鋼箱梁步履式頂推法施工關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要 頂推法是大型橋梁鋼箱梁施工常用的施工技術(shù)，步履式頂推法相比于傳統(tǒng)的拖拉法頂推施工，能更好地展現(xiàn)出對(duì)臨時(shí)墩的控制，實(shí)現(xiàn)鋼箱梁的頂升、平移、橫向調(diào)整等多方向移動(dòng)為一體，施工中軸向和豎向位移調(diào)整更加簡(jiǎn)單便捷，具有顯著優(yōu)勢(shì)。該文依托實(shí)際工程，研究步履式頂推法在鋼箱梁施工過程中的應(yīng)用特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合步履式頂推法基本理論，從頂推平臺(tái)設(shè)計(jì)、頂推設(shè)備選擇安裝、滑道布置以及施工控制等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，旨在通過該文的研究能夠?yàn)橥惞こ炭茖W(xué)合理選擇步履式頂推法施工提供指導(dǎo)和借鑒。

關(guān)鍵詞 步履式頂推法；鋼箱梁；關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào) U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）14-0053-03

0 引言

在我國(guó)橋梁建設(shè)的過程中對(duì)鋼箱梁進(jìn)行頂推施工時(shí)，多采用拖拉法。隨著多年以來拖拉法頂推施工的廣泛應(yīng)用，逐步衍生出了多種頂推施工工藝，如導(dǎo)梁拖拉法、縱向連接拖拉法，此類拖拉法頂推法應(yīng)用于傳統(tǒng)的橋梁施工，對(duì)于解決施工器械不發(fā)達(dá)、施工環(huán)境復(fù)雜條件下的橋梁建設(shè)難題，發(fā)揮了重要作用。采用頂推法進(jìn)行施工的過程中，最大的技術(shù)難點(diǎn)在于要克服鋼箱梁移動(dòng)過程中的自身重力所產(chǎn)生的巨大摩擦阻力。頂推法在應(yīng)用早期，大多應(yīng)用于小型橋梁建設(shè)，隨著頂推法施工技術(shù)難點(diǎn)的不斷攻克，通過對(duì)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的不斷積累和總結(jié)，頂推法施工逐漸應(yīng)用于大跨徑橋梁建設(shè)過程中。例如2003年的墨西哥Chiapas橋、2004年的法國(guó)Millou大橋，都是頂推法應(yīng)用于大跨徑橋梁建設(shè)過程中的較早案例，在這些橋梁建設(shè)的過程中，借助于輔助結(jié)構(gòu)和輔助施工，使頂推法的頂推長(zhǎng)度超過了1 000 m，而克服的自身重力帶來的摩擦力超過了980 kN。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在工程設(shè)計(jì)和模型計(jì)算中的廣泛應(yīng)用，頂推法在鋼箱梁建設(shè)過程中更能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)計(jì)算，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過程的全程控制，使得建設(shè)進(jìn)度和建設(shè)效率得到顯著提高。同時(shí)在傳統(tǒng)的拖拉法頂推施工基礎(chǔ)之上衍生出的步履式頂推施工，能夠更好地適應(yīng)特殊條件下的鋼箱梁建設(shè)。該研究依托的案例橋梁工程全長(zhǎng)為1400 m，橋梁跨徑大，鋼箱梁自身重量大，在進(jìn)行鋼箱梁施工時(shí)采用自平衡步履式頂推法進(jìn)行施工，以改善傳統(tǒng)拖拉法頂推施工時(shí)面臨的施工成本高、速度慢及精度差的缺陷。

1 步履式頂推施工概述

步履式頂推施工是對(duì)傳統(tǒng)拖拉法頂推施工進(jìn)行改進(jìn)研究之后，為滿足橋梁大規(guī)模高速建設(shè)的需求，研究出的一種機(jī)械化程度更高、投入成本更低、頂推施工控制精確度更強(qiáng)的一種施工工藝[1]。相較于傳統(tǒng)的頂推方法，步履式頂推施工可采用縱橫控向與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的充分結(jié)合，保障各設(shè)備在施工和控制過程中具有同步性，使鋼箱梁在頂推施工時(shí)能夠獲得高的控制精度。頂推施工面臨的重大問題就是鋼箱梁自身重量帶來的較大摩擦阻力，而采用步履式頂層施工可將滑動(dòng)面從主梁底部轉(zhuǎn)移至頂推滑塊底部，使得摩擦阻力僅存在于頂推設(shè)備內(nèi)部[2]，設(shè)計(jì)的臨時(shí)墩在水平方向不會(huì)受阻力影響，進(jìn)而保障了鋼箱梁頂推過程中實(shí)現(xiàn)了自平衡。

