鋼結(jié)構(gòu)橋梁安裝頂推工藝施工探討

梅鴻飛

（中鐵長(zhǎng)安重工有限公司，陜西 西安 710032）

0 引言

目前，頂推施工技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，成為橋梁建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)。此技術(shù)在1974年，首次被我國(guó)采用［1］。當(dāng)時(shí)在迪克河上修建一座鐵路橋，采用此技術(shù)建成的鐵路橋建設(shè)質(zhì)量獲得了認(rèn)可［2］。在此鋼結(jié)構(gòu)橋梁頂推施工過程中，從傳統(tǒng)的升降滑梯改為現(xiàn)代千斤頂和階梯上升，滑面從鋼板改為玻璃板。此方法建造橋梁的好處之一是階梯上升的方法可以克服地形，特別是山谷、大河、湖泊、海洋的限制。在橋頭工地進(jìn)行澆筑和組裝工作［3］，并以角度作為長(zhǎng)推，然后梁體依靠滑塊和旋轉(zhuǎn)路徑向前推動(dòng)?？偟膩碚f，導(dǎo)梁形狀的合理選擇可以減少對(duì)主梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力作用。在施工期間，可以使用臨時(shí)結(jié)構(gòu)［4］，例如外部橋梁、住宅電纜結(jié)構(gòu)或后部圍欄。

1 相關(guān)理論基礎(chǔ)

1.1 頂推法的概念

頂推法是借助臨時(shí)滑道推動(dòng)橫梁使其平行移動(dòng)的施工方法。這種工作方法的好處是，臨時(shí)滑道可以減少摩擦［5］，橫梁不能在并行過程中產(chǎn)生沖擊力，從而使梁的位置更合適。鋼結(jié)構(gòu)的施工操作很關(guān)鍵，需要注重受力平衡，可根據(jù)施工點(diǎn)數(shù)量來選擇合適的安裝方法，最大限度地確保施工安全［6］。

1.2 頂推法的施工方法

頂推法在具體使用的過程中，會(huì)使用到千斤頂，形成了梁體水平方向上的作用力，膜路和橫梁之間的摩擦力并不是很大［7］，能夠在尋求平衡的過程中，節(jié)省時(shí)間成本，避免強(qiáng)力沖擊的問題發(fā)生，也可以根據(jù)設(shè)備功率來靈活地使用頂推法。在組裝好的地板或橋柱上放置起重裝置，通過端口和橋臺(tái)的反作用力可以很好地控制梁體打滑時(shí)產(chǎn)生的摩擦力［8］，因此在頂推連續(xù)梁中多點(diǎn)頂推法得到了廣泛使用。

1.3 鋼結(jié)構(gòu)橋梁大跨頂推施工技術(shù)

圖1 頂推平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

1.3.1 臨時(shí)墩的設(shè)置和頂推平臺(tái)。施工時(shí)需要考慮的因素很多,頂推平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。頂推支點(diǎn)與鋼梁拼裝胎架的結(jié)構(gòu)很特殊，采用分離式結(jié)構(gòu)，可以有效地控制投放鋼材的速度和精度，大大提高施工效率，降低施工誤差。

1.3.2 控制雙邊主梁頂推。

①同步頂推控制技術(shù)。多點(diǎn)步履式同步頂推在實(shí)際使用過程中，主要對(duì)梁頂作業(yè)提供工具和技術(shù)支持，把油管泵站和設(shè)備關(guān)聯(lián)起來，借助控制器來達(dá)到良好的控制效果，同時(shí)，借助中央控制器可以有效減少雙邊主梁頂推的誤差［9］。

②組合豎曲線頂推施工控制技術(shù)的工作原理以及操作方法如圖2所示。由圖2分析發(fā)現(xiàn)，圖2（a）為裝配基線與右側(cè)截面鋼梁裝配線的交匯處，為后續(xù)鋼梁的拼裝和施工提供了一定的便利條件。圖2（b）是弧線線段鋼梁拼接數(shù)量達(dá)到預(yù)設(shè)的數(shù)值后，會(huì)出現(xiàn)線性交叉，也就意味著兩條裝配基線不再平行，逐漸形成一定的夾角［10］。圖2（c）表明鋼梁在沒有任何調(diào)整的情況下被直接推到原始線形，然后立即組裝鐵梁，組裝鐵梁的底座和流水線出現(xiàn)交叉，圖2（d）顯示了之前出現(xiàn)每個(gè)短段的高度調(diào)整。

圖2 組合線形頂推

③主塔塔身凈寬尺寸不是很大，塔身和頂推鋼梁之間的距離達(dá)到5 cm。如果在施工的過程中，位置發(fā)生偏移，導(dǎo)致兩者安全間距發(fā)生了變化，就會(huì)使塔身和鋼梁發(fā)生碰撞，在碰撞過程中，產(chǎn)生沖擊力和不規(guī)則作用力，進(jìn)而對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性造成威脅。所以，在具體施工的過程中，必須同時(shí)監(jiān)測(cè)推桿軸的偏移，用步履式頂推設(shè)備和橫線千斤頂對(duì)軸線進(jìn)行糾偏。

