多跨長聯(lián)公軌合建鋼桁梁橋頂推施工控制技術(shù)研究

李良軍

（杭州市交通運(yùn)輸發(fā)展保障中心，浙江 杭州 310030）

0 引 言

受施工條件限制或者出于避免或降低施工對(duì)航道通行的影響，鋼桁梁橋施工采用拖拉式頂推、步履式頂推、轉(zhuǎn)體施工、架橋機(jī)架設(shè)等施工方法[1]。其中，拖拉式頂推施工主要的施工流程為待架鋼桁梁在平臺(tái)上進(jìn)行預(yù)拼裝，同時(shí)在鋼梁下設(shè)置上滑道，在墩臺(tái)頂面鋪設(shè)下滑道，利用拖拉牽引裝備將預(yù)拼鋼桁梁沿橋梁軸線縱向拖拉至設(shè)計(jì)橋位。而步履式頂推法則通過液壓泵站對(duì)施工中易控制與調(diào)整結(jié)構(gòu)偏位的頂推設(shè)備驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)頂推[2]。

鋼桁梁頂推施工過程中存在許多影響橋梁線形與應(yīng)力的因素，如鋼結(jié)構(gòu)制造誤差、結(jié)構(gòu)定位誤差、環(huán)境參數(shù)誤差等，對(duì)這些影響因素進(jìn)行分析和控制，不僅能保證工程安全與質(zhì)量，也能對(duì)改進(jìn)頂推法的效果進(jìn)行有效評(píng)估和預(yù)測。

本文以滬杭甬高速錢塘江大橋?yàn)楣こ瘫尘?，結(jié)合步履式頂推和拖拉式頂推的施工特點(diǎn)，介紹了本項(xiàng)目的施工控制重難點(diǎn)、具體實(shí)施內(nèi)容及施工控制成果，可為其他類似結(jié)構(gòu)的施工控制提供參考。

1 工程概況

滬杭甬高速錢塘江大橋?yàn)榭鐝浇M合為73.4 m+122 m+4×240 m+122 m+73.4 m 的四主跨懸鏈形上加勁連續(xù)鋼桁梁橋，橋梁建成后的效果見圖1。

圖1 滬杭甬高速錢塘江大橋效果圖

主桁標(biāo)準(zhǔn)桁片為兩個(gè)節(jié)間長度，分為20 m 節(jié)段和24 m 節(jié)段，高度14.5 m，寬度2.75 m，最大吊重114 t。主桁上、下弦桿均采用箱形截面。桁架腹桿分為豎桿和斜桿，豎桿采用H 形截面，斜桿采用H 形和箱形截面，見圖2。

圖2 主橋鋼桁梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置圖（單位：mm）

下層軌道橋面系采用正交異性鋼橋面結(jié)構(gòu)。正交異性鋼橋面由縱梁、節(jié)點(diǎn)橫梁、節(jié)間橫肋及帶縱向加勁肋的鋼橋面板組成。在上層公路節(jié)點(diǎn)橫梁與下層軌道節(jié)點(diǎn)橫梁之間布置有橫向聯(lián)結(jié)系，以減小橫梁跨度，使上下橫梁共同受力。

本橋共設(shè)置5 個(gè)橋門架立柱，橋門架立柱采用變截面箱體，內(nèi)寬和弦桿一致，下部與主桁架上弦連接，上部與上加勁弦連接。上加勁弦采用變高度箱形截面，通過吊桿與主桁上弦連接，吊桿與主桁、上加勁弦的連接方式為鉸接或栓接。

2 頂推施工方法及施工控制特點(diǎn)

2.1 頂推施工方法

錢塘江大橋?yàn)橹骺?40 m 的多跨長聯(lián)公軌兩用懸鏈形上加勁鋼桁梁橋，跨數(shù)多，跨徑大，在國內(nèi)少有先例，且橋位處運(yùn)輸條件差，超高、超寬、超重鋼桁梁節(jié)間難以整體運(yùn)輸進(jìn)場，因此只能采用零散、小構(gòu)件運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場進(jìn)行散拼頂推施工工藝。根據(jù)施工圖設(shè)計(jì)和施工方案，錢塘江大橋總體施工步驟為先安裝鋼桁梁，頂推到位后再安裝剛性加勁弦。鋼梁頂推采取兩岸雙向頂推施工，在ZQ4～ZQ5 跨內(nèi)進(jìn)行合龍。為減少鋼梁頂推跨度，在ZQ2～ZQ5#墩之間依次設(shè)置臨時(shí)墩LD1～LD5，共計(jì)10 個(gè)臨時(shí)墩?？v橋向，臨時(shí)墩LD1 距離ZQ3#墩70 m，其余臨時(shí)墩跨度均為80 m，見圖3。

