倒V字形鋼箱梁整體空中頂推施工創(chuàng)新技術(shù)

卜東平 趙振

1.西安建工建設(shè)控股有限公司，西安 710065；2.陜西建工第二建設(shè)集團(tuán)有限公司，西安 721000

1 工程概況

陜西省西咸新區(qū)灃東新城中部的天臺(tái)六路西起已設(shè)計(jì)的科源東路，東至規(guī)劃車城一路，是連接繞城高速公路東西兩側(cè)的車城區(qū)與科統(tǒng)區(qū)的主要干道，紅線寬60 m，雙向8車道，全長(zhǎng)821.941 m，沿線分別與規(guī)劃繞城高速公路的西輔道、主路、東輔道等交叉，如圖1所示。主橋?yàn)榉蛛x式立交，兩幅橋形式?？绺咚僦骶€單幅橋?qū)?0.5 m，長(zhǎng)372.5 m，橋跨組成為3×37.5 m+（37.5+3×35.0）m+3×37.5 m，沿道路設(shè)計(jì)線徑向布置。橋梁雙向縱坡均為4%，在上跨位置豎曲線平穩(wěn)通過(guò)，成倒V字形。上部結(jié)構(gòu)采用鋼箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用圓柱式墩、墻式臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

圖1 天臺(tái)六路過(guò)繞城高速公路立交工程

主線橋鋼箱梁共3聯(lián)。第1聯(lián)與第3聯(lián)采用常規(guī)吊裝法施工。第2聯(lián)的第2、第3跨鋼箱梁采用常規(guī)吊裝法，在繞城高速公路西側(cè)整體安裝完成后采用頂推法施工跨過(guò)繞城高速公路到達(dá)設(shè)計(jì)位置，采用常規(guī)吊裝法施工第2聯(lián)的第1、第4跨鋼箱梁。頂推段鋼箱梁總長(zhǎng)83.22 m，寬20.50 m，高1.80 m，導(dǎo)梁總長(zhǎng)15.0 m，單幅頂推鋼箱梁總質(zhì)量為876 t。施工采用步履式多點(diǎn)同步連續(xù)頂推技術(shù)施工。

2 步履式多點(diǎn)同步連續(xù)頂推創(chuàng)新技術(shù)

2.1 頂推施工技術(shù)選擇

本工程中，鋼箱梁上跨繞城高速公路時(shí)遇到既有高速公路運(yùn)營(yíng)、制造場(chǎng)地、運(yùn)輸方式、倒V字形構(gòu)造等復(fù)雜環(huán)境，采用常規(guī)頂推技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具體情況，以對(duì)高速公路運(yùn)營(yíng)影響最小為前提，有關(guān)專家就頂推方法采用牽引式頂推、后推式頂推、步履式頂推等技術(shù)進(jìn)行了研討［1］。步履式多點(diǎn)同步連續(xù)頂推施工技術(shù)成熟，頂推過(guò)程安全平穩(wěn)，施工過(guò)程不影響高速公路正常通車，且現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境可以保證該技術(shù)的安全實(shí)施［2］。通過(guò)將安裝支墩與頂推支墩分別設(shè)計(jì)、優(yōu)化路中頂推支墩、優(yōu)化前導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)、采用Midas建模分析行走工況、一次整體拼裝完成后進(jìn)行頂推等優(yōu)化工序，最終確定采用優(yōu)化后的步履式多點(diǎn)同步連續(xù)頂推技術(shù)進(jìn)行施工［3］。

2.2 頂推設(shè)備選型

步履式頂推設(shè)備的選型由頂推段鋼箱梁自重、導(dǎo)梁自重、跨徑、頂推支墩最大支反力、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等多項(xiàng)因素決定。

本工程頂推段鋼箱梁總重8 760 kN（含導(dǎo)梁重量260 kN），最大跨徑25 m，頂推距離75.5 m，共設(shè)置7組頂推支墩。根據(jù)施工單位自有設(shè)備及工期計(jì)劃安排情況，采用BLDT1000-1000步履式自動(dòng)化頂推設(shè)備，可以滿足單點(diǎn)最大頂升力1×104kN。頂推施工過(guò)程中設(shè)置不小于20 cm的豎向調(diào)節(jié)位置及不小于10 cm的水平糾偏位置。該段頂推時(shí)最少要布置12套頂推設(shè)備，負(fù)責(zé)該段鋼箱梁的起頂、水平頂推以及頂推時(shí)的橫向糾偏。在頂推設(shè)備與鋼箱梁梁底之間設(shè)鋼墊梁來(lái)分散鋼箱梁梁底應(yīng)力［4］，鋼墊梁與鋼箱梁接觸長(zhǎng)度不小于1.6 m。

