大跨度鋼箱梁分段拼裝曲線多點(diǎn)同步頂推施工技術(shù)

摘要：

文章以某三跨自錨式懸索橋?yàn)槔?，進(jìn)行大跨度鋼箱梁分段拼裝曲線多點(diǎn)同步頂推施工技術(shù)研究。通過在合適的位置安裝臨時(shí)墩、導(dǎo)梁、頂推設(shè)備等輔助設(shè)施，再采用貝雷梁+鋼管的組合形式，搭設(shè)支撐頂推施工支架，為頂推施工營造良好的基礎(chǔ)環(huán)境；引入多點(diǎn)同步頂推施工理念，在滿足均勻受力的條件下在施工區(qū)域分散布置數(shù)個(gè)頂推點(diǎn)，并計(jì)算每個(gè)頂推設(shè)備所需施加的頂推力，通過壓力、位移交替控制的方式，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)頂推同步進(jìn)行；運(yùn)用動(dòng)態(tài)糾偏法設(shè)計(jì)主動(dòng)糾偏裝置，將其安裝在滑塊上實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)頂推和糾偏的同步進(jìn)行。施工結(jié)果表明，分段拼裝曲線多點(diǎn)同步頂推施工過程中，懸臂端位移最大值為36.5 mm，滿足施工要求。

關(guān)鍵詞：大跨度；鋼箱梁；分段拼裝；多點(diǎn)同步頂推；施工支架

中圖分類號：U445.462 A 44 146 4

0 引言

在城市交通橋梁建設(shè)難度不斷提升的社會背景下，橋梁基礎(chǔ)工程越來越復(fù)雜［1］。尤其對靠近城市、障礙物密集的施工區(qū)域來說，需要以降低鋼箱梁工程造價(jià)為目的，應(yīng)用新型施工技術(shù)建造公鐵兩用橋［2］。在大跨度鋼箱梁分段拼裝施工過程中，常規(guī)的施工技術(shù)很難滿足線路的正常運(yùn)營要求。隨著大跨度鋼箱梁工程項(xiàng)目越來越多，頂推技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，成為保證大跨度橋梁高質(zhì)量施工的基礎(chǔ)。

近年來，橋梁跨越障礙物施工問題越來越受到重視，頂推技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣［3］。雖然當(dāng)前頂推施工技術(shù)向著成熟化發(fā)展，但依舊有很多被忽略的內(nèi)容，其大跨度鋼箱梁分段拼裝曲線頂推施工仍然存在問題。對此，本文以某三跨自錨式懸索橋?yàn)楸尘?，進(jìn)行多點(diǎn)同步頂推施工工藝研究，通過頂推輔助設(shè)施安裝、施工支架搭建、多點(diǎn)同步施工、動(dòng)態(tài)糾偏處理4個(gè)主要環(huán)節(jié)，完成大跨度鋼箱梁分段拼裝曲線的建設(shè)。

1 工程概況

本次施工工藝研究以某三跨自錨式懸索橋?yàn)楸尘?，該橋梁的?shí)際橋型結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過查詢施工材料可知，該橋梁的主體寬度為39 m，屬于大跨度鋼箱梁結(jié)構(gòu)，同時(shí)該鋼箱梁的兩側(cè)分別設(shè)有一個(gè)布索區(qū)，用以搭設(shè)吊索。為了提升橋梁的穩(wěn)定性，鋼箱梁兩側(cè)的吊索距離中心線14 m，且相鄰吊索之間的距離為13.5 m，整座橋梁上共設(shè)有39對吊索。

在如圖1所示的橋梁結(jié)構(gòu)中，主體結(jié)構(gòu)為鋼箱梁，其總長度達(dá)到了737.43 m。選用厚度為18 mm的鋼板作為基礎(chǔ)材料，在U形肋加強(qiáng)處理后搭建正交異性板，并設(shè)置材料安裝坡度為2%，制作出大跨度鋼箱梁的頂板。鋼箱梁的底板結(jié)構(gòu)主要包括水平底板和斜底板兩類，前者采用厚度為14 mm的鋼板作為基礎(chǔ)材料，后者采用厚度為8 mm的鋼板作為基礎(chǔ)材料。