圖3 臨時(shí)墩布置圖（以北岸側(cè)為例，單位：cm）

其中，北岸主桁采用步履式頂推法進(jìn)行施工（見圖4），即在主墩墩旁托架和臨時(shí)墩墩頂安裝滑道梁，并在滑道梁頂設(shè)置滑塊等滑移設(shè)備；滑道梁兩端安裝步履機(jī)，在步履機(jī)頂設(shè)置墊梁，通過步履機(jī)三向千斤頂對(duì)鋼梁進(jìn)行頂推和頂推過程中的糾偏。南岸主桁則采用多點(diǎn)拖拉式頂推施工。每個(gè)臨時(shí)墩及墩旁托架設(shè)置滑道梁，每處滑道梁設(shè)一套頂推設(shè)備，包括豎向千斤頂、水平拖拉連續(xù)千斤頂、水平橫向糾偏裝置及滑靴。在鋼梁頂推初期，由于鋼梁拼裝長度短，鋼梁剛度大，重量輕，頂推摩阻力相對(duì)較小，采用單動(dòng)一側(cè)連續(xù)千斤頂?shù)姆绞竭M(jìn)行糾偏；在鋼梁頂推及倒換滑塊過程中，采用在滑道梁頂面兩側(cè)焊接槽鋼作為導(dǎo)向限位裝置的對(duì)滑塊進(jìn)行約束；最終鋼桁梁頂推到墩頂設(shè)計(jì)位置后，則采用橫移滑座進(jìn)行糾偏。

圖4 頂推施工過程

南、北岸主桁頂推施工合龍后，剛性加勁弦通過公路橋面運(yùn)輸，在公路橋面上安裝，最后逐跨合龍。上部剛性加勁弦安裝完成后，鋼梁整體頂升，安裝永久支座，最后落梁。

2.2 頂推過程施工控制策略

（1）線形控制策略

由于本橋主梁鋼桁架梁采用頂推施工，鋼桁梁各構(gòu)件采用栓接形式，在整個(gè)施工過程中結(jié)構(gòu)的線形和內(nèi)力狀態(tài)可調(diào)整的空間很小；由于調(diào)節(jié)空間也非常有限?？梢?，本橋總體控制更接近于開環(huán)控制，在控制策略上對(duì)前期計(jì)算的精度控制要求高。

當(dāng)然，無論是步履式還是拖拉式頂推，其施工作業(yè)均是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，需實(shí)時(shí)了解并調(diào)節(jié)已組拼鋼桁梁頂推過程中的狀態(tài)，以確保鋼桁梁的整個(gè)頂推過程及成橋階段線形能滿足施工控制要求。主桁頂推施工中，線形控制難點(diǎn)主要是待拼裝梁段的定位高程確定、已拼梁段軸線的控制與糾偏。在鋼桁梁拼裝時(shí)，受溫度變化加工制造誤差、現(xiàn)場臨時(shí)荷載等各種因素影響，均可能出現(xiàn)鋼桁梁平面線形、豎向線形及雙桁高程偏差的系統(tǒng)性問題。在鋼桁梁安裝及頂推過程中，應(yīng)采用主動(dòng)測量及時(shí)糾偏技術(shù)，即針對(duì)每一節(jié)間架設(shè)或各次頂推完成后的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)已拼裝梁段在各支撐位置的線形與制造線形的偏差情況，計(jì)算調(diào)整待拼梁段的拼裝線形，并確定下一施工循環(huán)開始前的糾偏微調(diào)方案。

（2）安全控制策略

橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定、施工過程安全可靠，是確保施工達(dá)到設(shè)計(jì)要求的前提和保障。在主梁頂推過程中，主桁結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，正負(fù)彎矩交替變換，因而需要對(duì)其結(jié)構(gòu)的總體安全性和穩(wěn)定性加強(qiáng)控制以及臨時(shí)支撐系統(tǒng)的安全控制。

因此，在頂推施工開始前，應(yīng)對(duì)關(guān)鍵桿件的應(yīng)力分布進(jìn)行計(jì)算分析。在頂推施工過程中，對(duì)關(guān)鍵桿件的應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，確保結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)準(zhǔn)確，安全可靠。