2.3 多臺(tái)步履式千斤頂同步頂推工作原理

步履式自動(dòng)化頂推設(shè)備自帶豎向起頂、水平頂推及側(cè)身糾偏功能。工作時(shí)，豎向千斤頂頂起鋼箱梁，水平千斤頂向前頂推，然后將鋼箱梁下落至頂推器兩邊支點(diǎn)上，頂推器泄力后將水平千斤頂恢復(fù)到頂推之初的位置。多次重復(fù)該過(guò)程，直至頂推到設(shè)計(jì)位置。

頂推過(guò)程是自平衡的頂推動(dòng)作過(guò)程。啟動(dòng)各墩上的頂推設(shè)備后，配置在頂升系統(tǒng)上的壓力傳感器檢測(cè)到壓力并將其轉(zhuǎn)換成支反力，然后根據(jù)壓力換算值設(shè)定頂推油缸壓力。頂推油缸在要求的壓力下提供頂推力，并控制頂推支墩上兩側(cè)頂推油缸同步頂推。頂推時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)頂升支撐油缸的支反力，一方面保證頂推油缸頂推力的精確，另一方面通過(guò)調(diào)節(jié)頂升支撐油缸支反力來(lái)保證鋼箱梁受力均衡，并確保鋼箱梁?jiǎn)吸c(diǎn)單側(cè)最大允許支反力不超過(guò)設(shè)計(jì)值。一個(gè)行程推進(jìn)完成后，所有頂推油缸縮回下一個(gè)行程的起點(diǎn)，隨后進(jìn)行下一個(gè)行程的頂推［5］。

2.4 優(yōu)化后的頂推流程及主要工序施工要點(diǎn)

優(yōu)化后的頂推流程見(jiàn)圖2。

圖2 優(yōu)化后的頂推流程

2.4.1 臨時(shí)支墩的優(yōu)化方案

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)頂推段鋼箱梁臨時(shí)支墩進(jìn)行優(yōu)化，將安裝支墩與頂推支墩分別設(shè)計(jì)，使其受力明確，便于施工。另外，考慮高速公路中央分隔帶空間有限，優(yōu)化路中頂推支墩，使其既能滿足施工要求，又不影響高速公路運(yùn)營(yíng)。結(jié)合鋼箱梁的構(gòu)造特點(diǎn)，將第2聯(lián)的第2、第3跨鋼箱梁采用常規(guī)吊裝法在繞城高速公路西側(cè)一次整體安裝完成后，采用頂推法施工跨過(guò)繞城高速公路到達(dá)設(shè)計(jì)位置，完成頂推。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，共設(shè)置8組安裝支墩和7組頂推支墩，其平面布置如圖3所示。

圖3 臨時(shí)支墩平面布置（單位：cm）

安裝支墩構(gòu)造如圖4所示。其基礎(chǔ)采用C20混凝土，為4.5 m×4.4 m×0.5 m的擴(kuò)大基礎(chǔ)。每個(gè)基礎(chǔ)頂面設(shè)置4個(gè)1.0 m×1.0 m×0.2 m的獨(dú)立式加臺(tái)。加臺(tái)預(yù)埋由60 cm×60 cm×1 cm的鋼板與14根40 cm長(zhǎng)的?10鋼筋穿孔塞焊而成的預(yù)埋件，以便基礎(chǔ)施工完成后與安裝支墩立柱焊接成整體。安裝支墩采用4∠100角鋼為主立柱，每組4根，平面布置為2.4 m×2.5 m，中間用［20a槽鋼作為橫聯(lián)，用∠100角鋼作為斜聯(lián)。柱頂?shù)捻敳糠峙淞翰捎肏W600型鋼，調(diào)節(jié)梁采用H400型鋼。

