長跨變坡連續(xù)鋼箱梁頂推施工技術(shù)

陳 晨 陳文宏 錢桂森 鄧鵬飛

（1 蕪湖市公路管理服務(wù)中心；2 中鐵二十一局集團(tuán)第三工程有限公司)

(3 蕪湖天達(dá)重工有限公司；4 東南大學(xué)）

0 引言

我國橋梁建設(shè)快速發(fā)展，橋梁設(shè)計(jì)也不斷朝著大跨徑、大噸位、高墩塔方向發(fā)展，頂推法已經(jīng)逐漸成為橋梁主梁架設(shè)的重要施工技術(shù)[1]。頂推施工技術(shù)不但節(jié)約建筑用地面積,還因工廠化制造,提高了建筑構(gòu)件品質(zhì),同時(shí)也降低對(duì)人力與物力的投資,從而減少了成本[2]。1959 年，德圍的萊昂哈特(Leonhardt)和鮑爾(Bauer)教授首次在奧地利的阿格爾橋上使用頂推法，此后其余國家才陸續(xù)開始采用頂推法建造橋梁。國內(nèi)采用頂推法建造的橋梁，起步稍晚。直到1974 年，中國才開始在狄家河鐵路橋上采用頂推建造技術(shù)。目前頂推法主要有兩種形式，一種為拖拉式，另一種為步履式。步履式頂推法相比于傳統(tǒng)的橋梁頂推工藝，精確度高，施工效率快，工期短，安全平穩(wěn)，不產(chǎn)生墩頂水平力，梁體受力均勻，已廣泛應(yīng)用于各類橋型[3-5]。

本文工程為荊山河大橋工程，位于±2.5%坡度的豎曲線上，由此所帶來的問題是采用一岸往另一岸的單側(cè)步履式頂推施工難度較大，會(huì)形成人字形的變坡，因此針對(duì)荊山河特大橋步履式頂推關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 頂推施工方案

1.1工程概況

橋梁起點(diǎn)樁號(hào)K4+371.998，終點(diǎn)樁號(hào)K5+437.078，長1065.08m。主橋?yàn)榭鐝?0+7×63+40m=521m 的鋼混組合梁。引橋?yàn)楹喼ё冞B續(xù)小箱梁，東引橋與西引橋跨徑相同，分別為3×(3×30)=270m。梁高2.8m，3片鋼梁布置在單幅橋橫斷面上，梁距6.25m。鋼梁采用槽形斷面，與混凝土橋面板組合成箱形斷面，采用斜腹板形式的鋼梁腹板，與引橋簡支變連續(xù)小箱梁外立面保持一致。中支點(diǎn)附近鋼梁頂板寬900mm，厚度50mm，跨中頂板寬700mm，板厚25mm。鋼梁底板寬度均為2.3m，中支點(diǎn)附近底板板厚30～40mm，其余部位底板厚16mm。鋼梁腹板在支點(diǎn)附近的厚度為16mm，其余部位的腹板厚度為12mm。鋼梁支點(diǎn)處采用實(shí)腹式橫隔板，橫隔板頂面與橫梁同高?？玳g設(shè)置桁架式橫隔板，標(biāo)準(zhǔn)間距為5m。箱間橫梁采用實(shí)腹式，與箱內(nèi)桁架式隔板一一對(duì)應(yīng)布置。組合梁橋面板標(biāo)準(zhǔn)厚度240mm，在鋼梁腹板附近加厚至320mm，橋面板懸臂端部厚320mm。鋼結(jié)構(gòu)通過焊釘與混凝土連接。組合梁標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖1。

圖1 組合梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖（mm）

1.2工程難點(diǎn)

從施工環(huán)境角度看：本工程施工場地位于荊山河兩側(cè)的圩埂，離市區(qū)遠(yuǎn)，原有道路設(shè)施稀少，嚴(yán)重局限大型構(gòu)件的運(yùn)輸作業(yè)；其次主梁位于±2.5%坡度的豎曲線上，采用一岸往另一岸的單側(cè)步履式頂推施工難度大。