2 工程概況

該工程位于湖北省境內(nèi)，設(shè)計(jì)為雙向6車道，行車速度為80 km/h，設(shè)計(jì)荷載為公路為I級(jí)，人群荷載為3.5 kN/m2?？v坡設(shè)計(jì)為2.2%，橋面橫坡設(shè)計(jì)為2.0%。地震烈度設(shè)計(jì)為6度，該區(qū)域的平均最大風(fēng)速為39 m/s。橋梁建設(shè)于平原江灣處，建設(shè)區(qū)域地勢(shì)平坦，水域標(biāo)高為-2.74～4.45 m，地面標(biāo)高為3.9～10.4 m。

橋梁總長(zhǎng)為1 400 m，其中主橋?yàn)?45 m，南北方向的引水橋長(zhǎng)為1400 m，其中主橋?yàn)?45 m，南北方向的引橋長(zhǎng)為1014 m，橋梁采用三跨連續(xù)半漂浮自錨式懸索橋，橋跨為“77.8 m+188 m+77.8 m”，為2.5×50.68 m的T形梁結(jié)構(gòu)。橋梁箱梁總寬度為12.75 m，在橋梁縱向設(shè)置有2道中腹板+2道邊腹板。按照橋梁基本結(jié)構(gòu)將鋼箱梁設(shè)計(jì)為38個(gè)節(jié)段，包括8個(gè)類型，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段28個(gè)。各節(jié)段中最大節(jié)段重量為250.396 t，標(biāo)準(zhǔn)階段的最大重量為157.746 t。

3 鋼箱梁步履式頂推法施工流程

將整幅步履式多點(diǎn)連續(xù)頂推法應(yīng)用于依托工程鋼箱梁的施工，所需大臨結(jié)構(gòu)主要有頂推平臺(tái)、臨時(shí)墩、滑道、鋼導(dǎo)梁、鋼墊梁等設(shè)施，頂推設(shè)備主要為步履式頂推系統(tǒng)。施工時(shí)主梁受頂推力作用向前移動(dòng)，邊拼裝邊頂推，從而加快施工效率。頂推時(shí)時(shí)刻保持正確線形，并全程進(jìn)行線形和受力監(jiān)測(cè)，確保頂推施工無誤，同時(shí)不損壞主梁梁體。多點(diǎn)自平衡步履式頂推法為連續(xù)式頂推，并在多個(gè)局部設(shè)有頂推點(diǎn)，保證了頂推的效率與質(zhì)量。

3.1 基本思路

該工程橋梁在施工過程中采用步履式頂推法施工，采用整幅步履式多點(diǎn)連續(xù)頂推法的施工工藝，結(jié)合施工實(shí)際情況主要結(jié)構(gòu)包括頂推平臺(tái)臨時(shí)墩、滑道、鋼導(dǎo)梁等基礎(chǔ)設(shè)施，所需頂推設(shè)備為步履式頂推系統(tǒng)。在施工過程中鋼箱梁受到推力作用逐漸向前移動(dòng)，然后對(duì)鋼箱梁進(jìn)行邊安裝邊頂推，進(jìn)而保障頂推的施工效率[3]。整個(gè)施工過程采用連續(xù)頂推方式，結(jié)合鋼箱梁受力情況設(shè)計(jì)多個(gè)局部頂推點(diǎn)。

3.2 具體流程

第1步：結(jié)合橋梁跨距，于橋梁中跨部位設(shè)置3個(gè)臨時(shí)墩，于橋梁北側(cè)邊跨設(shè)置1個(gè)臨時(shí)墩，各臨時(shí)墩之間的間距為47 m。

