鋼桁梁頂推橫向偏位控制方法研究

王海周

（中鐵十四局集團有限公司 山東濟南 250013）

1 工程概況

黃大鐵路黃河特大橋主橋跨徑布置為120＋4×180＋120 m，采用下承式明橋面連續鋼桁梁，帶豎桿三角形桁式，桁高18.0 m，節間長度10 m，主桁中心距 11.0 m［1－2］。

主梁采用頂推法施工，在114＃～115＃墩間120 m搭設支架，作為鋼梁拼裝平臺。拼裝平臺處設2臺龍門吊，用以拼裝鋼梁。在115＃～116＃墩跨中位置設置臨時支墩，115＃～119＃5個主墩搭設墩旁托架［3］，作為頂推滑道梁支架，如圖1所示。

圖1 頂推大臨設施布置

2 支墊及滑行結構

鋼桁梁支撐點置于鋼桁梁下弦桿大節點處，支撐結構從上到下分別為墊板、滑塊、MGE板、復合鋼板、滑道梁、支架、支架基礎［4］。MGE栓接于滑塊底，復合鋼板焊接在滑道梁上，MGE板與復合鋼板之間相對滑動，依靠墊板與梁底間摩擦力帶動上部梁體前行，完成頂推施工。墊板還用于調整高度，適應不同節點的預拱度和不同支架高度，如圖2所示。

圖2 橋梁支撐系統

3 鋼桁梁線形偏位分類

大跨度鋼桁梁頂推施工的關鍵在于線形控制，偏位過大，容易造成前端導梁偏位過大無法上墩，整體線形控制不力會出現鋼梁局部卡死，無法再向前頂推等嚴重且不易處理的后果［5］。

鋼桁梁頂推偏位分為三類，即縱向偏位、橫向偏位和豎向偏位。

（1）縱向偏位

縱向偏位即左右兩片主桁沿線路方向前進不一致，一前一后。縱向偏位不加以控制，發展至一定程度，主桁中心線與線路中心線間出現較大夾角，鋼梁將朝著偏離中心的方向前進，同時也會引起鋼梁前段后端大的橫向偏位［6］，如圖3所示。

圖3 縱向偏位示意

（2）橫向偏位

橫向偏位即在水平面內鋼桁梁中心線上某點或多點偏離線路中心線位置，如圖4所示。橫向偏位需要控制在一定的范圍之內，導梁、鋼梁橫向偏位過大會使滑塊與限位鋼板在滑動中接觸，限位鋼板與滑塊非滑動面產生巨大摩擦力，額外增加了牽引千斤頂的牽引力，同時也增大了墩身所承受的水平反力，對墩身不利；若主梁橫向偏位沒有及時得到糾正，摩擦力進一步增大，限位鋼板受損后剛度降低，限位鋼板限位功能將失效。

圖4 橫向偏位示意

橫向偏位控制不當還會使左右兩臺水平牽引千斤頂受力不一致，梁內產生扭曲，引起鋼梁部分桿件改變原工作狀態，出現應力異常，使鋼梁在頂推中的狀態趨于不安全；鋼梁內部產生扭曲使各墩左右側滑塊支反力不一致，增大了臨時支架單點的荷載，對下部滑道梁和臨時支架造成隱患。若橫向偏位沒有及時糾正，多處累計值較大后，隨即引起縱向偏位。

（3）豎向偏位

豎向偏位即頂推中的各平臺或滑道梁標高發生變化。各臨時支點標高發生變化后，各支點承受的鋼桁梁的重力重新分配，若未能及時發現，部分支點豎向支反力大于原設計值，會給鋼桁梁帶來一定的附加應力，不利于鋼梁頂推施工，如圖5所示。

圖5 豎向偏位示意

減小豎向偏位，臨時支架的設計應趨于保守，適當加大安全系數，具有承擔一定數值的偶然荷載能力；在施工中要保證支架基礎、支架的搭設精度，完成后全面測量，對于超出允許偏差的位置，調整平面高度后再次復核，直至滿足精度要求；合理組織頂推施工的各道工序，盡量避免頂推過程中出現單個支點受力過大；在施工過程中對支架及滑道梁進行周期性動態觀測，及時發現豎向偏位問題，便于調整處理。

