大跨度鋼橋梁頂推過程中的豎曲線線形控制技術

宋 敏 朱 江 皮淑萍 邰鵬鳴 葉倍君

中億豐建設集團股份有限公司 江蘇 蘇州 215131

1 概述

1.1 頂推的基本概念與線形控制的目的

鋼橋梁的頂推為一種懸臂的施工方法，導梁設置在鋼橋梁的前端并與鋼橋梁連接。在橋梁頂推過程中，懸臂端懸挑長度逐步增加[1]。由于導梁質量較輕，后續連接鋼橋梁質量較大，即可以理解為在頂推過程中，后續鋼橋梁作為壓重，來保證懸挑出去的導梁可以安全達到對面支座。導梁抵達對面支座后，橋梁頂推由懸臂施工變為多點支撐的正常頂推，直至橋梁段到達對面支座（圖1）。

圖1 頂推橋梁構造

頂推過程中橋梁線形控制的目的就是通過控制頂推過程及結構成形后的線形，使其符合設計要求，來確保結構安全及美觀。

某項目頂推工程的主橋部分跨越高速公路，主橋為五聯跨，施工現場周邊環境復雜，為了保證施工的安全，在不影響高速公路正常通行的情況下，結合現場實際情況和工程特點，采用頂推方式進行鋼橋梁的安裝（圖2）。

圖2 主橋整體模型

1.2 線形控制的重點與難點分析

1）鋼橋梁在拼裝過程中需要控制橋梁豎曲線的整體線形，通過控制橋梁之間的折線角并沿橋梁豎曲線進行頂進，確保頂推完成后橋梁在自重下的線形與設計線形保持一致。在施工過程中會出現場地受限，無法全橋進行頂推的情況，此時需要部分橋梁先進行拼裝，然后逐步邊頂推邊后續拼裝。在邊頂推邊后續拼裝的項目中，需做好局部頂推和全橋頂推的對比，確保此頂推工況的合理性。

2）步履式頂推過程中，用于頂推的導梁只是作為臨時施工措施，對變形控制要求較小。為節約成本，一般設計的導梁會比較接近規范允許值，產生較大的變形。雖然導梁的變形對橋梁完成后的整體豎曲線線形影響不大，但由于跨線橋梁的施工需要橫跨高速，導梁頂推過程中變形過大會影響下部通行高速公路的凈空，從而影響高速通行。因此，為保證頂推過程中橋梁頂端的導梁線形不會影響到高速的正常通行，在設計完導梁后，需要采用有限元軟件Midas/Civil對導梁進行全過程分析復核，確認導梁頂推最大撓度沒有超過原橋最低標高后，導梁才可投入使用。

2 鋼橋梁步履式頂推概述

2.1 步履式頂推的工藝原理

鋼梁拼裝完成后，多臺頂推設備同時工作，通過“頂、推、落、縮”4個步驟循環進行，即先將鋼梁整體頂高，脫離拼裝平臺和支墩，然后由千斤頂向前頂進，頂進一定位移后，再將鋼梁落到臨時托梁上，最后油缸縮回，進行下一個循環，如此反復直到設計位置。

2.2 主橋段步履式頂推方法

主橋跨越高速公路，施工現場周邊環境復雜。為了保證施工的安全，不影響高速公路正常通行，采用Midas/Civil軟件對主橋3跨和5跨的受力和變形進行分析，最終確定主橋鋼箱梁左幅（64＋40＋38.2） m、右幅（64＋31＋48.6） m各3跨安裝采用步履式多點式同步頂推法施工（圖3）。在左幅45.5、38.3 m兩跨（DZ1區）和右幅42.4、40.0 m（DZ5區）兩跨通過搭設平臺及臨時支撐架，作為頂推施工的梁段拼裝平臺。在拼裝平臺和主橋橋墩上設置頂推裝置，鋼梁拼裝完成后，向DT1區及DT2區頂推施工。

