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上進行預(yù)拼裝，同時在鋼梁下設(shè)置上滑道，在墩臺頂面鋪設(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)計橋位。而步履式頂推法則通過液壓泵站對施工中易控制與調(diào)整結(jié)構(gòu)偏位的頂推設(shè)備驅(qū)動來實現(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，對這些影響因素進行分析和控制，不僅能保證工程安全與質(zhì)量，也能對改進頂推法的效果進行有效評估和預(yù)測。

本文以滬杭甬高速錢塘江大橋為工程背景，結(jié)合步履式頂推和拖拉式頂推的施工特點，介紹了本項目的施工控制重難點、具體實施內(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為跨徑組合為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

主桁標準桁片為兩個節(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 主橋鋼桁梁標準橫斷面布置圖（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)點橫梁與下層軌道節(jié)點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

2.1 頂推施工方法

錢塘江大橋為主跨240 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，且橋位處運輸條件差，超高、超寬、超重鋼桁梁節(jié)間難以整體運輸進場，因此只能采用零散、小構(gòu)件運輸?shù)浆F(xiàn)場進行散拼頂推施工工藝。根據(jù)施工圖設(shè)計和施工方案，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)置臨時墩LD1～LD5，共計10 個臨時墩?？v橋向，臨時墩LD1 距離ZQ3#墩70 m，其余臨時墩跨度均為80 m，見圖3。

圖3 臨時墩布置圖（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行施工（見圖4），即在主墩墩旁托架和臨時墩墩頂安裝滑道梁，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，在步履機頂設(shè)置墊梁，通過步履機三向千斤頂對鋼梁進行頂推和頂推過程中的糾偏。南岸主桁則采用多點拖拉式頂推施工。每個臨時墩及墩旁托架設(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，頂推摩阻力相對較小，采用單動一側(cè)連續(xù)千斤頂?shù)姆绞竭M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)向限位裝置的對滑塊進行約束；最終鋼桁梁頂推到墩頂設(shè)計位置后，則采用橫移滑座進行糾偏。

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，在控制策略上對前期計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)均是一個動態(tài)過程，需實時了解并調(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，受溫度變化加工制造誤差、現(xiàn)場臨時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)采用主動測量及時糾偏技術(shù)，即針對每一節(jié)間架設(shè)或各次頂推完成后的測量數(shù)據(jù)進行分析，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，是確保施工達到設(shè)計要求的前提和保障。在主梁頂推過程中，主桁結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，正負彎矩交替變換，因而需要對其結(jié)構(gòu)的總體安全性和穩(wěn)定性加強控制以及臨時支撐系統(tǒng)的安全控制。

因此，在頂推施工開始前，應(yīng)對關(guān)鍵桿件的應(yīng)力分布進行計算分析。在頂推施工過程中，對關(guān)鍵桿件的應(yīng)力進行實時監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論計算結(jié)果進行對比分析，確保結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)準確，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，決定各臨時支撐點反力的大小，從而影響鋼梁的內(nèi)力狀態(tài)，如果控制不當(dāng)，會造成個別支點反力過大，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)力都需要重點關(guān)注，必要時應(yīng)進行適當(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。目前計劃采用頂落梁的方式實現(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，給合龍帶來較為嚴峻的考驗。

（4）多跨長聯(lián)對支座預(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的溫度影響，會導(dǎo)致主梁的梁長發(fā)生變化，進而引發(fā)支座偏移。因此在支座安裝時必須根據(jù)理論計算結(jié)果對支座安裝進行預(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的順利連接。由于采用栓接形式，對加勁弦及剛性吊桿的制造精度提出了較高的要求，同時考慮到鋼桁梁頂推到位時在臨時墩上的變形特點和誤差水平，需重點做好吊桿預(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：如何實現(xiàn)無合龍段情況下的合龍口順利拼接、日照溫差對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墩抄墊高度偏差對結(jié)構(gòu)的影響分析等。

3.1 監(jiān)控計算說明

采用Midas Civil 建立全橋監(jiān)控計算分析模型，施工過程進行正裝分析，得到施工過程中各個控制參數(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 個節(jié)點、34 638 個單元。有限元模型見圖5。