此外，該橋梁的標(biāo)準(zhǔn)梁段設(shè)置了4道橫隔板，分別與頂板、底板和腹板焊接起來。橫隔板為板式斷面結(jié)構(gòu)，其可以大致劃分為上、下兩部分，上部分結(jié)構(gòu)與頂板單元相連接?？v隔板的布置與橫隔板相仿，唯一的區(qū)別是縱隔板上需要施加豎向加勁肋。

將錨固板、承壓板等結(jié)構(gòu)組合起來，形成鋼錨箱，放置在腹板外側(cè)位置，以此為基礎(chǔ)將吊索連接在鋼箱梁分段的箱梁上，提升主梁的抗風(fēng)性能?？紤]到大跨度鋼箱梁結(jié)構(gòu)主要通過分段拼裝的形式搭建而成，需要通過多點(diǎn)同步頂推施工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大跨度鋼箱梁分段拼裝。經(jīng)過調(diào)查可知，該橋梁施工階段的頂推距離與重量分別為715 m、15 329 t。結(jié)合不同大跨度鋼箱梁分段的長度和鋼板厚度，將選定橋梁施工工程包含的梁段劃分為6類，每一類梁段的參數(shù)如表1所示。

在實(shí)際的多點(diǎn)同步頂推施工過程中，需要在橋梁北側(cè)邊跨位置打造大跨度鋼箱梁分段拼裝平臺，更好地控制頂推操作。在橋梁跨中區(qū)域布置多個(gè)臨時(shí)墩，輔助分段鋼箱梁的組合拼接，形成完整的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)。

2 大跨度鋼箱梁分段拼裝曲線多點(diǎn)同步頂推施工工藝

2.1 安裝頂推輔助設(shè)施

大跨度鋼箱梁多點(diǎn)同步頂推施工的實(shí)現(xiàn)，需要臨時(shí)墩、導(dǎo)梁、頂推設(shè)備等設(shè)施的輔助［4］。其中，臨時(shí)墩指的是4根鋼筋混凝土基礎(chǔ)樁，主要安裝在橋塔墩和輔助墩之間。臨時(shí)墩樁基頂?shù)某信_尺寸為6 m×5 m×2 m。在承臺上方樁基的對應(yīng)位置，安裝4根螺旋鋼管，所有鋼管的尺寸均為630 mm×12 mm，通過32a槽鋼實(shí)現(xiàn)鋼管之間的水平連接與斜向連接。

為了更好地發(fā)揮頂推輔助作用，在4個(gè)臨時(shí)墩布置的過程中，前兩個(gè)臨時(shí)墩設(shè)有2道橫梁，后兩個(gè)臨時(shí)墩上的橫梁數(shù)量分別為1道和0道，每個(gè)橫梁均是由32a工字鋼和20a槽鋼焊接而得。在臨時(shí)墩頂部放置3根120 cm×30 cm的鋼材，充當(dāng)分配梁?？v向安裝3根同樣尺寸的鋼材，建造承重滑道梁，并在承重梁頂端安裝頂推千斤頂反力架。考慮到臨時(shí)墩較高，將其應(yīng)用在多點(diǎn)同步頂推施工過程中，會同時(shí)承受頂推豎向荷載和頂推力。為了加強(qiáng)臨時(shí)墩的抗壓性能，本次大跨度鋼箱梁分段拼裝布置的臨時(shí)墩，在兩側(cè)分別設(shè)置一束7股鋼絞線組成的水平拉索，錨固在橋塔墩橫梁和輔助墩反力架上方，用以實(shí)現(xiàn)曲線多點(diǎn)同步頂推施工前的張拉預(yù)處理。頂推臨時(shí)墩的具體布置情況如圖2所示。