4 頂推橫向偏位原因分析

頂推施工鋼梁橫向偏位原因復雜，根據東營黃大項目現場實踐經驗從施工角度對橫向偏位原因進行總結。

（1）頂推系統同步千斤頂不同步

水平千斤頂頂進行程不一致是造成橫向偏位最主要的原因，本項目頂推系統為分散連續頂推，在各墩主桁下均設置牽引千斤頂。盡管千斤頂進行周期性檢驗、維護、維修，各墩左右側每個循環存在微小的不同步偏差在所難免。雖然單個循環千斤頂行程相差甚小，但較小行程差值長期累積后，即會引起橫向偏位［7－8］。

（2）手動頂推人為因素干擾

頂推系統在自動頂推之前要先進行手動調整，調整至各墩牽引力滿足頂推方案要求時的位置；在自動頂推階段出現線形變化時，也將采取手動頂推調整的措施解決。在手動調整階段，左右側千斤頂同步性受人為因素干擾較大，并且干擾值不易被觀測，不同步累積后首先造成縱向偏位，再由縱向偏位引起橫向偏位。

（3）支架標高及幾何形位偏差

滑道梁標高及幾何形位偏差是造成鋼梁橫向偏位的另一個原因，尤其是左右滑道梁的標高偏差。在頂推過程中，滑道梁標高的差異會使鋼梁向著標高低的一側滑動，造成橫向偏位。滑床板標高及幾何形位偏差是由其下部結構高程變化造成，如支架立柱變形、滑道梁變形、支架下部基礎沉降變形。

（4）間歇型“爬行”線形

在頂推過程中由于鋼絞線的彈性和摩擦面摩擦狀態的轉變，滑塊與滑床板之間的滑動不能連續勻速進行，經常出現間歇性“爬行”現象，每次線形回歸正常都需克服巨大的靜摩擦力，并在靜摩擦與動摩擦兩種狀態下交替轉換［9］，對滑床板、滑道梁、支架產生較大的水平沖擊，造成其幾何形位發生變化。

（5）風荷載影響

當導梁懸臂過長時，容易受到風荷載的影響，導梁前端出現左右擺動，引起后端鋼梁偏離縱向中心線。

5 橫向偏位模型分析

本節建立橫向偏位模型，對比分析實際水平糾偏千斤頂糾偏效果與理論值的關系，并得出相關結論。

本文以導梁上117＃墩后140 m工況為例，模擬在116＃墩上使用水平千斤頂分別糾偏5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm、40 mm、50 mm 需要施加的荷載。

建立Midas模型，導梁及鋼桁梁桿件使用梁單元模擬，材料屬性按照設計所給材料的性能考慮，荷載僅考慮導梁及已拼裝主桁自重，模型荷載中1.35倍自重系數能夠含拼接板、隔板、節點局部加強及橫向聯接系的重量，水平糾偏力等效為強制位移。115＃墩約束方式假定為固定支座，116＃墩、118＃墩、拼裝平臺、1＃臨時墩均假定為活動支座。幾何模型如圖6所示［10］。

圖6 鋼梁模型

糾偏0 mm、5 mm、10 mm的組合應力結果由上至下如圖7所示。

圖7 糾偏0 mm、5 mm、10 mm組合應力

糾偏15 mm、20 mm、25 mm的組合應力結果由上至下如圖8所示。

圖8 糾偏15 mm、20 mm、25 mm組合應力

分別糾偏30 mm、40 mm、50 mm的組合應力結果由上至下如圖9所示。

圖9 糾偏30 mm、40 mm、50 mm組合應力

根據組合應力計算結果可知，在116＃墩位置上糾偏5 mm，對主桁桿件應力影響極小，桿件應力分布狀態基本沒有變化，桿件應力仍然受其自身重力控制。因此，5 mm以內的橫向糾偏不會對導梁及主梁桿件造成太大影響。但一次橫向糾偏值不能太大，仍應按照化整為零的原則，將較大的橫向偏位，分次多點進行糾偏消除。

