高原峽谷地帶大跨度鋼梁頂推關(guān)鍵技術(shù)相關(guān)應(yīng)用

鄭愛軍，蔡瞳，侯龍龍

（西藏開發(fā)投資集團(tuán)有限公司，西藏拉薩 850000）

近些年，隨著西部大開發(fā)的步伐加快，國家對青藏地區(qū)的援助力度逐漸加大，公路、鐵路、水電、市政工程等大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)逐漸增多，跨江跨河工程星羅密布，為百姓生活出行、交流互通提供了極大的便利。

然而，高原特殊的地形、氣候、環(huán)境，既要保護(hù)綠水青山，減少對原生環(huán)境的擾動，又要在規(guī)定的時間內(nèi)完成艱巨的任務(wù)，給工程建設(shè)帶來了極大的難度。本文以青藏高原上首座使用步履式同步頂推技術(shù)施工的大跨度橋梁為例，對跨越高原峽谷地帶采用何種安全環(huán)保、省時省力、節(jié)省投資的技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，旨在為后續(xù)工程建設(shè)提供借鑒。

1 工程概況

江熱橋地處藏中地區(qū)某河流上，緊鄰G318 國道。橋梁全長112.49 m，左岸引橋為2×16 m 現(xiàn)澆空心板梁，與現(xiàn)G318 國道平交，71 m 主橋縱梁采用4 片工字型等高度焊接鋼板梁，主橋縱梁之間每隔2 m 設(shè)置上下各一道H 橫向連梁，以保證結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定，一般橫梁采用焊接工字梁，縱梁一般每隔2 m 設(shè)置一道橫向加勁肋，支點處根據(jù)受力需要適當(dāng)增設(shè)橫向加勁肋[1]；橋面板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橋面板全寬10.0 m，通過布置在縱梁、橫梁頂板上焊接的圓柱頭剪力釘與鋼梁結(jié)合后共同受力[2]。橋址處平均海拔3 662 m，工程區(qū)抗震設(shè)防烈度為8 度，設(shè)計基本地震加速度值為0.20g；橋址處氣候?qū)俑咴瓬貛О敫珊导撅L(fēng)氣候，高原缺氧，空氣稀薄，春冬寒冷季節(jié)多風(fēng)，雅江洪水多發(fā)生在6—9 月，持續(xù)時間長，主要由暴雨引發(fā)。

2 頂推方案的確定

江熱橋工程計劃施工工期8 個月，下部結(jié)構(gòu)、引橋部分施工和合理的施工方案選擇將是制約工程進(jìn)度的關(guān)鍵因素，根據(jù)設(shè)計提供資料與現(xiàn)場實際勘測，主要從以下幾個方面進(jìn)行了頂推方案的論證。

2.1 地形條件限制

江熱橋橋址位于典型的高原源頭河流內(nèi)，峽谷形態(tài)總體呈“V”字形，谷底深切，左右岸坡陡峭，坡度45°～70°，左岸設(shè)計0#橋臺處為寬約14 m 的平臺，平臺上下游為重力式漿砌石擋墻，擾動較大將影響擋墻安全，左岸僅能修整左岸下部結(jié)構(gòu)施工便道，無法通行大型施工設(shè)備，左岸緊鄰交通量大且車速快的G318國道，右岸山體高聳，斜坡陡峻，布置3#橋臺施工場地難度較大，宜優(yōu)先考慮保證國道通暢、主橋輕便的橋型和施工設(shè)備使用較便捷的施工工藝。具體橋位布置圖如圖1 所示。

圖1 橋位布置示意圖

2.2 減少對干流行洪的影響

江熱橋兩岸橋頭接線高程約3 662 m，該高程處河谷兩岸的距離約110 m，設(shè)計橋位處兩岸距離最短，地形狹窄，右岸地形陡峭、溝深水急，設(shè)計橋型除滿足功能和使用要求外，還要能夠滿足行洪的要求，保證行洪安全，因此主橋宜一跨跨越主河槽，即可排除最常用的多跨預(yù)制吊裝梁橋，主橋適宜的跨徑在70 m 左右，受318 國道接線高程控制，橋面離河谷高程達(dá)到35 m，鑒于有限的施工條件和緊張的工期，經(jīng)比對常見的頂推鋼-混組合梁橋、頂推鋼桁架橋2 種施工工藝的橋型，選擇橋型簡潔、景觀效果較好的頂推鋼-混組合梁橋最佳。

2.3 減少兩岸生態(tài)環(huán)境的破壞

大型基建工程往往會對生態(tài)環(huán)境造成不同程度的影響。青藏高原生態(tài)環(huán)境脆弱，生態(tài)承載力較低，稍加外界擾動植被、原生土體平衡即被破壞，一旦破壞就很難修復(fù)，如何減少兩岸的施工占地，減少大橋給周圍環(huán)境的擾動是本工程施工必須考慮的因素之一。