導(dǎo)梁作為頂推施工的另一重要輔助設(shè)施，在本次施工過程中定義導(dǎo)梁主體結(jié)構(gòu)為工字形鋼梁。通常情況下，導(dǎo)梁根部和鋼梁接頭的高度相一致，且相鄰鋼梁之間通過拼裝板進(jìn)行連接。結(jié)合該大跨度鋼箱梁施工工程的設(shè)計(jì)要求，設(shè)置導(dǎo)梁總長度為25 m，并通過208 mm×5 mm的無縫鋼管實(shí)現(xiàn)導(dǎo)梁的橫向連接，最終連接為米字形。在多點(diǎn)同步頂推施工過程中，導(dǎo)梁前端設(shè)置一個(gè)“鼻梁”，促使鋼梁順利轉(zhuǎn)移至相鄰的臨時(shí)墩墩頂滑道。

設(shè)計(jì)包含滑塊、支撐千斤頂、頂推千斤頂、滑道梁和步進(jìn)式夾軌器的頂推設(shè)備，如圖3所示，作為多點(diǎn)同步頂推工作實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

在大跨度鋼箱梁分段拼裝曲線多點(diǎn)同步頂推操作過程中，需要在頂推設(shè)備的滑塊上放置待處理的鋼材。因此，滑塊載荷需要保持在50 t左右，其中頂推千斤頂設(shè)備是通過連接耳板與推移結(jié)構(gòu)相連，由液壓頂推器的主液壓缸產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，保證頂推裝置開始工作。應(yīng)注意的是，頂推設(shè)備中千斤頂與滑塊的連接方式為銷子。

2.2 搭建頂推施工支架

頂推施工支架是多點(diǎn)同步頂推施工的核心結(jié)構(gòu)，為了滿足大跨度鋼箱梁頂推施工的受力要求，并保證頂推支架符合施工現(xiàn)場的交通規(guī)則，本次施工采用的組合形式為貝雷梁+鋼管。單個(gè)跨越單元的頂推施工支架跨越結(jié)構(gòu)屬于跨式雙層加強(qiáng)型貝雷梁結(jié)構(gòu)［5］，其實(shí)際跨度為35 m。

雙層加強(qiáng)型貝雷梁結(jié)構(gòu)，是多點(diǎn)同步頂推支架的支撐縱梁，在貝雷梁上方布置橫向分配梁和滑道梁。頂推施工支架采用的鋼管立柱尺寸為630 mm×8 mm，在支架正式搭建之前，為了保證該支撐結(jié)構(gòu)具有良好的荷載性能，需要應(yīng)用專業(yè)設(shè)計(jì)軟件對頂推施工支架進(jìn)行整體建模，展開頂推移動(dòng)荷載模擬分析，從而計(jì)算出頂推支架雙層貝雷梁各個(gè)構(gòu)件的應(yīng)力參數(shù)。

根據(jù)下頁表2可知，頂推支架的主要組成構(gòu)件為滑道梁、橫向分配梁、樁頂分配梁、鋼管立柱、貝雷梁弦桿、貝雷梁豎桿和貝雷梁斜桿等。從應(yīng)力參數(shù)計(jì)算結(jié)果可以看出，這些構(gòu)件當(dāng)前的應(yīng)力性能滿足多點(diǎn)同步頂推施工要求，可以保證頂推施工的順利進(jìn)行。

2.3 多點(diǎn)頂推同步施工

在上述輔助設(shè)施和頂推施工支架的共同作用下，針對大跨度鋼箱梁分段拼裝工作，開展多點(diǎn)同步頂推施工。實(shí)際操作過程中，設(shè)置每個(gè)點(diǎn)的最大頂推重量為850 t，且定義4組滑塊為一組，在箱梁橫隔板和腹板相接處為滑塊組布置3個(gè)支點(diǎn)提供反力，保證頂推工作的順利實(shí)施。