圖4 安裝支墩構(gòu)造（單位：cm）

頂推支墩構(gòu)造如圖5所示。其基礎(chǔ)采用C20混凝土，為5 m×5 m×1 m的擴(kuò)大基礎(chǔ)，基礎(chǔ)頂面設(shè)置4個(gè)1.0 m×1.0 m×0.2 m的獨(dú)立式加臺(tái)。加臺(tái)預(yù)埋由80 cm×80 cm×1 cm的鋼板與8根80 cm長(zhǎng)?20鋼筋穿孔塞焊而成的預(yù)埋件，以便基礎(chǔ)施工完成后與頂推支墩鋼管焊接成整體。頂推支墩采用?600螺旋焊管為主立柱，每組4根，平面布置為3.0 m×3.0 m，中間用［20a槽鋼作為橫聯(lián)，用∠100角鋼作為斜聯(lián)。柱頂采用HW600型鋼制作頂推平臺(tái)以承載頂推設(shè)備，墊梁采用H400型鋼。

圖5 頂推支墩構(gòu)造（單位：cm）

2.4.2 導(dǎo)梁的優(yōu)化方案

導(dǎo)梁是安裝在鋼箱梁前部的輔助梁，長(zhǎng)度一般為頂推最大跨徑的60%～70%。本工程頂推最大跨徑為25 m，對(duì)鋼箱梁導(dǎo)梁進(jìn)行優(yōu)化，選用15 m長(zhǎng)的邊主梁結(jié)構(gòu)。采用Midas建模分析不同工況下導(dǎo)梁的受力情況。結(jié)果表明，導(dǎo)梁在最不利工況下的最大組合應(yīng)力為19.33 MPa，其傾覆穩(wěn)定性滿足GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求。

導(dǎo)梁采用Q235C鋼材組合焊接而成，重約260 kN。兩側(cè)主梁工字形截面距離8.15 m，橫向采用鋼管桁架連接。導(dǎo)梁長(zhǎng)15 m，梁高由1.8 m（根部）漸變至1.2 m（頂部）；上下翼緣板厚32 mm，寬分別為80、160 cm；腹板厚16 mm，高度由懸臂端的1.8 m變化至1.2 m，并設(shè)10 mm厚的加勁肋。鋼管桁架上下弦桿采用直徑273 mm、厚8 mm的鋼管，立桿、斜腹桿及中間連桿均采用直徑219 mm、厚6 mm的鋼管。采用焊接連接，焊縫滿焊，焊腳尺寸6～8 mm。在箱室頂板、底板及腹板各設(shè)置2塊20 mm厚的加勁板來(lái)保證連接處的剛度。導(dǎo)梁前端底部做成圓弧形過(guò)渡，抵消大懸臂狀態(tài)的撓度，使鋼箱梁順利滑到頂推支墩頂面［6］。

2.4.3 優(yōu)化后的頂推施工步驟

采用75 t汽車吊完成現(xiàn)場(chǎng)頂推段鋼箱梁頂推支墩的施工，并將頂推設(shè)備安裝在頂推支墩頂面，而后將原本由安裝支墩承受的頂推段鋼箱梁自重荷載轉(zhuǎn)移到頂推支墩上。準(zhǔn)備工作完成后，采用步履式頂推設(shè)備進(jìn)行頂推作業(yè)。在每個(gè)頂推支墩頂面設(shè)置1組步履式千斤頂。為節(jié)約工程成本，最末端頂推支墩上采用的G組千斤頂由最前端頂推支墩上的A組千斤頂周轉(zhuǎn)而來(lái)，因此共需要6組千斤頂，參見(jiàn)圖3。

優(yōu)化后的頂推施工步驟如下。

1）準(zhǔn)備工作。主要包括搭設(shè)安裝支墩、搭設(shè)頂推支墩、拼裝頂推段鋼箱梁、安裝前導(dǎo)梁等。將頂推段鋼箱梁由安裝支墩轉(zhuǎn)移到頂推支墩上后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況拆除安裝支墩。各項(xiàng)準(zhǔn)備工作就緒后開(kāi)始試頂推。

