(chǎn)生巨大的偏心彎矩，如偏心彎矩過大，會對混凝土主墩造成結(jié)構(gòu)上的破壞，所以需要通過嚴(yán)格控制作用在各混凝土主墩的水平糾偏力來保證偏心彎矩?cái)?shù)值處于安全數(shù)值范圍內(nèi)，使混凝土墩結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

(1)靜態(tài)糾偏法

本工程中桁節(jié)點(diǎn)最大支反力達(dá)2 233 t，邊桁1 896 t，按靜摩擦系數(shù)為0.1考慮，該混凝土墩墩頂面將承受水平反力為:(2 233＋1 896×2)×0.1＝603 t。該水平反力較大，對混凝土主墩整體產(chǎn)生的偏心彎矩也較大，混凝土墩結(jié)構(gòu)安全存在較大風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，靜態(tài)糾偏時(shí)，鋼梁必須處于停止頂推狀態(tài)，各墩支撐滑塊安裝糾偏反力座裝置，需投入大量的人員、材料，糾偏作業(yè)的時(shí)間也較長，影響主線工期。

(2)動(dòng)態(tài)糾偏法

動(dòng)態(tài)糾偏法即在頂推的同時(shí)進(jìn)行糾偏作業(yè)。根據(jù)監(jiān)測的軸線數(shù)據(jù)，通過安裝在鋼梁支持滑塊上的主動(dòng)糾偏裝置，在鋼梁頂推行進(jìn)的同時(shí)調(diào)整鋼梁的軸線，確保鋼梁和混凝土主墩的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)安全。動(dòng)態(tài)糾偏的混凝土墩墩頂面將承受水平反力為:(2 233＋1 896×2)×0.06＝362 t。由于動(dòng)摩擦系數(shù)遠(yuǎn)小于靜摩擦系數(shù)，水平反力較小，所以對混凝土主墩整體產(chǎn)生的偏心彎矩也較小，混凝土墩結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)較低。糾偏作業(yè)與頂推作業(yè)是同時(shí)進(jìn)行的，大大減少了人員、材料的投入，縮短主線工期，提高施工效率。

通過對比，最終選擇采用動(dòng)態(tài)糾偏法施工。

4.2 多跨動(dòng)態(tài)糾偏裝置

目前，常規(guī)施工主要采取靜態(tài)糾偏的方式來實(shí)現(xiàn)鋼桁梁的線形調(diào)整，即當(dāng)梁體靜止時(shí)通過在下部滑道預(yù)埋強(qiáng)力反力牛腿，再利用千斤頂將糾偏力施加于牛腿與梁體之間，從而實(shí)現(xiàn)鋼桁梁整體偏移糾正，但此種方式無法在頂推過程中使用，須在頂推完成后梁體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)進(jìn)行，不能及時(shí)地對梁體線形進(jìn)行調(diào)整，鋼桁梁在頂推過程中線形不受控。本工程中，采用液壓千斤頂為糾偏動(dòng)力源，與鋼梁支撐滑塊融合一體的方案。通過給鋼梁支撐滑塊增加“翅膀”的設(shè)計(jì)，解決了邊頂推邊糾偏的技術(shù)難題。多跨動(dòng)態(tài)糾偏裝置如圖6所示。

圖6 多跨動(dòng)態(tài)糾偏裝置

4.3 多跨動(dòng)態(tài)糾偏過程控制

(1)動(dòng)態(tài)糾偏力的確定

在糾偏前，根據(jù)監(jiān)控測量數(shù)據(jù)給出的各墩各桁支反力N的大小，通過計(jì)算(F＝N×0.06)得到動(dòng)態(tài)糾偏力的數(shù)值。

(2)動(dòng)態(tài)糾偏過程中受力及線形控制

頂推、糾偏工作就緒后，首先選擇手動(dòng)模式，逐一將糾偏千斤頂?shù)幕钊旄踪N合滑道梁側(cè)面反力板。根據(jù)控制指令，操作人員在鋼梁頂推行進(jìn)過程中繼續(xù)增加糾偏千斤頂?shù)膲毫?。分別按50%、80%、90%、100%逐步加載，在其逐步加載狀態(tài)下，檢查各受力結(jié)構(gòu)變形情況。檢查油泵、糾偏千斤頂、糾偏鋼結(jié)構(gòu)螺絲、滾輪，如有異常立即報(bào)告。

加載80%后，如果鋼梁支撐滑塊已經(jīng)開始緩慢橫向偏移，應(yīng)停止進(jìn)一步加壓，維持現(xiàn)壓力，以便盡量減小糾偏反力，減小糾偏對混凝土墩的影響。

根據(jù)監(jiān)控測量數(shù)據(jù)，作好鋼梁支撐滑塊在糾偏前的初始位置，明確糾偏的方向和橫向偏移量；當(dāng)滑塊橫向偏移接近預(yù)先設(shè)定數(shù)值時(shí)，應(yīng)該逐步減小糾偏千斤頂?shù)膲毫?，減慢滑塊橫移的速度，保證不出現(xiàn)糾偏過量的情況。

5 結(jié)束語

針對長距離、大重量三門峽公鐵兩用大橋鋼桁梁頂推施工，通過設(shè)置一臺線纜型令牌總線模式遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及11套現(xiàn)場控制系統(tǒng)，成果實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)集中管理、分散控制，所有數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)通過軟件分析后下達(dá)指令至各個(gè)千斤頂，首先分級加載預(yù)緊，然后再進(jìn)行位移同步頂推，可以保證鋼桁梁頂推精度及同步性。各墩的水平千斤頂同時(shí)動(dòng)作，使所有墩均勻合理承載受力，保護(hù)了主墩墩身安全。通過在鋼桁梁頂推支墊滑塊上設(shè)置動(dòng)態(tài)糾偏裝置，成功實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)過程中用最小的糾偏力實(shí)現(xiàn)糾偏效果，可及時(shí)有效地對鋼桁梁線形進(jìn)行調(diào)整，保障了施工質(zhì)量。所采用的多點(diǎn)連續(xù)頂推施工同步控制技術(shù)使三門峽黃河公鐵兩用大橋鋼梁頂推順利完成，創(chuàng)造出目前連續(xù)頂推距離最長、頂推重量最重的公鐵兩用橋梁世界第一，為今后類似工程建設(shè)提供重要參考。