從施工期限角度來看：鋼橋梁施工必須在一個(gè)枯水期內(nèi)完成，現(xiàn)場安裝作業(yè)必須在11月份至第二年的6月份全部結(jié)束，工期緊任務(wù)重，而且橋梁左右幅各521m，考慮安裝進(jìn)度，頂推施工需兩幅同時(shí)進(jìn)行，臨時(shí)墩、導(dǎo)梁材料用量大，步履式頂推設(shè)備用量多（52 套400t 步履頂）；鋼梁單聯(lián)長度521m，縱向節(jié)段劃分?jǐn)?shù)量多，焊接收縮累積總量大。

1.3頂推施工工藝

1.3.1鋼梁頂推支架

本橋鋼梁頂推合計(jì)設(shè)置3 個(gè)頂推+拼裝臨時(shí)墩（L1#、L2#、L3#）、1 個(gè)頂推臨時(shí)墩（L5#）、2 個(gè)拼裝臨時(shí)墩（L4#、L6#），臨時(shí)墩基采用C30 混凝土進(jìn)行基礎(chǔ)擴(kuò)建，其中頂推臨時(shí)墩基礎(chǔ)尺寸為4.5m×4.0m×0.8m，單個(gè)基礎(chǔ)最大豎向力120t，L4#拼裝臨時(shí)墩基礎(chǔ)尺寸為4.0×1.5×0.6m，單個(gè)基礎(chǔ)最大豎向力60t，L5#拼裝臨時(shí)墩基礎(chǔ)尺寸為2.5m×1.5m×0.6m，單個(gè)基礎(chǔ)最大豎向力40t。臨時(shí)墩柱采用426mm×8mm鋼管，鋼管立柱底端焊接在擴(kuò)大基礎(chǔ)頂預(yù)埋件上，柱頂為焊接箱型分配梁（現(xiàn)場既有舊料）。鋼梁頂推支承整體布局見圖2。

圖2 鋼梁頂推立面布置圖

1.3.2鋼梁頂推設(shè)備

本橋單幅鋼梁頂推合計(jì)投入400t步履式頂推器26套，其中L1#、L2#、L3#、L5#臨時(shí)墩頂每墩布置一套，P10～P18#墩頂每墩布置2 套。頂推設(shè)備安裝在臨時(shí)墩臺(tái)和主墩墩臺(tái)的頂部，負(fù)責(zé)鋼梁的起頂、縱移頂推，并帶有頂推時(shí)橫向位移調(diào)整功能。400t步履頂結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 400t步履頂結(jié)構(gòu)圖（mm）

采用步履式頂推設(shè)備具有以下優(yōu)勢：①在頂推的過程中，下部臨時(shí)墩臺(tái)上產(chǎn)生的水平力很小。②采用同步控制系統(tǒng)，兼顧靈活性與高精度，基于Windows 平臺(tái)的自動(dòng)控制系統(tǒng)連續(xù)工作，主要進(jìn)行位移監(jiān)控，同時(shí)壓力監(jiān)控作為輔助措施，位移誤差控制在1mm以內(nèi)。③平穩(wěn)進(jìn)行頂推，不會(huì)產(chǎn)生“蛙跳”現(xiàn)象，安全可靠。④縱移油缸行程為1m，為國內(nèi)步履頂之最，頂推效率高。⑤在頂推過程中，與鋼梁之間無相對(duì)滑動(dòng)，不會(huì)破壞鋼梁的涂裝。⑥有自動(dòng)糾偏功能，當(dāng)橫向偏位超過限值后，啟動(dòng)糾偏油缸進(jìn)行糾偏調(diào)整。

1.3.3同步頂推保證措施

在頂推過程中，難以控制產(chǎn)生同樣的摩擦力，但通過千斤頂同步可以做到同樣的位移，避免了結(jié)構(gòu)發(fā)生偏移的不利局面。

當(dāng)頂升千斤活塞伸出頂起箱梁時(shí)，活塞伸出向外推動(dòng)箱梁頂部前進(jìn)。主控臺(tái)控制橋墩上頂推千斤頂?shù)膭?dòng)作保持相同，每一次頂推行程也需要保證全部千斤頂同步進(jìn)行?？刂撇捎玫姆椒ㄈ缦拢何挥谕粯蚨丈系乃巾斖魄Ы镯敚O(shè)置1#頂為主動(dòng)點(diǎn)，進(jìn)行伸缸，其余設(shè)置成隨動(dòng)點(diǎn)，與1#頂相比，位移量的差值小于設(shè)定值，如果出現(xiàn)伸缸較快的現(xiàn)象，就需要降低對(duì)應(yīng)比例閥的流量，反之同理。