2）鋼箱梁向前頂推6 m，這時(shí)A組千斤頂停止工作，鋼箱梁尾部最大懸空24 m，前部最大懸空11 m，如圖6所示。

圖6 頂推施工步驟2示意（單位：cm）

3）鋼箱梁再向前移動(dòng)15 m，這時(shí)F組千斤頂開(kāi)始工作，鋼箱梁尾部最大懸空9 m，前部最大懸空1 m。

4）鋼箱梁再向前移動(dòng)9 m，這時(shí)B組千斤頂停止工作，鋼箱梁尾部最大懸空24 m，前部最大懸空10 m。

5）鋼箱梁再向前移動(dòng)15 m，這時(shí)G組千斤頂開(kāi)始工作，鋼箱梁尾部最大懸空9 m，前部最大懸空1 m。

6）鋼箱梁再向前移動(dòng)9 m，這時(shí)C組千斤頂停止工作，鋼箱梁尾部最大懸空20 m，前部最大懸空9 m。

7）鋼箱梁再向前移動(dòng)20 m，這時(shí)鋼箱梁走行到位，D組千斤頂停止工作，鋼箱梁尾部最大懸空20 m，前部最大懸空29 m，如圖7所示。

圖7 頂推施工步驟7示意（單位：cm）

8）在頂推段鋼箱梁兩端搭設(shè)安裝支墩，將鋼箱梁落在頂推支墩頂及安裝支墩頂上。利用頂推設(shè)備精調(diào)頂推梁段，待標(biāo)高軸線均達(dá)到設(shè)計(jì)要求后完成體系轉(zhuǎn)換，拆除頂推設(shè)備及臨時(shí)支墩。頂推段施工結(jié)束。

2.4.4 優(yōu)化后的頂推段鋼箱梁落梁步驟

頂推段鋼箱梁走行到位后，開(kāi)始進(jìn)行線性調(diào)整并落梁。主要步驟如下：

1）安裝落梁千斤頂和鋼墊塊，在支架及平臺(tái)處撤去頂推設(shè)備，進(jìn)行力系轉(zhuǎn)換。

2）千斤頂起頂，使鋼箱梁與鋼墊塊脫空；將鋼墊塊抽取一層后，用千斤頂將鋼箱梁整體降落100 mm，使鋼箱梁重新支承于鋼墊塊上。

3）千斤頂回油，使千斤頂柱塞與梁底脫空；將千斤頂下方鋼墊塊抽出一層后，柱塞伸出，重新與梁底頂緊。

重復(fù)上述步驟，逐層抽取支座處與千斤頂下方的鋼墊塊，直至完全將鋼箱梁下落到設(shè)計(jì)位置上。

2.4.5 頂推支墩卸載要點(diǎn)

頂推支墩卸載前提條件：全聯(lián)整體箱梁焊接工作完成并經(jīng)檢驗(yàn)合格；對(duì)鋼箱梁進(jìn)行整體線性測(cè)量，符合設(shè)計(jì)要求；支座約束已解除。卸載前將每榀支撐用油漆或記號(hào)筆做好編號(hào)標(biāo)記，按施工方案有計(jì)劃有組織地卸載。

縱向卸載順序?yàn)橛蓛蛇呄蛑虚g卸載。橫向卸載順序?yàn)橛蓸蛄褐行南騼蓚?cè)懸挑部分卸載，遵循結(jié)構(gòu)本身內(nèi)力傳遞的特點(diǎn)，卸載點(diǎn)對(duì)稱布置。

卸載時(shí)統(tǒng)一步調(diào)進(jìn)行施工，各班組安排負(fù)責(zé)人一名，聽(tīng)從統(tǒng)一指揮。

卸載過(guò)程中用全站儀監(jiān)測(cè)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)監(jiān)測(cè)支撐體系沉降是否均勻。若沉降變化不均勻，應(yīng)立即停止所有操作，對(duì)不均勻沉降支墩進(jìn)行基礎(chǔ)加固處理。支墩沉降滿足要求后，復(fù)核這一區(qū)域的成橋線形，微調(diào)千斤頂使其滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

3 結(jié)語(yǔ)

在倒V字形鋼箱梁上跨繞城高速公路的復(fù)雜環(huán)境下，采用常規(guī)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)鋼箱梁頂推。本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具體情況，將安裝支墩與頂推支墩分別設(shè)計(jì)，優(yōu)化路中頂推支墩、導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)，采用Midas建模分析行走工況，并對(duì)施工工序進(jìn)行優(yōu)化，一次整體拼裝完成后進(jìn)行頂推。采用創(chuàng)新優(yōu)化后的步履式多點(diǎn)同步連續(xù)頂推技術(shù)進(jìn)行施工，將鋼箱梁順利頂推到位，節(jié)約了工期，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。