鋼桁梁橋步履頂推施工技術(shù)研究

金明

武橋重工集團(tuán)股份有限公司 湖北 武漢 430000

由于鋼桁梁橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，受弦桿節(jié)點(diǎn)受力要求的限制，如采用頂推安裝一般都選用傳統(tǒng)的托拉法頂推施工。即通過在橋墩和臨時墩上設(shè)置拼裝平臺、足夠長度和數(shù)量的滑道、滑塊、水平千斤頂?shù)妊b備，通過水平千斤頂施力，借助滑道、滑塊將鋼桁梁向前推進(jìn)，推到設(shè)計位置后進(jìn)行落梁，完成鋼桁梁橋的頂推安裝工作。該方法需要做大量的準(zhǔn)備工作，效率低、材料設(shè)備投入大，且在施工過程中受滑道平面精度、滑塊摩擦力不均、水平千斤頂無法絕對同步等影響而可能出現(xiàn)滑移面內(nèi)應(yīng)力增大或突然釋放造成結(jié)構(gòu)移動不穩(wěn)定和橫向偏位等質(zhì)量安全隱患。

1 工程簡介及研究背景

浩吉鐵路張家灣聯(lián)絡(luò)線貨車聯(lián)右線大橋為64m跨簡支鋼桁梁橋，采用無豎桿三角桁結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)總重473.5t。該橋上跨隴海鐵路和浩吉鐵路兩條既有正線鐵路，鐵路上方布置有接觸網(wǎng)，且往返列車通過頻繁。介于此橋地理位置、施工環(huán)境和要求，采用頂推法安裝最為適宜。為方便施工，減少投入，提高效率，確定采用步履式頂推施工進(jìn)行安裝，為驗證此方案的可行性進(jìn)行了深入研究和分析[1]。

2 總體施工方案

鋼桁梁在橋位一側(cè)路塹位置進(jìn)行鋼導(dǎo)梁和主橋鋼梁的拼裝作業(yè)，采用6臺320t步履機(jī)進(jìn)行頂推施工，逐步將其主橋鋼桁梁頂推至橋位處。其主要施工流程如下：

場地平整，搭設(shè)臨時支架。根據(jù)地理環(huán)境，地基承載力及頂推水平推力等要求臨時支采用樁基和擴(kuò)大基礎(chǔ)兩種。在支架立柱設(shè)置頂推設(shè)備，頂推設(shè)備相對位置在鋼桁梁下弦桿腹板下方。

鋼桁梁桿件在工廠制造完成后，運(yùn)輸至現(xiàn)場，通過龍門吊機(jī)及汽車吊進(jìn)行43.5m導(dǎo)梁與64m鋼桁梁組裝架設(shè)。

復(fù)測各節(jié)點(diǎn)標(biāo)高（預(yù)拱度）、橋軸線形及節(jié)段間距等外形尺寸，無誤后調(diào)試步履機(jī)千斤頂及油路、電路管線和操作監(jiān)控系統(tǒng)。

整體向前頂推105m到達(dá)設(shè)計位置。

進(jìn)行落梁施工，拆除臨時支架。

3 步履機(jī)的選型及工作行程

根據(jù)理論計算結(jié)果，單節(jié)點(diǎn)反力最大為241.6t，只考慮兩臺設(shè)備提供推力，則單臺設(shè)備所需的最大水平力為21.85t。頂推選用6臺SLBLJ-320型步履機(jī)進(jìn)行施工。

步履式頂推主要由步履機(jī)提供頂推時的起頂、前移、橫向糾偏的三個方向動力。頂推以滑道梁、滑塊為輔助滑移裝置，主要利用步履機(jī)與鋼桁梁下弦之間的摩擦力帶動整體鋼梁前移[2]。頂推過程中是一個自平衡的頂推動作過程，具體安裝及施工步驟如下：