第2步：結(jié)合已經(jīng)建設(shè)好的臨時(shí)墩和桁吊安裝頂推設(shè)備，并布置組拼平臺(tái)。對(duì)整個(gè)頂推系統(tǒng)設(shè)置同步控制體系，完成了頂推設(shè)備安裝和控制系統(tǒng)施工之后，需要對(duì)提梁桁吊進(jìn)行荷載試驗(yàn)，對(duì)頂推設(shè)備進(jìn)行試運(yùn)行，以確保各設(shè)備能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求[4]。

第3步：在頂推平臺(tái)上安裝步履頂推設(shè)備，然后安裝橋梁分節(jié)段及鋼導(dǎo)梁。

第4步：對(duì)上一梁段進(jìn)行運(yùn)輸、吊裝和焊接，使各梁段與鋼導(dǎo)梁焊接成一個(gè)整體。

第5步：開始第1輪頂推施工，通過頂推系統(tǒng)和組拼平臺(tái)對(duì)鋼箱梁進(jìn)行整體頂推平移，使第7、第8梁段和鋼導(dǎo)梁得到前移，并預(yù)留出第6、第5、第4橋梁段的拼裝空間，依次完成梁段的運(yùn)輸、吊裝和焊接。然后按上述方法進(jìn)行重復(fù)，直到第3、第2、第1各梁段完全吊裝平移拼裝完成。

在全橋進(jìn)行頂推施工過程中，按橋梁所設(shè)計(jì)的38個(gè)節(jié)段分為13個(gè)輪次進(jìn)行施工，在各輪次施工時(shí)可結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行及時(shí)糾偏，及時(shí)對(duì)標(biāo)高進(jìn)行調(diào)整。于橋梁頂推作業(yè)結(jié)束之后隨頂推進(jìn)度逐漸拆除鋼導(dǎo)梁。

4 步履式頂推施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 頂推平臺(tái)的荷載分析

在該橋梁工程中，按照墩的編號(hào)，頂推平臺(tái)布置于兩墩之間，平臺(tái)承重采用鋼管支架，平臺(tái)的外形尺寸設(shè)計(jì)寬度為20 m，縱向長(zhǎng)度為36 m，然后在前端設(shè)計(jì)臨時(shí)墩[5]。頂推平臺(tái)搭建過程中主要采用Q235和Q345的鋼管和型鋼，按照《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，掛籃設(shè)計(jì)時(shí)鋼材容許應(yīng)力按規(guī)定的1.3倍取值，兩者的容許剪切應(yīng)力分別為[τ]=85×1.3=110.5 MPa和[τ]=120×1.3=156 MPa，而容許的彎曲應(yīng)力分別為[σ]=145×1.3=188.5 MPa和[σ]=210×1.3=273 MPa，容許的軸向應(yīng)力分別為[σ]=140×1.3=182 MPa和[σ]=200×1.3=260 MPa[6]。

該工程施工區(qū)域所處地理位置會(huì)受到橫橋向風(fēng)速的影響，施工過程中需考慮頂推平臺(tái)在不利工況下的荷載組合，在鋼箱梁頂推施工時(shí)，其荷載組合主要來自頂推平臺(tái)自身重量以及鋼箱梁荷載和鋼箱梁在縱向移動(dòng)過程中產(chǎn)生的水平摩擦力，還包括橫向的風(fēng)力荷載以及水流荷載。

此外在頂推施工完成之后對(duì)T梁進(jìn)行運(yùn)輸時(shí)，所產(chǎn)生的荷載在上述基礎(chǔ)之上去除了縱向移動(dòng)過程中的水平摩擦阻力，但是需要考慮T梁自重荷載。而非工作狀態(tài)下的荷載則沒有鋼箱梁縱向移動(dòng)產(chǎn)生的水平摩擦阻力和T梁自重荷載影響，因此遠(yuǎn)低于前兩種情況的荷載，可以不考慮[7]。

在工程設(shè)計(jì)過程中，通過Midas Civil結(jié)構(gòu)軟件進(jìn)行頂推平臺(tái)的模型建立，考慮鋼箱梁自身荷載、頂推時(shí)的水平荷載分布，T梁運(yùn)輸過程中的荷載以及橫向風(fēng)和水流引起的荷載情況，計(jì)算出鋼箱梁頂推平臺(tái)整體組合應(yīng)力結(jié)果[8]，最大應(yīng)力為181.32 MPa。