2 工程案例分析及頂推施工技術(shù)應(yīng)用

2.1 工程概況

某橋梁工程主橋?yàn)椋?0+120+60）m,這座橋是按照城市道路的標(biāo)準(zhǔn)建造的。

2.2 工程施工特點(diǎn)分析

本橋梁工程為Ⅱ～（3）級(jí)航道，在施工期間，船舶的航行不會(huì)受到干擾。施工階段，渠道寬度應(yīng)大于84 m。主橋是很特殊的鋼混凝土結(jié)構(gòu)，在建造過程中，整個(gè)結(jié)構(gòu)并沒有很強(qiáng)的扭轉(zhuǎn)能力。鋼結(jié)構(gòu)比較脆，剛性不強(qiáng)，工程所處的區(qū)域處于陡坡，與地面有16 m的高差，增加了施工的難度，岸頂寬度為50 m，通過地面承載鐵梁，采用單側(cè)頂推的方法進(jìn)行施工。

2.3 應(yīng)變值的計(jì)算

在正常情況下，又已知了結(jié)構(gòu)材料的彈性模量，就可以計(jì)算出結(jié)構(gòu)體的應(yīng)力。

溫度引起的應(yīng)變值ε溫如式（1）所示。

式中：T為傳感器溫度值，℃；T0為初始溫度值，℃；F為膨脹系數(shù)；F0為線膨脹系數(shù)。

鋼材的應(yīng)力σ如式（2）所示。

式中：ε為測(cè)量應(yīng)變值，με；ε溫為應(yīng)變值，με；E為彈性模量值。

2.4 仿真模擬頂推過程

在頂推施工時(shí)，工作區(qū)和制造區(qū)存在不同類型的力，也會(huì)影響施工設(shè)備。在進(jìn)行施工作業(yè)時(shí)，要確定引梁參數(shù)、梁強(qiáng)度等施工參數(shù)。在頂推操作的過程中，仿真模擬試驗(yàn)要落實(shí)到位，根據(jù)模擬試驗(yàn)結(jié)果，來確定和實(shí)際參數(shù)值的偏差是否超出安全范圍，及時(shí)做出調(diào)整，避免施工安全事故的發(fā)生。在不同階段，頂推和施工受力有很大的差異，使用Midas Civil軟件創(chuàng)建了13種截面和2種材料，并包含很多不同的單元，為背撐的創(chuàng)建提供支持，借助彈力連接，不斷優(yōu)化構(gòu)件之間的有效連接。借助模型模擬，來確定磨損函數(shù)的構(gòu)成參數(shù)值，確保頂推施工安全實(shí)施，降低變形發(fā)生的可能性。表1主要反映的是模型分析的詳情結(jié)果。

表1 模型模擬仿真分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

2.5 頂推過程的結(jié)構(gòu)計(jì)算

基于梁?jiǎn)卧娜珮蚩臻g有限元模型，結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力如圖3所示。

2.6 基于頂推施工技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)橋梁超重柔性鋼梁應(yīng)用

2.6.1 鋼結(jié)構(gòu)橋梁的頂推施工流程。頂推施工流程：①工作臺(tái)面施工。工作臺(tái)面前鋼導(dǎo)梁、上后支撐等應(yīng)臨時(shí)拼裝，在岸邊和河中央做一個(gè)臨時(shí)支柱。②在推頂操作的過程中，鋼導(dǎo)梁、背撐等部位和臨時(shí)措施配合使用，在梁體處完成拼裝，確保各個(gè)零件都能夠順利安裝完畢。完成之后，需要把梁體和鐵導(dǎo)梁連接起來。③將鋼制導(dǎo)梁、后支架和梁體一起向前推，在后推工作面上進(jìn)行梁體零件的組裝。④重復(fù)以上三個(gè)步驟。⑤推入操作完成后，將梁體推入到位。

圖3 結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力

2.6.2 施工前期準(zhǔn)備。

①頂推施工技術(shù)的頂推作業(yè)平臺(tái)選址。從實(shí)際情況來看，現(xiàn)場(chǎng)開闊、平坦，該區(qū)域無居住空間，合理地設(shè)置推頂工作層運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)值，選定相應(yīng)的施工設(shè)備和支撐技術(shù)，能夠最大限度地確保施工質(zhì)量。在運(yùn)輸方式的選擇上，如果是施工材料或者器具類，可以直接使用陸路運(yùn)輸。施工地的地形比較復(fù)雜，地勢(shì)高，搭建頂推作業(yè)平臺(tái)的可能性不大。