安裝步履機(jī)及平臺→頂升鋼桁梁下弦桿（限壓）→利用摩擦力頂推鋼桁梁→頂升頂回程完成力系轉(zhuǎn)換→頂推頂回程行程結(jié)束（如圖1）。

圖1 步履機(jī)脫離圖

4 施工場地布置

鋼桁梁拼裝場地及頂推平臺設(shè)置在橋址小里程側(cè)線路路基上。此頂推方式不用設(shè)置通長的頂推滑道，僅在步履機(jī)位置設(shè)置一個節(jié)段長度的滑道即可。根據(jù)現(xiàn)場情況及施工要求，在路基上設(shè)置4個混凝土滑道，1#橋臺前兩側(cè)各設(shè)置一組臨時支架和鋼滑道梁。在鋼桁梁節(jié)點(diǎn)位置設(shè)置混凝土支墩，確保鋼桁梁安裝中節(jié)點(diǎn)受力不下沉（如圖2）。

圖2 頂推支架布置立面圖

滑道及滑道梁均為Z字形結(jié)構(gòu)，頂面設(shè)置滑道，凹處放置步履機(jī)。為克服頂推過程中的水平推力，支架基礎(chǔ)采用擴(kuò)大及挖孔樁基礎(chǔ)[3]。

5 頂推施工步驟

此次頂推采用步履式滑移頂推施工方式，最多同時采用6臺步履機(jī)進(jìn)行頂推。其頂推流程如下所示：

步驟一：施工頂推臨時墩、拼裝胎架和滑道梁，安裝步履機(jī)、滑塊。

步驟二：在拼裝區(qū)域安裝64m鋼桁梁與43.5m鋼導(dǎo)梁。

步驟三：利用步履機(jī)與滑塊將鋼桁梁整體向前頂推4個節(jié)間長度，每推出一個節(jié)間，利用步履機(jī)將鋼桁梁頂起，將滑塊移至后方節(jié)點(diǎn)處（如圖3）。

圖3 步履機(jī)即將脫離圖

步驟四：繼續(xù)整體向前頂推4個節(jié)間長度，同樣利用步履機(jī)將鋼桁梁頂起，將滑塊移至后方節(jié)點(diǎn)處。此時鋼桁梁尾端脫離1#步履機(jī)后，將1#步履機(jī)轉(zhuǎn)至前方4#支架上。（如圖4）

圖4 步履機(jī)工作行程圖

步驟五：每次向前頂推1個節(jié)間長度，當(dāng)導(dǎo)梁頂過4#步履機(jī)2個節(jié)間長度后，拆除前方2個節(jié)間范圍內(nèi)的導(dǎo)梁，當(dāng)整體向前頂推2個節(jié)間長度后，鋼桁梁到達(dá)設(shè)計位置。

步驟六：拆除剩余導(dǎo)梁后整體落梁完成頂推。

6 應(yīng)力分析及驗證

6.1 頂推工況應(yīng)力分析

此次計算采用 Midas Civil 2017 進(jìn)行頂推模擬。鋼梁整體重量473.5t，導(dǎo)梁整體重量100t，鋼桁梁整體均布荷載按7.4t/m考慮，導(dǎo)梁均布荷載按3t/m考慮。

根據(jù)頂推施工步驟，取其中十一個工況來對此次頂推流程進(jìn)行分析計算。

根據(jù)工況分析可知，單臺步履機(jī)所受最大反力為241.6t，鋼桁梁所受最大應(yīng)力為109.1MPa，導(dǎo)梁所受最大應(yīng)力為147.4MPa，最大剪應(yīng)力為19.4MPa。導(dǎo)梁前端最大懸挑撓度為7.2cm。

工況匯總?cè)缦拢?/p>

Q345鋼材的抗彎允許強(qiáng)度為200MPa，抗剪允許強(qiáng)度為120MPa。因此鋼梁及導(dǎo)梁的最大應(yīng)力均在允許應(yīng)力范圍之內(nèi)，強(qiáng)度滿足要求。

表1 工況匯總

6.2 頂推摩擦力分析計算

320t步履機(jī)將鋼梁起頂，在鋼梁節(jié)點(diǎn)下放置滑塊，鋼梁重量主要由滑塊承受，每套步履機(jī)豎向頂泄壓至提供最大160t豎向力，縱向水平頂再施加水平力，利用步履機(jī)與鋼梁底部的摩檫力將鋼梁向前頂推。