此外，每次頂推循環(huán)過程中，鋼梁整體起頂和落梁后的縱坡線形，決定各臨時(shí)支撐點(diǎn)反力的大小，從而影響鋼梁的內(nèi)力狀態(tài)，如果控制不當(dāng)，會(huì)造成個(gè)別支點(diǎn)反力過大，從而使鋼梁底板發(fā)生局部失穩(wěn)破壞，因此，在頂推過程和落架階段的支撐反力和結(jié)構(gòu)內(nèi)力都需要重點(diǎn)關(guān)注，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

（3）無合龍段的控制策略

本橋頂推劃分為兩個(gè)工區(qū)，分別從兩側(cè)向中間頂推，在靠近ZQ5 墩位置45 m 處直接合龍，不額外設(shè)置合龍段。由于合龍前兩個(gè)懸臂端口的懸臂長度不同，造成施工位移存在差異，加上鋼桁梁合龍桿件多，給合龍帶來一定困難。目前計(jì)劃采用頂落梁的方式實(shí)現(xiàn)合龍，但需考慮到橋面寬度大，若橫向存在扭轉(zhuǎn)，糾偏措施難度較大，給合龍帶來較為嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

（4）多跨長聯(lián)對(duì)支座預(yù)偏的控制

主梁安裝過程受到橋梁恒載作用、施工荷載以及支座安裝時(shí)的溫度影響，會(huì)導(dǎo)致主梁的梁長發(fā)生變化，進(jìn)而引發(fā)支座偏移。因此在支座安裝時(shí)必須根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果對(duì)支座安裝進(jìn)行預(yù)偏控制。

（5）加勁弦及剛性吊的控制策略

本橋?qū)觿畔壹皠傂缘鯒U的線形控制總體要求不高，關(guān)鍵是如何保證安裝時(shí)的順利連接。由于采用栓接形式，對(duì)加勁弦及剛性吊桿的制造精度提出了較高的要求，同時(shí)考慮到鋼桁梁頂推到位時(shí)在臨時(shí)墩上的變形特點(diǎn)和誤差水平，需重點(diǎn)做好吊桿預(yù)留調(diào)節(jié)的可能，并結(jié)合現(xiàn)場頂落梁方案，實(shí)現(xiàn)加勁弦及剛性吊桿的順利安裝。

3 施工監(jiān)控關(guān)鍵問題分析

通過前期分析，本橋監(jiān)控中的關(guān)鍵問題包括：如何實(shí)現(xiàn)無合龍段情況下的合龍口順利拼接、日照溫差對(duì)鋼桁梁合龍線形的影響分析、誤差調(diào)整措施的敏感性分析以及頂推過程中臨時(shí)墩抄墊高度偏差對(duì)結(jié)構(gòu)的影響分析等。

3.1 監(jiān)控計(jì)算說明

采用Midas Civil 建立全橋監(jiān)控計(jì)算分析模型，施工過程進(jìn)行正裝分析，得到施工過程中各個(gè)控制參數(shù)，包括結(jié)構(gòu)應(yīng)力、反力、位移、荷載參數(shù)等，并為后續(xù)主桁拼裝和頂推控制提供指導(dǎo)。

主弦桿、腹桿、橫聯(lián)、鋼塔及剛接吊桿采用梁單元模擬，鉸接吊桿采用桁架單元模擬，鋼頂板采用板單元模擬。全橋共劃分為13 719 個(gè)節(jié)點(diǎn)、34 638 個(gè)單元。有限元模型見圖5。

圖5 錢塘江大橋全橋有限元模型

3.2 主桁合龍前各臨時(shí)墩回落量計(jì)算

針對(duì)兩側(cè)向中央頂推的施工總體方案，通過理論計(jì)算確定了兩個(gè)工區(qū)合龍口相應(yīng)調(diào)平方案（通過部分臨時(shí)墩回落措施），以保證合龍口的順利拼接。

鋼桁頂推就位后合龍口兩側(cè)累積豎向變形情況見圖6，一工區(qū)合龍口下?lián)狭考s為24 mm，二工區(qū)合龍口下?lián)狭繛?6 mm，兩側(cè)高差為12 mm。

圖6 頂推就位后合龍口兩側(cè)豎向累積變形（單位：mm）

通過計(jì)算，通過對(duì)部分臨時(shí)墩進(jìn)行相應(yīng)回落操作，完成合龍口的調(diào)平，具體回落調(diào)整方案見表1。

表1 合龍前各臨時(shí)墩回落量 單位：mm

在支座完成回落后，合龍口高差情況見圖7，一工區(qū)合龍口上撓19 mm，二工區(qū)合龍口上撓31 mm，兩側(cè)合龍口高差約在1 mm 以內(nèi)，理論上滿足合龍拼接需要，該臨時(shí)墩回落方案可行。