2.4 提高工效，節(jié)省工期與投資

本橋需要盡快投入使用，結(jié)合西藏高寒地區(qū)冬期施工時間長的特點，若在2020 年開工，則必須要在2021 年內(nèi)完工方能滿足工期要求。大橋投資方面，要選擇成熟可靠、工效高且穩(wěn)定的工藝進(jìn)行施工，結(jié)合常規(guī)橋型，拱橋拱座在汛期施工水位以下，要等待枯水期才能施工，拱圈需要現(xiàn)澆，施工工期長。一年之內(nèi)難以完工，故拱橋方案不作設(shè)計和推薦。

本著工藝常規(guī)、經(jīng)濟(jì)的目的，擬定25 m 跨簡支轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)連續(xù)T 梁橋方案，25 m 跨T 形梁橋，工藝成熟，相對經(jīng)濟(jì)，但安裝現(xiàn)場無吊裝場地，且安裝需頻繁轉(zhuǎn)運(yùn)，影響道路交通，同時主河槽內(nèi)要布置2 個橋墩，水下施工復(fù)雜多變，且不利于行洪安全，該方案亦可排除。

頂推鋼-混組合梁橋和鋼桁梁橋施工便捷，一跨跨越主河槽，利于行洪。同時上部結(jié)構(gòu)主橋和引橋均可在工廠和預(yù)制場現(xiàn)行制作加工，待下部結(jié)構(gòu)施工完畢后可快速安裝，工期較短，能滿足建設(shè)進(jìn)度要求。但鋼衍架橋線條復(fù)雜，作為沿河公路大橋，景觀效果稍差，而頂推鋼-混組合梁橋景觀效果更好，對環(huán)境影響稍小。

充分對比常規(guī)的鋼筋混凝土拱橋、多跨預(yù)制T 梁橋、頂推鋼桁架橋、頂推鋼-混組合梁橋等橋型，最終選擇頂推鋼-混組合梁橋進(jìn)行大橋的建設(shè)[3]。

2.5 頂推方案安全性驗算

主橋鋼-混組合梁橋采用大型通用軟件Midas Civil進(jìn)行計算，分別考慮了包括成橋狀態(tài)下恒載、活載、溫度變化等荷載作用的計算，同時對頂推施工過程進(jìn)行模擬。主橋梁體采用空間有限元法進(jìn)行分析計算。將梁體離散為桿件單元，在施工過程中施加二期恒載和施工臨時荷載，在運(yùn)營過程中施加汽車荷載和其他有可能出現(xiàn)的不利荷載，根據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行內(nèi)力組合，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行強(qiáng)度驗算和配筋設(shè)計。

2.5.1 頂推過程主梁剪應(yīng)力分析

在施工過程鋼梁受力最不利狀態(tài)為最大懸臂狀態(tài)，經(jīng)計算，主梁上緣最大拉應(yīng)力為125.5 MPa，最大壓應(yīng)力為0.3 MPa；主梁下緣最大拉應(yīng)力為0.3 MPa，最大壓應(yīng)力為91.8 MPa；主梁最大剪應(yīng)力為71.1 MPa，均滿足規(guī)范的相關(guān)要求。

2.5.2 成橋階段應(yīng)力分析

成橋階段主要考慮恒載、活載、風(fēng)荷載、溫度荷載等影響[4]，標(biāo)準(zhǔn)組合下主梁上緣最大拉應(yīng)力為129.7 MPa，最大壓應(yīng)力為148.3 MPa；主梁下緣最大拉應(yīng)力為151.1 MPa，最大壓應(yīng)力為127.7 MPa；主梁最大剪應(yīng)力為36.8 MPa，均滿足規(guī)范的相關(guān)要求?；窘M合下主梁上緣最大拉應(yīng)力為152.5 MPa，最大壓應(yīng)力為176.8 MPa；主梁下緣最大拉應(yīng)力為183.4 MPa，最大壓應(yīng)力為149.9 MPa；主梁最大剪應(yīng)力為44.7 MPa，均滿足規(guī)范的相關(guān)要求。

2.5.3 主梁變形計算

根據(jù)計算模型，計算得到不考慮沖擊力的汽車車道荷載的頻遇組合下，汽車車道荷載引起的主梁最大變形值為34.5 mm，小于規(guī)范要求的l/500=72 000÷500=144 mm，滿足規(guī)范的要求。

2.5.4 抗震計算

2.5.4.1 計算模型

抗震計算模型采用Midas Civil 2019有限元計算軟件建立，邊界約束條件如下：①主梁與下部結(jié)構(gòu)墩臺間采用彈簧連接模擬支座約束；②樁基端部固結(jié)約束，樁側(cè)采用土彈簧模擬樁土相互作用；③3#重力式橋臺可視為剛體，在橋臺臺帽位置處固結(jié)約束，主梁與橋臺之間采用彈簧連接模擬支座約束。