圖3 頂推橋梁拼裝、頂推區域劃分

3 頂推過程理論分析

由于場地限制，主橋5跨橋梁段無法全部進行頂推，需要在最后2跨進行隨頂推進度的逐步拼裝，然后按整體切線頂入頂推的3跨橋梁段區域。最后2跨橋梁段在頂推段完成后直接在拼裝區域進行安裝。因此，在施工前需要對比3跨局部頂推及原設計5跨的分析模型，確保3跨頂推的合理性。同時針對逐步頂推的3跨橋梁段，需要做好頂推各工況的模擬分析，確保頂推過程中各工況沒有超過設計要求。為保證橋梁安裝的順利進行，安裝前采用有限元分析軟件Midas/Civil對橋梁的頂推全過程進行了理論分析。主要內容包括橋梁成形階段的分析及頂推過程的分析。

3.1 全橋成形節段分析（3跨頂推對整體線形的影響）

為探討采用3跨頂推、2跨支架安裝的施工工藝而成形的全橋受力與變形狀態是否達到整體支架安裝、一次落梁施工工藝的設計成形狀態的受力與變形狀態，將分析結果與5跨設計模型在自重作用下的應力與線形進行對比，應力及變形對比分析結果分別如圖4、圖5所示。

圖4 變形計算結果

圖5 應力計算結果

從圖4中可以看出，2個模型的變形形狀相同，64 m跨下撓，臨跨上拱，邊跨下撓，最大撓度均出現在64 m跨中附近，3跨頂推、2跨支架成形階段最大撓度為－42.4 mm，最大上拱為5.1 mm，設計模型最大撓度為－42.4 mm，最大上拱為5.3 mm。3跨頂推對橋梁線形的影響與原設計在自重下的變形基本一致。從圖5中可以看出，3跨頂推、2跨支架成形階段最大拉應力為27.6 MPa，最大壓應力為－33.5 MPa，設計結構模型最大拉應力為41.4 MPa，最大壓應力為－50.3 MPa，應力均處于較低水平，滿足結構受力安全要求。

對變形與應力計算結果進行綜合分析后可看出，本工程通過單獨頂推3跨、后支架安裝2跨的工藝，成橋后的線形和內力與設計狀態基本一致，確保了方案的合理性與正確性。

3.2 頂推全過程分析

根據頂推順序，選取能反映頂推結構受力全過程的關鍵施工階段，作為分析工況。結合頂推工藝要點、頂推點的變化、節段拼裝等關鍵參數的變化，對整個頂推過程進行了分析。主要分析結構受力和變形，校核其是否滿足相應的受力安全控制要求以及是否會發生影響節段拼裝及主橋線形的過大變形。

從分析結果可知，鋼箱梁在整體頂推過程中，鋼箱梁最大拉應力為101.4 MPa，最大壓應力為－111.1 MPa，位于鋼箱梁尾端頂推點。整個施工過程中，頂推結構應力水平均較低，可滿足安全受力要求。

鋼箱梁最大上拱35 mm，位于64 m跨內；鋼箱梁最大下撓－470.5 mm，位于鋼箱梁尾部，鋼箱梁變形較大，均是頂升工況，且根據頂升設備工裝的設計，頂推結構由頂推裝置整體抬高了約1.2 m，其下撓不會影響鋼箱梁尾部通過貝雷架及橋墩。

4 頂推過程的線形控制

主橋鋼箱梁設計線形為半徑5 900 m的圓弧線。

為了保證頂推完成后橋梁在自重作用下的線形和設計的線形一致，在頂推過程中要嚴格控制橋梁的線形。首先在鋼梁拼裝時保證相鄰鋼梁之間的折線角與設計一致，其次在頂推過程中控制鋼箱梁整體沿圓弧線形切線方向頂進，即在頂進過程中，鋼箱梁可以有整體的轉動和平動，但鋼箱梁的行進路線始終與設計原弧形一致（圖6）。

圖6 頂推方向及豎曲線線形控制示意

根據之前的施工模擬分析，在整個施工過程中，頂推結構尾部梁段端點的轉角值較小，最大轉角值為0.012，角度約0.7°，此部分誤差可以在加工時進行消除，不會對后續節段在拼裝平臺上的連接及頂推進入角度造成影響。

加工時已經考慮鋼梁的結構預拱度，頂推的弧度并非和原橋線形一致。因此，在頂推過程中，有預拱度的梁段過頂推點時，根據預拱度量值，在梁底墊對應數值的墊塊，以確保步履頂推器頂起時保持在梁底頂進圓弧線上。拼裝胎架頂的高程同樣需進行控制，使其與梁底頂進圓弧線相協調。