多點(diǎn)同步頂推施工有兩項(xiàng)要求：（1）需要多臺頂推設(shè)備同時(shí)工作；（2）需要實(shí)現(xiàn)頂推同步控制。這要求每個(gè)頂推點(diǎn)的頂推設(shè)備同步運(yùn)行，并具有獨(dú)立調(diào)整荷載值的作用。施加荷載量值的取值，會對多點(diǎn)同步頂推施工效果產(chǎn)生直接影響。橋梁建設(shè)過程中，為了保證鋼箱梁分段拼裝質(zhì)量，針對多點(diǎn)整體頂推施工的各墩千斤頂，計(jì)算其需要提供的水平力，得到式（1）、式（2）：

0≤Gu-ηu×（Vu+βu）≤［Ku］（u=1，2，3，…，n）（1）

0≤∑nu=1Gu-∑nu=1ηu×（Vu+βu）≤［K］（u=1，2，3，…，n）（2）

式中：u——墩臺；

n——工程內(nèi)墩臺數(shù)量；

G——頂推裝置提供的外荷載；

K——墩臺承受的水平推力；

η——瞬時(shí)支反力；

V——滑道摩擦系數(shù)；

β——推豎曲線縱向坡度。

一旦多點(diǎn)同步頂推施工過程中某一個(gè)頂推裝置不能正常工作后，其所產(chǎn)生的水平力，低于梁體與墩臺的摩擦力，此時(shí)縱向推力大小可以表示為式（3）：

Ku=ηu×（Vu+βu）-Gu（u=1，2，3，…，n）（3）

式中：G——設(shè)備故障條件下施加的水平力。

通過上述計(jì)算，確定不同工況下多點(diǎn)同步頂推施工需要施加到每個(gè)墩頂?shù)乃搅?，保證頂推工作的順利完成。而對滑塊起頂進(jìn)行倒換處理后，可以計(jì)算出不同墩頂對應(yīng)的支反力，將其與靜摩擦系數(shù)相結(jié)合，確定每個(gè)千斤頂所需施加的頂推力。為了降低頂推摩擦力和提高同步性，本次施工需要先加載拼裝平臺和橋墩上的頂推千斤頂，使其分別處于自身施加極限的80%、70%，同步開始頂推工作。在頂推距離到達(dá)6 m后，需要放鋼絞線停止滑塊受力，調(diào)整兩個(gè)頂推千斤頂?shù)募虞d值為70%、80%，在該條件下頂推12 m。應(yīng)注意的是，多點(diǎn)同步頂推施工過程中，需要實(shí)時(shí)了解鋼梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化，出現(xiàn)異常問題后應(yīng)立即停止頂推施工，查找并解決異常問題，再重新開始頂推施工。

大跨度鋼箱梁分段拼裝曲線多點(diǎn)頂推施工的同步性，需要通過壓力、位移交替控制來實(shí)現(xiàn)，主要控制環(huán)節(jié)包括頂推分級加載預(yù)緊、位移同步頂推兩個(gè)部分。首先，需要根據(jù)頂推力計(jì)算結(jié)果，將其劃分為5個(gè)級別，其加載參數(shù)分別為25%、50%、70%、80%和90%，按照實(shí)際頂推需求匹配其所屬等級，從而完成頂推參數(shù)的同步生成。多點(diǎn)同步頂推準(zhǔn)備工作完成后，選取手動(dòng)操作模式，按序?qū)⒒钊胖玫叫谐涕_關(guān)位置，通過操作人員電機(jī)“前頂進(jìn)”按鈕進(jìn)行手動(dòng)頂推。此時(shí)，工作人員可以實(shí)時(shí)觀察操作界面顯示的壓力情況，確保多點(diǎn)頂推施工過程中不會出現(xiàn)異常情況。而當(dāng)加載參數(shù)達(dá)到80%后，整個(gè)施工系統(tǒng)內(nèi)所有水平千斤頂具有相同的受力情況，此時(shí)可以將手動(dòng)頂推操作模式轉(zhuǎn)換為自動(dòng)模式，通過計(jì)算機(jī)對各水平千斤頂位移信號進(jìn)行計(jì)算，生成合適的頂推控制信號，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)同步連續(xù)頂推。