壓力變送器布置于各臺(tái)頂推千斤頂上面，利用此裝置來監(jiān)測負(fù)荷變動(dòng)，因此能夠利用現(xiàn)場控制臺(tái)及主控臺(tái)上的面板設(shè)置各臺(tái)頂部的最高壓力和相鄰該橋上數(shù)部頂?shù)淖罡邏翰?，?fù)荷的變化能夠利用計(jì)算機(jī)加以監(jiān)測，借此來精確分配整個(gè)體系的負(fù)荷。當(dāng)某臺(tái)頂?shù)暮奢d超過最高限度或相鄰該橋上的數(shù)部頂壓差最大值超過限度時(shí)，控制系統(tǒng)將實(shí)施停機(jī)并報(bào)警的保護(hù)措施。

1.3.4豎向頂升控制

豎向頂升千斤頂?shù)幕钊斐鰧⑾淞喉斊穑喉斏那Ы镯斖ㄟ^主機(jī)控制臺(tái)進(jìn)行控制，在保證動(dòng)作同時(shí)，頂升工程高度也會(huì)由箱梁與墊梁間的位置感應(yīng)器進(jìn)行檢測，以保持頂升施工高度同步。一側(cè)為判斷基準(zhǔn)，保持兩邊的位置誤差不超過上限值，但如果跟隨側(cè)頂上升較高，相應(yīng)的比例閥流量就需要減小。反之同理。

豎升千斤頂向上回縮，頂推楔塊、梁落下，又落到頂推支座上。主控臺(tái)統(tǒng)一進(jìn)行頂升千斤頂?shù)捻斖袆?dòng)作控制，由箱梁與墊梁之間的位移傳感器監(jiān)測頂升高度，確保頂升同步?？刂撇呗酝稀?/p>

壓力感應(yīng)器被設(shè)置于受力節(jié)點(diǎn)上，以監(jiān)測各節(jié)點(diǎn)壓力，各個(gè)受力節(jié)點(diǎn)的最大壓力上限值以及與同一個(gè)橋墩上的受力節(jié)點(diǎn)之間的最大壓差，可通過在現(xiàn)場控制臺(tái)或主控臺(tái)上的面板來設(shè)置，受力節(jié)點(diǎn)的最大壓力可以被電腦監(jiān)控，從而有效實(shí)現(xiàn)了整體體系的最大壓力控制。當(dāng)某受力節(jié)點(diǎn)的最大壓力超過最高限度，或同一橋墩相鄰各受力點(diǎn)的最大壓差超過規(guī)定時(shí)，系統(tǒng)將實(shí)施停機(jī)、報(bào)警措施。

1.3.5糾偏措施

每個(gè)橋墩上安排1～2 個(gè)光電開關(guān)，用于檢測中軸線是否偏離設(shè)計(jì)。在水平頂推千斤頂伸缸，箱梁平移時(shí)，如果沒有識(shí)別出中軸線，就會(huì)發(fā)出信號(hào)，讓相應(yīng)的水平千斤頂調(diào)整，直到通過光電開關(guān)監(jiān)測到中軸線，實(shí)現(xiàn)水平糾偏。

1.3.6累計(jì)誤差的控制

在平移箱梁時(shí)，通過總控臺(tái)計(jì)算得到各受力點(diǎn)水平頂推千斤頂?shù)目偽灰?，并讓最大位移與最小位移相減，算出累積誤差，若累積誤差超過設(shè)定，則中斷“自動(dòng)”模式，開啟“手動(dòng)”模式，調(diào)整某一側(cè)油缸動(dòng)作，以修正偏差。如果通過全站儀監(jiān)測到累積誤差超過要求時(shí)，也會(huì)停止“自動(dòng)”模式進(jìn)入“手動(dòng)”模式，并對(duì)某一側(cè)的油缸動(dòng)作進(jìn)行調(diào)整，以糾正偏差。