圖5 錢塘江大橋全橋有限元模型

3.2 主桁合龍前各臨時墩回落量計算

針對兩側(cè)向中央頂推的施工總體方案，通過理論計算確定了兩個工區(qū)合龍口相應(yīng)調(diào)平方案（通過部分臨時墩回落措施），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）

通過計算，通過對部分臨時墩進行相應(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，該臨時墩回落方案可行。

圖7 臨時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)對桁間溫差對合龍口的豎向及縱橋向線形影響進行相應(yīng)的敏感性分析，按5℃和10℃的桁間溫差分別對一工區(qū)合龍口及二工區(qū)合龍口線形影響進行定量分析。

計算結(jié)果表明，日照溫差對于合龍口高差的影響較小，而對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)合龍口長度擴大約18 mm，兩片主桁合龍口寬度差達到近60 mm。

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

3.4 臨時墩抄墊高度偏差對結(jié)構(gòu)的影響分析

在頂推過程中，需要對各臨時支撐點進行相應(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，針對實際頂推施工中可能發(fā)生的抄墊高度偏差，本節(jié)進行相應(yīng)抄墊量偏差影響試算，以了解結(jié)構(gòu)對抄墊量偏差的敏感性。

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

圖8 理論抄墊高度下各臨時墩反力分布情況（單位：kN）

計算表明，抄墊高度的偏差對支反力影響較大，最大影響量近10%。抄墊誤差對結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響量相對較小。因此，應(yīng)重點關(guān)注臨時墩反力的變化情況。

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。

鋼桁梁線形測點布置每梁段前端，橫向設(shè)置3個標高觀測點（其中A、C 測點位于主桁上弦桿上緣、B 測點位于對應(yīng)斷面橫梁中心上緣），測點布置見圖9，在每一施工循環(huán)各主要工況作用前后，采用精密水準儀觀測主桁各線形控制點的標高和位移（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，對本橋主桁施工過程線形控制控制進行說明。合龍前頂推完成后，大部分支點抄墊實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抄墊高程存在偏差，以及現(xiàn)場實際位移響應(yīng)與理論值不同，左右側(cè)主桁合龍端高程相對誤差為5.0 cm 和4.6 cm，見表2。

表2 合龍前各支點抄墊及合龍口誤差情況 單位：m

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

表3 合龍前鋼桁梁支點理論計算調(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，達到了預(yù)期目標。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，臨時荷載變化頻繁，桁架桿件應(yīng)力在整個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，對鋼桁梁桿件應(yīng)力進行監(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，配合振弦測試儀與自動化網(wǎng)絡(luò)綜合測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集箱進行應(yīng)力測試（見圖12），可及時發(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，對橋梁進行實時跟蹤監(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)力計算值與實測值的總體規(guī)律一致，偏差較小，桿件應(yīng)力水平在合理范圍內(nèi)，表明計算模型與結(jié)構(gòu)的實際狀態(tài)較為接近，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

表5 斜腹桿應(yīng)力理論值與實測值最大值對比 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，記錄橋墩沉降及偏位觀測點數(shù)據(jù)作為初值，每個月對橋墩變位觀測點進行一次觀測，且在頂推施工前后等關(guān)鍵工況對變位測點進行觀測，見圖14。

圖14 主墩高程及偏位測量測點布置及棱鏡

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為工程背景，簡要介紹了本項目所采用的改進步履式頂推施工法和拖拉式多點頂推法及其施工控制的重難點，以施工圖設(shè)計和施工方案為依據(jù)開展監(jiān)控計算，制定了針對性的施工監(jiān)測方案。

頂推施工過程中，對主桁線形、應(yīng)力、主墩變位等結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行了監(jiān)測。頂推施工完成后，支點抄墊實測高程與理論高程總體接近，經(jīng)過合龍前的糾偏調(diào)整，合龍口的高程相對偏差滿足要求；整個頂推施工過程中，關(guān)鍵桿件應(yīng)力與計算值基本符合，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，對同類型橋梁的施工控制具有一定的借鑒意義。