頂推壓力是多點(diǎn)同步頂推施工輔助控制的基礎(chǔ)，本次施工定義每個(gè)液壓泵站的最大壓力值，并安裝壓力限定裝置進(jìn)行頂推壓力控制。在滑塊和滑道出現(xiàn)摩擦?xí)r，頂推壓力會隨之發(fā)生改變，只要變化值在預(yù)設(shè)的最大壓力值之內(nèi)，限壓裝置就不發(fā)揮作用，反之則會進(jìn)行報(bào)警處理。由主控機(jī)根據(jù)實(shí)際頂推狀態(tài)發(fā)布下一條指令，各分控系統(tǒng)同時(shí)執(zhí)行指令，每個(gè)頂推設(shè)備也同步開始進(jìn)行頂推施工。

2.4 頂推動(dòng)態(tài)糾偏處理

多點(diǎn)同步頂推施工中可能會出現(xiàn)偏差，當(dāng)頂推偏差超過預(yù)警之后，需要暫停頂推工作進(jìn)行糾偏處理。該橋梁工程的主墩高度達(dá)到了72 m，糾偏工作也需要經(jīng)由混凝土主墩實(shí)現(xiàn)，但當(dāng)糾偏水平力較大時(shí)，可能會引起混凝土主墩結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞。為了保證頂推糾偏不影響混凝土墩結(jié)構(gòu)的安全性，本次施工選用動(dòng)態(tài)糾偏法，進(jìn)行多點(diǎn)同步頂推糾正。將動(dòng)態(tài)主動(dòng)糾偏裝置布置在鋼梁支持滑塊上方，輔助頂推施工。該設(shè)備在頂推進(jìn)行時(shí)自動(dòng)調(diào)整鋼梁軸線，保證糾偏作業(yè)與頂推作業(yè)的同步完成。

設(shè)置糾偏動(dòng)力源為液壓千斤頂，將其與鋼梁支撐滑塊連接起來，實(shí)現(xiàn)多跨動(dòng)態(tài)糾偏。

頂推動(dòng)態(tài)糾偏開始之前，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)橋墩表現(xiàn)出的支反力，基于此計(jì)算出動(dòng)態(tài)糾偏力數(shù)值。依據(jù)糾偏數(shù)值，控制糾偏千斤頂活塞，緊貼滑道梁側(cè)面反力板糾正當(dāng)前頂推偏差。需要注意的是，當(dāng)多點(diǎn)頂推施工的加載參數(shù)達(dá)到80%后，鋼梁支撐滑塊的偏移變緩，此時(shí)需要停止加壓操作，盡量降低糾偏反力。根據(jù)支撐滑塊的初始位置和實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)，計(jì)算出糾偏方向和偏移值，避免糾偏過量問題的出現(xiàn)。通過上述處理，完成多點(diǎn)頂推和糾偏的同步施工。

3 施工結(jié)果分析

每個(gè)階段的多點(diǎn)同步頂推施工主要包括13個(gè)施工工況，在頂推施工結(jié)束后，為了確保該施工模式下大跨度鋼箱梁分段拼裝的施工質(zhì)量，針對每個(gè)工況下的懸臂端位移進(jìn)行測量和記錄，得到如表3所示的位移統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

根據(jù)表3可知，在多點(diǎn)同步頂推施工過程中，工況10的懸臂端位移值最大，為36.5 mm；而正常條件下，施工允許變形值為44 mm。對比二者可以看出，本文所提施工技術(shù)滿足多點(diǎn)同步頂推施工要求。

4 結(jié)語

隨著大跨度橋梁工程建設(shè)項(xiàng)目越來越多，頂推施工技術(shù)逐漸應(yīng)用到施工過程中，但是傳統(tǒng)的頂推施工技術(shù)無法在大跨度鋼箱梁分段拼裝環(huán)節(jié)發(fā)揮較好的應(yīng)用效果。本文以某三跨自錨式懸索橋?yàn)檠芯勘尘?，研究出一種多點(diǎn)同步頂推施工技術(shù)。通過對施工結(jié)果進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)有效可行。

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收稿日期：2023-01-20