1.4頂推施工方案布置

荊山河特大橋主梁設(shè)計(jì)為梁高2.8m 的鋼混組合梁結(jié)構(gòu)，3 片鋼梁布置在單幅橋橫斷面上，梁距6.25m，鋼梁采用槽形斷面，與混凝土橋面板組合成箱形截面，鋼梁腹板采用斜腹板形式，單片鋼梁全長521m，兩片鋼梁總重約6665噸。

單幅鋼梁采用P8～P10#墩間設(shè)置L1#～L6#臨時(shí)墩、41.29m 長鋼導(dǎo)梁，L1#～L3#、L5#臨時(shí)墩頂、P10～P18#墩頂布置26 套400t 步履式頂推器，單向多點(diǎn)同步步履式從小里程到大里程的頂推架設(shè)方案。

頂推作業(yè)前，工廠內(nèi)加工鋼梁節(jié)段、導(dǎo)梁，現(xiàn)場在P8～P10#墩間搭設(shè)鋼梁拼裝及頂推臨時(shí)支墩，同時(shí)在設(shè)計(jì)位置布置步履式頂推系統(tǒng)。先將最初3 節(jié)鋼梁、導(dǎo)梁拼裝在拼裝支架上；然后利用步履式頂推系統(tǒng)，將鋼梁、導(dǎo)梁向大里程側(cè)頂推63.7m；每次將4 節(jié)鋼梁拼裝在拼裝支架上，共計(jì)63m，向前頂推63m，如此循環(huán)往復(fù)直至剩余最后2節(jié)鋼梁，拼裝完成最后2節(jié)鋼梁后，將鋼梁頂推到位，將導(dǎo)梁、落梁拆除，調(diào)整鋼梁線形，安裝正式支座，完成鋼梁架設(shè)。

步履式頂推器自帶豎向起頂、水平頂推和側(cè)向糾偏功能。自平衡頂推器將鋼梁頂起后，在水平千斤頂?shù)淖饔孟拢瑢⒁粋€(gè)行程的長度向前位移，然后鋼梁落到頂推器兩側(cè)或一側(cè)支點(diǎn)的上方，經(jīng)過頂推器的泄力，水平頂恢復(fù)到頂推的初始位置，如此循環(huán)往復(fù)，一旦頂推到設(shè)定位置，終止循環(huán)。在這個(gè)過程中不會(huì)對(duì)底部支承墩產(chǎn)生水平反力，鋼梁每次頂推時(shí)的距離為63.7m、7×63m、31.3m。

鋼梁前端設(shè)長40.5m 的鋼導(dǎo)梁，以利于起始節(jié)段鋼梁頂推作業(yè)和63m 跨中不設(shè)臨時(shí)支墩，并減小鋼梁自身的懸臂長度及施工過程中的應(yīng)力。左右兩幅鋼梁頂推施工適當(dāng)交錯(cuò)，同時(shí)進(jìn)行。

2 受力特性分析

2.1鋼梁頂推過程計(jì)算

采用Midas Civil 有限元分析軟件并參考橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際施工情況仿真計(jì)算分析本橋梁[6]。根據(jù)鋼梁頂推施工過程，建立鋼梁、導(dǎo)梁的施工階段模型，計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 邊跨鋼梁及導(dǎo)梁計(jì)算模型

導(dǎo)梁及初始3 節(jié)段鋼梁第一次頂推工況下，鋼梁末端剛脫離L3#臨時(shí)墩，此時(shí)鋼梁上僅有L5#臨時(shí)墩和P10#墩兩個(gè)支點(diǎn)，后方鋼梁懸臂22m，且此段鋼梁較重，鋼梁往后方抗傾覆穩(wěn)定性較為不利，且此時(shí)臨時(shí)墩反力最大。第一次頂推到位，鋼梁往前傾覆較為不利，對(duì)該工況進(jìn)行計(jì)算。

后續(xù)頂推過程中由于鋼梁節(jié)段拼裝增加，鋼梁整體抗傾覆均滿足要求，在導(dǎo)梁過63m 跨時(shí)，鋼梁懸臂最大，此時(shí)鋼梁受力最為不利，導(dǎo)梁應(yīng)力及豎向位移均較大，對(duì)該工況進(jìn)行計(jì)算。