4.2 頂推設(shè)備選擇和安裝

結(jié)合工程實(shí)際情況，其頂推設(shè)備安裝于臨時(shí)墩和24#、25#墩主塔橫梁，全橋設(shè)計(jì)有7個(gè)頂推點(diǎn)，在各頂推點(diǎn)分別設(shè)計(jì)兩個(gè)橫斷面的頂推設(shè)備。在頂推設(shè)備和鋼箱梁接觸過程中，其面積為2.2 m×0.7 m，如圖1所示。

在進(jìn)行頂推設(shè)備安裝的過程中，需考慮頂推設(shè)備的功能完整性，同時(shí)為有效降低頂推過程中其他阻力和荷載的影響，且不能對(duì)鋼箱梁梁體造成破壞，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)頂推作用點(diǎn)位于主梁上[9]。經(jīng)計(jì)算，在進(jìn)行設(shè)備選擇過程中，在水平頂推油缸選型方面，選擇承載能力為160 t、行程350 mm的雙出頭液壓油缸，在頂升油缸方面選擇設(shè)計(jì)值為180 t、行程300 mm的油缸，共4臺(tái)。在導(dǎo)向結(jié)構(gòu)方面選擇承載能力為40 t、行程為55 mm的側(cè)向限位油缸。

4.3 頂推操作

在進(jìn)行鋼箱梁頂推的過程中，其頂推操作技術(shù)是整個(gè)工程施工過程中的關(guān)鍵技術(shù)，主要在于須準(zhǔn)確把握頂推設(shè)備性能參數(shù)和鋼箱梁頂推工藝技術(shù)，且須結(jié)合計(jì)算機(jī)的模擬數(shù)值實(shí)時(shí)進(jìn)行頂推控制調(diào)整[10]。且在施工過程中要同步頂升、同步前進(jìn)、同步下降，以確保頂推操作的穩(wěn)定性和鋼梁前移位置的準(zhǔn)確性。還須隨時(shí)結(jié)合對(duì)向量前移結(jié)果進(jìn)行測(cè)量，以及時(shí)對(duì)頂推工藝和技術(shù)操作進(jìn)行糾偏。該工程頂升、前進(jìn)示意如圖2所示：

5 結(jié)論

鋼箱梁步履式頂推施工相對(duì)于傳統(tǒng)的托拉法頂推和其他施工方法，具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。該研究以1 400 m長(zhǎng)的大跨度橋梁建設(shè)鋼梁步履式頂推施工為例，基于步履式頂推施工的基本特點(diǎn)總結(jié)了鋼箱梁步履式頂推施工的基本思路和具體流程，著重分析了鋼箱梁步履式頂推施工的關(guān)鍵技術(shù)。首先在步履式頂推施工時(shí)，在頂推平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮平臺(tái)荷載，包括鋼箱梁自身重量荷載、鋼箱梁平移時(shí)產(chǎn)生的摩擦阻力荷載，以及提梁運(yùn)輸時(shí)的自身荷載和外界風(fēng)力及水流產(chǎn)生的影響。其次，在頂推設(shè)備選擇和安裝時(shí)，應(yīng)充分結(jié)合頂推過程中來自橫向和縱向以及前進(jìn)方向的受力荷載情況科學(xué)選擇頂推設(shè)備，滿足頂推需求。還需考慮頂推過程中鋼箱梁前進(jìn)的整體性以及頂推控制的精確性，合理進(jìn)行各階段的頂推設(shè)備布置。再次是在滑道布置過程中，應(yīng)結(jié)合頂推過程中的受力荷載和摩擦力影響合理設(shè)計(jì)。最后在頂推操作的過程中應(yīng)采用同步提升、同步前移、同步下降、同步后退的工藝方法進(jìn)行施工，隨時(shí)結(jié)合鋼箱梁位置進(jìn)行檢測(cè)以及時(shí)糾偏。

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收稿日期：2024-01-29

作者簡(jiǎn)介：畢武（1988—）男，本科，工程師，研究方向：隧道橋梁施工技術(shù)。