糾偏量提高至5 cm時，應力分布仍沒有明顯變化，主桁弦桿應力有所增大，由176 MPa增大到192 MPa，但未超出允許應力。所以，采用橫向糾偏千斤頂橫頂糾偏具有可行性。

糾偏需要克服的是鋼梁和滑道之間的靜摩擦力，根據統計頂推數據，頂推過程中的實際靜摩擦系數在0.08～0.1之間，模型計算靜摩擦系數取較高值0.1。對比分析理論彎曲糾偏力、模型計算支反力、實際糾偏力，見表1。

表1 理論彎曲糾偏力、支反力及實際糾偏力匯總

本項目水平糾偏千斤頂頂力為250 t，最大行程5 cm，糾偏量5～50 mm，現場實際糾偏力從84.6 t到86.9 t，糾偏力未見明顯變化。通過對比分析，實際糾偏力與理論彎曲糾偏力、需摩擦力關系不大，頂推過程中的橫向糾偏力不受彎曲應力控制，而是由靜摩擦力控制。

現場糾偏力從糾偏5 mm至50 mm變化沒有明顯增大，說明在大跨度鋼桁梁頂推施工橫向糾偏中，糾偏力主要受靜摩擦力控制。在選用水平糾偏千斤頂規格時主要考慮靜摩擦系數。

6 橫向糾偏措施及效果

橫向糾偏要以精確的動態監測數據為基礎，在保證鋼桁梁位置的前提下，以可推動滑塊和墊板的位置作為糾偏千斤頂作用點，如圖10所示。

圖10 支撐系統

（1）限位鋼板

限位鋼板作為頂推過程中滑塊限位的基本約束，頂推過程中，若滑塊出現與一側限位鋼板頂緊現象，則將主梁起頂，調整滑塊位置，使其居于滑床板中部。滑塊與限位鋼板頂緊狀態下，會增加水平牽引力，臨時支架、墩身的水平反力也隨之增加，不利于安全［11］。

在很多鋼桁梁頂推施工中，使用角鋼作為限位鋼板并不合理，角鋼一般用作拉壓二力桿，而限位鋼板受較大水平推力（剪力），角鋼抵抗能力較差，而且角鋼板厚較薄，限位工作面狹小，不具備限位功能。在個別工程中已有角鋼限位失敗的案例，黃大鐵路東營黃河特大橋項目已經成功地采用鋼板加加勁肋方式完成限位約束功能，建議使用板厚較厚的鋼板輔以同等厚度的加勁肋作為限位裝置。

（2）單點單動

頂推過程中，若發現導梁前端監測點發生左右偏移，即縱向偏位，可單獨使用偏向一側的牽引千斤頂工作，另一側千斤頂不動，進行分次糾偏，一次糾偏量控制在5 cm，糾偏一次復測一次，直至導梁回歸正位。單點單動容易引起主梁后端位置偏差，在糾偏過程中應嚴密觀測后端滑塊與限位鋼板的相對位置，避免因導梁前端盲目糾偏引起主梁后端偏位［12］。

（3）橫向千斤頂糾偏

根據第5章節分析可知，糾偏千斤頂并不是克服鋼桁梁彎曲應力而是克服靜摩擦力進行糾偏。對于本工程，相對于180 m跨度，鋼桁梁柔性較大，很小的力就可以對其糾偏5 cm。糾偏分次分點進行，逐級將鋼桁梁和導梁產生的橫向彎曲應力釋放掉。

（4）前端牽引

導梁上墩前懸臂較大時，采用鋼絲繩與前端墩身連接，并對鋼絲繩施加一定的牽引力，避免因異常大風天氣造成導梁懸臂左右擺動，也是控制導梁前端橫向偏位的一種輔助措施。

7 結論

在大跨度鋼桁梁頂推施工中，橫向偏位糾偏力主要受靜摩擦力控制，選用水平糾偏千斤頂規格時主要考慮靜摩擦系數，一次糾偏反力大小可以忽略。

根據該項目已完成工程經驗，限位鋼板、單點單動、橫向千斤頂糾偏、前方牽引等措施可以有效控制、處理鋼桁梁的橫向偏位，建議在實際頂推施工過程中應綜合靈活運用橫向糾偏措施，并充分利用現場條件，以達到良好的偏差調整效果。