導(dǎo)梁頂推過程中，過63m 跨前，墩頂每臺(tái)千斤頂處最大反力為：（140+144+140）/2=212t，配置400t 步履頂滿足要求；此時(shí)鋼梁最高應(yīng)力為106MPa，導(dǎo)梁最高應(yīng)力為89Mpa，均滿足要求。導(dǎo)梁末端豎向位移617mm，導(dǎo)梁末端設(shè)置650mm牛鼻，上墩滿足要求。

頂推過程中，當(dāng)導(dǎo)梁過63m 跨后，行21m，導(dǎo)梁有最大應(yīng)力，中間墩反力也最大，此時(shí)導(dǎo)梁最大應(yīng)力95MPa，滿足要求。中間墩每臺(tái)千斤頂處最大反力為：（150.1+157.4+150.1）/2=228.8t，配置400t步履頂滿足要求。

2.2鋼梁頂推過程計(jì)算結(jié)果

綜上所述，根據(jù)鋼梁頂推過程中計(jì)算，L1#～L3#、L5#頂推臨時(shí)墩上各千斤頂支點(diǎn)最大反力為161.8t/每頂推點(diǎn)；P10～P18#墩上各千斤頂支點(diǎn)最大反力為228.8t/每頂推點(diǎn)；結(jié)合梁鋼主梁的最大應(yīng)力為1106MPa，發(fā)生在鋼梁頂推過63m 跨時(shí)；導(dǎo)梁的最大應(yīng)力為95MPa，發(fā)生在導(dǎo)梁過63m 跨后，走行21m 時(shí)；導(dǎo)梁最大豎向變形為617mm，發(fā)生在鋼梁頂推過63m跨時(shí)。

2.3導(dǎo)梁與鋼梁接頭系部分析計(jì)算

根據(jù)導(dǎo)梁設(shè)計(jì)圖，導(dǎo)梁腹板焊接于鋼主梁端橫隔板上，導(dǎo)梁頂?shù)装宸謩e焊接于鋼梁頂?shù)装迳?，此處受力較為復(fù)雜，根據(jù)前述鋼梁頂推整體計(jì)算，導(dǎo)梁最大懸臂過63m 跨時(shí)和導(dǎo)梁過63m 跨后走行21m 時(shí)，導(dǎo)梁與鋼梁接頭處受力最大，因此采用殼單元進(jìn)行局部受力的模擬，建立鋼梁與導(dǎo)梁接頭處細(xì)部模型，分析計(jì)算接頭局部應(yīng)力情況，分析模型如圖5所示，分析應(yīng)力如圖6所示。

圖5 鋼梁和導(dǎo)梁接頭系部模型

圖6 接頭處組合應(yīng)力圖（MPa）

2.4導(dǎo)梁與鋼梁接頭系部分析計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述計(jì)算可知，接頭處整體應(yīng)力較小，最大組合應(yīng)力244Pma，最大剪應(yīng)力125Mpa均位于角點(diǎn)部位，屬于局部應(yīng)力集中，實(shí)際設(shè)計(jì)此處圓弧過渡，可避免局部應(yīng)力集中，可以不予考慮，認(rèn)為應(yīng)力滿足要求。

3 結(jié)論

荊山河特大橋鋼梁頂推關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用，有效解決大噸位鋼梁在河谷兩側(cè)陡峭地形頂 推的施工控制難點(diǎn)?，F(xiàn)場頂推過程，鋼梁、導(dǎo)梁、導(dǎo)梁與鋼梁接頭處以及臨時(shí)墩應(yīng)力數(shù)據(jù)，導(dǎo)梁末端豎向位移數(shù)據(jù)均滿足要求；現(xiàn)場管理、監(jiān)測、監(jiān)控工作細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)，頂推施工過程中未出現(xiàn)任何質(zhì)量安全問題?，F(xiàn)場鋼梁頂推情況驗(yàn)證了該橋頂推關(guān)鍵技術(shù)的可行性，為以后大橋頂推建設(shè)提供參考。