②鋼結(jié)構(gòu)橋梁的臨時(shí)墩布設(shè)。主要設(shè)置在彎道位置，項(xiàng)目特點(diǎn)集中體現(xiàn)在：運(yùn)行速度不快，橋梁和上游彎道的間距不到400 m，橋和路口的間距也在400 m以內(nèi)。要設(shè)置三個(gè)臨時(shí)端口，占用部分航道水域，想要最大限度地保障項(xiàng)目可以正常運(yùn)行，就需要合理設(shè)置臨時(shí)墩的間距，使其控制在合理范圍內(nèi)，兩個(gè)臨時(shí)墩的間距至少在90 m以上。

③鋼結(jié)構(gòu)橋梁的頂推設(shè)備。頂推施工過程中梁體表面未完全損壞，頂推過程穩(wěn)定，但是建設(shè)成本較高。頂推式設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是總施工成本低，但缺點(diǎn)是頂推施工時(shí)難以保證同步，臨時(shí)口有較大的水平力。頂推施工過程中，梁體表面破損嚴(yán)重，容易蠕變。綜合分析兩類頂推設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)及工程性質(zhì)，決定采用步履式頂推設(shè)備。

2.6.3 鋼結(jié)構(gòu)橋梁的頂推施工關(guān)鍵點(diǎn)。

①施工仿真模擬。在頂推施工的過程中，最大跨度數(shù)值達(dá)到90 m。施工的難度很大，在施工過程中，可能會(huì)遭遇較大的風(fēng)險(xiǎn)。在頂推操作過程中，想要最大限度地降低施工風(fēng)險(xiǎn)，就需要借助仿真模擬的情況，進(jìn)一步地采取控制措施。本項(xiàng)目在具體運(yùn)行的過程中，主要利用專業(yè)的仿真軟件Midas Civil來完成整個(gè)仿真操作過程，確定的材料類型有兩種，還有1 533個(gè)單元，對(duì)不同構(gòu)件間的連接進(jìn)行彈性設(shè)置，主梁最大應(yīng)力數(shù)值設(shè)置為117 MPa最為合適，撓度的最大數(shù)值達(dá)到139 mm。在施工過程中，嚴(yán)格控制各項(xiàng)參數(shù)，固定橡膠接頭，每個(gè)組件的黏合是通過改變組件來確定的。

②頂推作業(yè)平臺(tái)與臨時(shí)墩設(shè)計(jì)。由于該項(xiàng)目是用電動(dòng)機(jī)固定的，所以在主梁段組裝時(shí)，本項(xiàng)目采用步履式頂推設(shè)備，拼裝主梁節(jié)段時(shí)，步履式頂推設(shè)備處于落空狀態(tài)，使組裝好的胎架無負(fù)載。推頂操作實(shí)施的過程中，能夠借助拼裝，來確定支點(diǎn)剛度，控制在合理范圍內(nèi)，確保梁體負(fù)荷在可承受范圍內(nèi)。鋼結(jié)構(gòu)的不同部位承受力存在著較大的差異，本項(xiàng)目把頂推作業(yè)平臺(tái)設(shè)計(jì)作為重點(diǎn)，設(shè)計(jì)了拼裝胎架分離結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 頂推作業(yè)平臺(tái)（單位：mm）

在本項(xiàng)目中，由于橋梁的寬度和重量較大，以及河中的三個(gè)臨時(shí)港口的設(shè)計(jì)必須考慮梁的自重、水流的沖擊力，在本項(xiàng)目中臨時(shí)墩設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 臨時(shí)墩（單位：mm）

③鋼導(dǎo)梁、背撐。項(xiàng)目主要以雙邊主梁結(jié)構(gòu)為主，結(jié)構(gòu)剛度較小，頂推結(jié)構(gòu)最大長(zhǎng)度為90 m。鋼導(dǎo)梁的受拉和梁體的受力在后部加裝臨時(shí)框架支架后得到明顯改善。

④鋼結(jié)構(gòu)橋梁的頂推工程控制。本項(xiàng)目中采用的是單向頂推，施工過程為直線段—弧線段—直線段，所以施工難度很大，必須考慮后續(xù)施工的效率，針對(duì)這一問題，本方案施工采用以下方法：一是起始直線段，如果采用頂推操作，那么就需要確保拼裝平臺(tái)和梁體始終維持在平行狀態(tài)；二是中間弧線段梁體拼裝末端線和拼裝平臺(tái)要相互交叉，逐漸形成夾角；三是要對(duì)臨時(shí)支點(diǎn)高程進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，使鋼結(jié)構(gòu)橋梁頂推施工過程中各平臺(tái)高度符合工程需要。

3 結(jié)語(yǔ)

鋼結(jié)構(gòu)橋梁頂推施工操作的過程中，需要確保推頂平臺(tái)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)置，借助支撐來靈活地調(diào)整鋼梁頂推施工方式。在具體施工過程中，需要把頂推跨度控制在合理范圍內(nèi)，解決頂跨前端位移大等問題，采用后護(hù)欄與導(dǎo)梁相結(jié)合的方式施工。從而使鋼梁順利頂推穿越混凝土，滿足設(shè)計(jì)要求，取得良好的施工效果。