6.2.1 縱坡頂推可行性分析

由于鋼桁梁頂推存在1.3%的縱坡，頂推路線也是按1.3%的縱坡進(jìn)行布置的，為保證鋼桁梁在頂推時不向后滑動，需保證鋼梁在1.3%縱坡時的摩擦力大于下滑分力。鋼梁頂推總重量473.5t，導(dǎo)梁重量取100t，整體重量按573.5t計。鋼梁整體在1.3%縱坡時的摩擦力為17.2t（摩擦系數(shù)按0.03計算，摩擦介質(zhì)按鋼與MGE板計算），后滑力為7.5t＜17.2t，故鋼桁梁在此縱坡下不會發(fā)生后滑。

6.2.2 縱向頂推力分析

縱向頂推力須克服鋼梁滑塊與滑道梁之間摩擦力與后滑力的合力?；瑝K下墊MGE板與滑道梁頂鋼板之間摩阻系數(shù)取無潤滑時的0.05，則總頂推力需＞573.5×0.05=28.7t，頂推力按兩臺步履機(jī)考慮，單臺需提供28.7/2=14.35t水平力，需克服的總水平力為14.35+7.5=21.85t＜30t，故縱向水平頂滿足要求。

6.2.3 步履機(jī)與鋼梁之間摩阻力分析

縱向頂推力是通過步履機(jī)頂上分配梁與鋼梁之間摩擦力實(shí)現(xiàn)的，如果按兩臺步履機(jī)提供摩擦力考慮，單臺步履機(jī)至少需要提供21.85t的水平力，分配梁與鋼梁之間的摩阻系數(shù)取0.15，則單臺步履機(jī)所需的最小豎向反力為21.85÷0.15=145.7t。

6.3 鋼桁梁下弦節(jié)點(diǎn)中部受力計算

由工況計算可知，單臺步履機(jī)需提供的最大豎向力為160t，即鋼桁梁下弦中部所受最大頂力為160t，考慮下弦桿節(jié)間中部受力，節(jié)間長度按最大長度5.3m考慮。下弦計算采用1000×520×20×20mm的矩形結(jié)構(gòu)，計算其跨中彎矩為2141.5KN·m，剪力為814.0KN。

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，對與同時受較大正應(yīng)力與剪應(yīng)力的梁，按下式進(jìn)行該處應(yīng)力折算：

由上述算式可知，鋼桁梁下弦節(jié)間中部彎曲應(yīng)力、剪應(yīng)力、局部壓應(yīng)力皆在許可應(yīng)力范圍之內(nèi)，且折算后的復(fù)核應(yīng)力也在規(guī)范允許范圍之內(nèi)，故鋼桁梁下弦強(qiáng)度滿足頂推施工要求。

6.4 鋼桁梁下弦局部承壓受力計算

由工況計算可知，單個支點(diǎn)最大豎向反力為241.6t，即鋼桁梁下弦節(jié)點(diǎn)所受最大反力為241.6t。

由《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于局部承壓強(qiáng)度的計算公式可得：

下弦局部承壓強(qiáng)度為：

故鋼桁梁下弦節(jié)點(diǎn)處局部承壓強(qiáng)度滿足要求。

7 結(jié)論

張家灣聯(lián)絡(luò)線貨車聯(lián)右線大橋64m鋼桁梁采用6臺320 t步履機(jī)進(jìn)行同步頂推的施工方案，并借助Midas Civil進(jìn)行不同工況的鋼桁梁頂推模擬,分析鋼桁梁下弦桿、鋼梁和導(dǎo)梁腹桿等構(gòu)件的受力性能,確保整個頂推過程中鋼桁梁的穩(wěn)定性。大大節(jié)約了頂推施工成本，縮短鋼桁梁頂推施工時間,保障頂推施工安全，也進(jìn)一步驗證了鋼桁梁橋步履式頂推施工的可行性，為同類鋼桁梁橋步履頂推施工總結(jié)經(jīng)驗并提供技術(shù)參考。