2.5.4.2 動力特性

計算的前五階自振頻率和振型如表1 所示，結(jié)構(gòu)的第一階振型為主梁反對稱豎彎，頻率為0.375 6 Hz。

表1 動力特性

2.5.4.3 反應(yīng)譜計算結(jié)果

順橋向地震作用下最不利截面為樁基入土截面，橫橋向地震作用下最不利截面為墩頂截面及樁基入土截面。E1、E2 地震作用下下部關(guān)鍵截面內(nèi)力計算結(jié)果如表2—表5 所示。

表2 E1 順橋向+豎向地震作用下主塔關(guān)鍵截面以及樁基內(nèi)力

表3 E1 橫橋向+豎向地震作用下主塔關(guān)鍵截面以及樁基內(nèi)力

表4 E2 順橋向+豎向地震作用下主塔關(guān)鍵截面以及樁基內(nèi)力

表5 E2 橫橋向+豎向地震作用下主塔關(guān)鍵截面以及樁基內(nèi)力

計算表明，在E1、E2 水準(zhǔn)地震作用下，橋梁下部結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面的彎矩響應(yīng)均未超過截面的初始屈服彎矩，截面保持彈性，橋型結(jié)構(gòu)方案滿足8 度地震帶內(nèi)E1、E2 水準(zhǔn)地震作用下的設(shè)防目標(biāo)要求。

經(jīng)以上5 個主要因素的綜合分析，可以確定江熱橋工程的最優(yōu)施工方案為頂推施工。

3 頂推施工主要流程

為保證整個橋梁頂推工藝安全、穩(wěn)定、可控，充分考慮本橋梁主跨跨徑、單段導(dǎo)梁與節(jié)段鋼梁長度，現(xiàn)場分別在0#橋臺后、1#橋墩處、2#橋墩前、3#橋臺上共設(shè)置2+2+2+2=8 臺320 頂推設(shè)備，在頂推設(shè)備基礎(chǔ)處、1#橋墩處梁頂各設(shè)置臨時墩；在2#橋墩至0#橋臺后15 m（共48 m）根據(jù)鋼梁、導(dǎo)梁節(jié)段設(shè)置臨時支墩進(jìn)行安裝，每安裝一段，向前頂推一段，依次循環(huán)安裝與頂推工序，直至鋼梁頂推至主跨安裝位置，用落梁千斤頂和臨時支墩循環(huán)配合將鋼梁下落至安裝支座高程。頂推工藝流程如圖2 所示。

圖2 頂推工藝流程圖

4 頂推施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 前導(dǎo)梁的最優(yōu)設(shè)計

前導(dǎo)梁為變截面鋼板焊接工字形梁，長54 m，縱向分3 節(jié)拼裝成型與同截面主梁焊接連接成整體，自身質(zhì)量約67 t，導(dǎo)梁聯(lián)系桁架采用Q235B，其余全部為Q345B；導(dǎo)梁上翼緣板、腹板與主梁的上翼緣板、腹板采用高強(qiáng)螺栓連接，導(dǎo)梁與主梁下翼緣板焊接成整體，以滿足強(qiáng)度要求；導(dǎo)梁之間平面和橫向聯(lián)系采用桁架聯(lián)接，保證鋼導(dǎo)梁的空間整體性，滿足平面撓度變形要求。設(shè)計導(dǎo)梁在質(zhì)量、長度和剛度方面均滿足頂推過程中對主梁內(nèi)力的影響。

使用Midas Civil 程序計算，導(dǎo)梁全部懸挑在最不利的工況下時[5]，導(dǎo)梁的傾覆力矩M=6.61×9.19×13.22+（13.22+25）×67=3 364 t·m，抗傾覆力矩MK=24.15×9.19×48=10 653 t·m，抗傾覆系數(shù)為，滿足頂推過程中的抗傾覆要求。

4.2 頂推設(shè)備的合理選擇

主橋鋼梁總質(zhì)量662 t，根據(jù)現(xiàn)場條件，大橋頂推選用320 步履式同步頂推系統(tǒng)，頂推系統(tǒng)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、油缸系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)（電氣、控制、傳感器），各頂推機(jī)頂升、平移、橫向三維四向調(diào)整油缸均可平穩(wěn)同步伸縮，現(xiàn)場配置8 臺同步頂推液壓頂，滿足施工承載能力；液壓系統(tǒng)不受高原環(huán)境影響，調(diào)整精度高，三維控制X、Y、Z這3 個方向，均可達(dá)到小于等于1 mm 的精確調(diào)整和定位精度；系統(tǒng)操作方便，配置經(jīng)過系統(tǒng)培訓(xùn)的操作工，可熟練掌握操作并實現(xiàn)預(yù)期調(diào)整精度控制；系統(tǒng)設(shè)計輕巧便捷，便于拆卸再組裝，各組成單元均可單獨擺放，更好地適應(yīng)狹窄施工場地，降低高空作業(yè)移動的要求。