圖7 臨時(shí)墩回落后合龍口兩側(cè)豎向累積變形（單位：mm）

3.3 日照溫差對(duì)鋼桁梁合龍線形的影響分析

考慮到本橋鋼桁梁未設(shè)置合龍段，主桁合龍過程對(duì)主桁合龍口線形控制精度要求較高，且橫橋向兩片主桁間距較大，日照對(duì)兩片主桁產(chǎn)生的溫差可能帶來主桁合龍困難。因此，本節(jié)對(duì)桁間溫差對(duì)合龍口的豎向及縱橋向線形影響進(jìn)行相應(yīng)的敏感性分析，按5℃和10℃的桁間溫差分別對(duì)一工區(qū)合龍口及二工區(qū)合龍口線形影響進(jìn)行定量分析。

計(jì)算結(jié)果表明，日照溫差對(duì)于合龍口高差的影響較小，而對(duì)于合龍口寬度的影響較為敏感，10℃的桁間溫差可導(dǎo)致溫度較高一側(cè)桁片合龍口長度縮短40 mm，溫度較低一側(cè)合龍口長度擴(kuò)大約18 mm，兩片主桁合龍口寬度差達(dá)到近60 mm。

因此，在頂推就位后及時(shí)在LD4# 墩位置（一工區(qū)）和二工區(qū)臨時(shí)墩1# 處設(shè)置縱向約束，同時(shí)在溫度較為恒定的時(shí)段（深夜至日出前時(shí)段）盡快主桁片合龍鎖定以保證主桁的順利合龍。

3.4 臨時(shí)墩抄墊高度偏差對(duì)結(jié)構(gòu)的影響分析

在頂推過程中，需要對(duì)各臨時(shí)支撐點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)抄墊要保證結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)與理論受力狀態(tài)保持基本一致，針對(duì)實(shí)際頂推施工中可能發(fā)生的抄墊高度偏差，本節(jié)進(jìn)行相應(yīng)抄墊量偏差影響試算，以了解結(jié)構(gòu)對(duì)抄墊量偏差的敏感性。

分別按照理論抄墊量和次邊支點(diǎn)（2# 支點(diǎn)）抄墊量-1 cm 和+1 cm 三種情況下各臨時(shí)墩反力分布情況見圖8（臨時(shí)墩編號(hào)由左至右分別為1#～6#）。

圖8 理論抄墊高度下各臨時(shí)墩反力分布情況（單位：kN）

計(jì)算表明，抄墊高度的偏差對(duì)支反力影響較大，最大影響量近10%。抄墊誤差對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響量相對(duì)較小。因此，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注臨時(shí)墩反力的變化情況。

4 頂推施工控制工作內(nèi)容及成果

4.1 鋼桁梁線形控制

線形控制是鋼桁梁橋施工控制的主要工作和重要環(huán)節(jié)。線形控制的質(zhì)量直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)安全、桿件安裝以及全橋建成通車后的行車舒適度。

鋼桁梁線形測點(diǎn)布置每梁段前端，橫向設(shè)置3個(gè)標(biāo)高觀測點(diǎn)（其中A、C 測點(diǎn)位于主桁上弦桿上緣、B 測點(diǎn)位于對(duì)應(yīng)斷面橫梁中心上緣），測點(diǎn)布置見圖9，在每一施工循環(huán)各主要工況作用前后，采用精密水準(zhǔn)儀觀測主桁各線形控制點(diǎn)的標(biāo)高和位移（見圖10），并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果提出調(diào)整措施。

圖9 主桁線形測控點(diǎn)斷面布置示意圖（單位：cm）

圖10 主桁線形監(jiān)測

以合龍過程為例，對(duì)本橋主桁施工過程線形控制控制進(jìn)行說明。合龍前頂推完成后，大部分支點(diǎn)抄墊實(shí)測高程與理論高程接近，偏差在2 cm 以內(nèi)。但由于合龍口附近支點(diǎn)抄墊高程存在偏差，以及現(xiàn)場實(shí)際位移響應(yīng)與理論值不同，左右側(cè)主桁合龍端高程相對(duì)誤差為5.0 cm 和4.6 cm，見表2。