5 導梁線形對高速公路的影響分析

鋼橋梁頂推過程導梁伸出長度越大即懸挑長度越大，導梁前段的變形就越大。為了安裝時不影響高速公路的正常通行，對頂推施工過程中導梁的應力與變形情況進行了分析。根據施工模擬分析，得出導梁的最大應力為167.5 MPa，位于導梁根部截面，約為Q345設計強度（275 MPa）的60%，可滿足安全受力要求。導梁前端會隨著施工階段的變化發生上拱與下撓，最大下撓為617.2 mm，最大上拱為125.6 mm，而根據頂升設備工裝的設計，頂推結構由頂推裝置整體抬高了約1.2 m，其下撓未大于頂推工藝要求的上抬量，因此，不會對繞城高速的車輛正常通行造成影響。

6 頂推過程的監測

6.1 靜力水準監測

在頂推過程中，導梁端部的變形在不斷變化著。一般說來，導梁端部位移由于滑塊壓縮量不一、導梁與梁體連接螺栓松動、溫度變化等原因，和理論值可能會存在偏差。懸臂端位移可表現線彈性情況，變形過大或變形突然增大過快都是危險信號。因此，為保證導梁受力安全，順利通過支墩，在導梁前進過程中，特別是導梁懸臂最大時，應對頂推過程中的橋梁中軸線和導梁的變形動態進行實時監測。另外，需實時監測每分段鋼箱梁間的相互變形情況，以確保頂推后橋梁有一個合理的拼接狀態。采用靜力水準儀為主，全站儀和配套棱鏡為輔，對箱梁、導梁高程進行監測，得到箱梁和導梁的變形情況。為適用于本次監測，專門研發改進了適用于橋梁頂推的在線監測系統。

在頂推過程中，導梁端部的變形會不斷發生變化，且變形變化較大，因此需在導梁端部設置水準儀，監測其實時變化情況，并給予安全預警。同時，導梁部分由2片實腹式不等截面工字形鋼板梁組成，為檢驗頂推過程中拼接接縫處的節點可靠性，在每個拼接接縫處布置一個水準儀，導梁處共計3個測點。鋼箱梁每節段長度控制在17 m以下，共分為9個節段，由于具體分段原因，頂推長度為156.35 m。在每節段軸線處布置一個水準儀，水準儀布置位置為每節段中軸線處的2節段拼縫位置附近。

監測結果顯示，在整個頂推過程中，每次頂推具有周期性。每次步履式頂推過程中，在頂起5 cm的階段，各測點的撓度會由初值逐漸變大；在前移50 cm階段，各測點撓度變形為穩定值（第一次為40 cm）；在箱梁放下階段，各測點撓度再變小，恢復至一個初值。頂推完畢靜定時間內，結構會逐漸趨于穩定，得到一個最終的撓度變化值。

通過采用水準儀，在頂推過程各階段對各監測點的實時高差進行匯總。通過監測數據與模擬分析進度對比，各監測點的變形值與模擬值相近，在預警范圍之內。

6.2 應力監測

在頂推安裝過程中，鋼箱梁的應力在不斷地變化。為了解整個頂推過程中結構的應力情況，保證安全可靠，本工程采用鋼結構振弦式應變計和配套采集儀對箱梁進行應力監測。

選擇頂推過程中受力最大截面和成橋狀態的各跨跨中、墩頂截面作為監測斷面，每個斷面布置4個測點。通過監測數據得知，各監測點在頂推過程中的最大實際應力未超過模擬分析的最大應力（111.1 MPa），在預警范圍內。

7 結語

通過對大跨度鋼橋梁頂推過程中的豎曲線線形控制，整體豎曲線線形與原設計基本保持一致，各類監測數據均未超出模擬分析數值，整體控制良好。橋梁頂推段平穩通過高速公路并順利落墩，頂推過程中的最大豎向變形未對下部高速公路通行產生影響，取得了階段性的成功，為今后同類項目提供了參考經驗。

[1] 張愛軍.連續梁橋頂推施工控制[J].技術與市場,2011,18(6):162.