4.3 過程動態(tài)糾偏措施

每次頂推工作由“頂—推—回—歸”4 個步驟交替進(jìn)行，每一循環(huán)頂推結(jié)束，鋼梁均落在已水平校核準(zhǔn)確的擱置梁上，因此在大橋頂推過程中，要重點進(jìn)行梁體軸線偏移和墩頂水平、豎向位移監(jiān)測。

頂推施工準(zhǔn)備，在4 臺豎向頂升千斤頂上安裝壓力傳感器用于監(jiān)控每個受力點的荷載。通過現(xiàn)場控制器或主控臺上的面板可設(shè)定每個受力點的最高壓力及同一橋墩上各受力點之間的最大壓差，計算機(jī)通過監(jiān)測各受力點的載荷變化情況，準(zhǔn)確地協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的載荷分配。如果某個受力點的載荷達(dá)到設(shè)定的最高壓力或同一橋墩上各受力點之間的最大壓差大于設(shè)定值時，系統(tǒng)會自動停機(jī)，并報警示意。

在鋼梁前端和尾端頂面設(shè)中線偏移監(jiān)測點，頂推過程中連續(xù)觀測，并在每個行程結(jié)束后報告該點的梁邊實際偏位，在同步頂推過程中，嚴(yán)格控制頂推速度，如果某點的實際偏位超過2 cm，則結(jié)合該點的相鄰點的偏位情況，利用頂推設(shè)備的橫向糾偏油缸進(jìn)行梁體糾偏[6]。

4.4 落梁過程安全控制

主橋落梁采用多點支撐、小幅度下落控制，主要分以下2 個階段進(jìn)行。

第一次落梁，卸落至鋼梁底部橋面平齊，拆除后導(dǎo)梁。鋼梁噸位大，千斤頂?shù)鬃⒅Ф辗€(wěn)定性層層疊加后逐漸削減，為保證鋼梁整體穩(wěn)定，在鋼梁每端至少布置4 個或以上千斤頂，6 個或以上卸落支墩，卸落時鋼梁勻速緩慢下降，每次下降高度40 mm。在鋼梁下落過程中，用千斤頂間隙調(diào)整鋼梁縱向橫向位置，同時在主梁兩端兩側(cè)設(shè)置限位桿，限制鋼梁下落始終在橋臺耳墻間安全下落。

第二次落梁，卸落至永久支座。將2#橋墩頂支架拆除布置4 個千斤頂，4 個卸落支墩；將3#橋臺上的支架割去一半，在支架及其橋臺上布置4 個千斤頂、4個卸落支墩，卸落方法與第一次卸落一樣，“左—右—左—右”依次下落。2#橋墩、3#橋臺處梁底離支座50 mm 時，停止下落，進(jìn)行支座安裝，而后下落至設(shè)計位置。

在鋼梁卸載過程中，因系統(tǒng)和設(shè)備誤差，操作不當(dāng)，導(dǎo)致鋼梁在卸載過程中出現(xiàn)縱向和橫向偏差，采取做好橫向限位和縱向限位、布置手拉葫蘆向滑移的反方向施加應(yīng)力減小變形、在卸載支墩上布置不銹鋼板和四氟乙烯塊，用千斤頂將梁調(diào)回到合理位置等措施進(jìn)行調(diào)整。最后，根據(jù)要求焊接鋼梁與梁靴、梁靴與支座焊縫，拆除限位措施，修補(bǔ)油漆，檢查驗收。

5 結(jié)束語

高原跨江（河）、跨高山深谷等施工場地狹窄，在作業(yè)面緊張、吊裝設(shè)備無法就位、環(huán)境因素制約條件下的鋼梁橋、鋼桁架橋和砼預(yù)制梁的安裝可以選擇頂推技術(shù)進(jìn)行施工，針對單跨大、跨數(shù)少的橋梁尤能達(dá)到減少投資、提高工效的效果。高原施工氣候、環(huán)境等條件變化較大，頂推過程中若遇大風(fēng)天氣，應(yīng)及時停止頂推，監(jiān)測鋼梁前端的變化。如發(fā)現(xiàn)大幅度的擺動，立刻把事先設(shè)置的纜風(fēng)繩拉緊固定，若遇雷電、雨、雪天氣，應(yīng)及時停止焊接作業(yè)，至安全區(qū)域避險。江熱橋的快速、安全、順利施工證明，在內(nèi)地發(fā)展成熟的施工工藝在高原峽谷地帶進(jìn)行合理調(diào)配，同樣可以事半功倍。