表2 合龍前各支點(diǎn)抄墊及合龍口誤差情況 單位：m

為保證合龍順利進(jìn)行，根據(jù)現(xiàn)場情況分析計(jì)算后，確定鋼桁梁支點(diǎn)抄墊高程糾偏、調(diào)整量見表3。

表3 合龍前鋼桁梁支點(diǎn)理論計(jì)算調(diào)整值

糾偏調(diào)整后復(fù)測結(jié)果見表4，左右側(cè)主桁合龍端相對(duì)誤差均控制在1 cm 以內(nèi)，滿足合龍需求。表明高程調(diào)整措施效果良好，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。圖11 為頂推合龍后的錢塘江大橋。

圖11 頂推合龍后的錢塘江大橋

表4 支點(diǎn)高程抄墊糾偏調(diào)整后的合龍口誤差情況

4.2 鋼桁梁關(guān)鍵截面應(yīng)力監(jiān)測

鋼桁梁橋從開始拼裝至頂推合龍完成，期間經(jīng)歷多次體系轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)重量不斷增加，臨時(shí)荷載變化頻繁，桁架桿件應(yīng)力在整個(gè)施工過程中也處于持續(xù)的變化過程中[4]。作為結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的重要指標(biāo)，對(duì)鋼桁梁桿件應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測具有相當(dāng)?shù)闹匾浴?/p>

本橋鋼桁梁頂推施工過程采用智能型溫度表貼式鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)變計(jì)，配合振弦測試儀與自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)綜合測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集箱進(jìn)行應(yīng)力測試（見圖12），可及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在施工過程中產(chǎn)生非正常的變形和應(yīng)力，對(duì)橋梁進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測。頂推施工過程中，主桁受力較不利處應(yīng)力監(jiān)測斷面布置見圖13。

圖12 自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)綜合測量系統(tǒng)

圖13 頂推施工過程中主桁受力較不利處應(yīng)力監(jiān)測斷面布置圖

以A63E64 斜腹桿為例，主要頂推工況下桿件應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果見表5。

由表5 可知，各主要頂推工況下，A63E64 斜腹桿應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測值的總體規(guī)律一致，偏差較小，桿件應(yīng)力水平在合理范圍內(nèi)，表明計(jì)算模型與結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)較為接近，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

表5 斜腹桿應(yīng)力理論值與實(shí)測值最大值對(duì)比 單位：MP a

4.3 主墩變位監(jiān)測

在鋼桁梁安裝及頂推施工過程中，橋墩在上部結(jié)構(gòu)自重和施工荷載作用下將不可避免地產(chǎn)生沉降和縱橋向偏位，橋墩變位的大小及不均勻程度將直接影響主桁和橋面的線形[5]。因此，在主桁開始頂推施工時(shí)，記錄橋墩沉降及偏位觀測點(diǎn)數(shù)據(jù)作為初值，每個(gè)月對(duì)橋墩變位觀測點(diǎn)進(jìn)行一次觀測，且在頂推施工前后等關(guān)鍵工況對(duì)變位測點(diǎn)進(jìn)行觀測，見圖14。

圖14 主墩高程及偏位測量測點(diǎn)布置及棱鏡

以ZQ2# 主墩為例，主要頂推工況下橋墩變位監(jiān)測結(jié)果見表6。由表6 可知，各主要頂推工況完成后，ZQ1#墩最大縱偏為6 mm；第八次頂推后，主墩累計(jì)沉降最大為3 mm，且左右幅縱偏、沉降量基本一致，表明橋墩變位處于合理范圍內(nèi)，對(duì)橋面線形影響較小。

表6 ZQ2# 墩主墩變位監(jiān)測數(shù)據(jù) 單位：m

5 結(jié) 語

本文以滬杭甬高速錢塘江大橋?yàn)楣こ瘫尘?，簡要介紹了本項(xiàng)目所采用的改進(jìn)步履式頂推施工法和拖拉式多點(diǎn)頂推法及其施工控制的重難點(diǎn)，以施工圖設(shè)計(jì)和施工方案為依據(jù)開展監(jiān)控計(jì)算，制定了針對(duì)性的施工監(jiān)測方案。

頂推施工過程中，對(duì)主桁線形、應(yīng)力、主墩變位等結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行了監(jiān)測。頂推施工完成后，支點(diǎn)抄墊實(shí)測高程與理論高程總體接近，經(jīng)過合龍前的糾偏調(diào)整，合龍口的高程相對(duì)偏差滿足要求；整個(gè)頂推施工過程中，關(guān)鍵桿件應(yīng)力與計(jì)算值基本符合，橋墩變位也處于合理范圍內(nèi)。

由此可知，本橋施工控制取得了良好效果，對(duì)同類型橋梁的施工控制具有一定的借鑒意義。