上跨繁忙干線鋼桁梁拖拉式頂推和步履式頂推工藝比選

黃群廣

（中鐵建大橋工程局集團第四工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

1 工程概況

1.1 線路概況

張家灣貨車聯右線特大橋鋼桁梁工程是浩吉鐵路聯絡線的控制性工程，浩吉鐵路聯絡線工程是連接浩吉重載煤運鐵路和繁忙干線隴海鐵路的樞紐工程，線路分左右線分別連接隴海鐵路上下行，線路合計全長5.1km。其中張家灣貨車聯右線特大橋1#、2#墩跨越浩吉鐵路和隴海鐵路的立交處（見圖1），跨越結構采用1m～64m簡支鋼桁梁。

圖1 工程現場施工圖

鋼桁梁位于1.3%的縱坡上，鋼梁長65.5m，計算跨度64m，橫向桁間距7.6m。主桁采用無豎桿三角桁，桁高11.0m， 節間長度10.8m和10.6m。鋼梁的主桁桿件、整體節點、橋面系（橫梁、橫肋、U肋、橋面板）及其拼接板均采用Q370qE；填板、上平縱聯、橋門架、橫聯及其拼接板等均采用Q345qD。上、下弦桿采用箱形截面，上弦桿內寬480mm， 內嗇640mm，板厚20mm～24mm； 下弦桿內寬480mm， 內高960mm， 板厚20mm～24mm 。箱形截面斜腹桿內寬480mm， 內高560mm和640mm， 板厚16mm～24mm； H形截面斜腹桿翼板寬560mm，腹板內高480mm， 板厚16mm～20mm。

1.2 工程重難點

張家灣聯絡線貨車聯右線特大橋1m～64m鋼桁梁上跨隴海鐵路和浩吉鐵路正線立交處，隴海鐵路在上，浩吉鐵路正線在下，兩條既有鐵路已經建成通車且運能巨大運輸繁忙。1）浩吉鐵路正線下穿隴海鐵路，兩條線路交叉，浩吉鐵路正線在下隴海鐵路在上，既有線的立交導致現場施工空間狹小；2）隴海鐵路為繁忙干線，浩吉鐵路為重載貨運鐵路，鋼桁梁上跨范圍的隴海鐵路歸鄭州局管轄，上跨范圍的浩吉鐵路正線歸西安局管轄，兩大營業分屬兩家路局管轄，同步協調工作量大。3）隴海鐵路是繁忙干線，垂直天窗點僅50分鐘，接觸網停送電工作占用垂直天窗點時間，鋼桁梁頂推有效施工作業時間短，鋼桁梁頂推、靜置過程及梁體附屬施工均屬于營業線狀態，施工安全風險高。

2 頂推施工工藝比選

為提升工程質量與安全性，在制定施工方案前應慎重選擇頂推施工的方式，一般而言，頂推施工可分為拖拉式與步履式兩種頂推方式。這兩種方式在頂推行進速度上沒有較大差異，但因為二者存在不同的適用范圍，所以應首先掌握這兩種頂推方式各自的工藝特點與適用范圍，并結合實際工程情況，進行綜合對比與選擇。

2.1 可選施工工藝

2.1.1 步履式頂推施工原理

步 履式滑移頂推主要由步履機提供頂推時的起頂、前移、糾偏的動力，集三向調整于一身，施工便捷。頂推以滑道梁、滑塊為輔助滑移裝置，主要利用步履機與鋼桁梁下弦之間的摩擦力帶動整體鋼梁前移。頂推過程中是一個自平衡的頂推動作過程。步履式頂推施工法的工作原理為步履機豎向千斤頂頂起鋼梁→步履機水平千斤頂在水平方上推動鋼梁移動→步履機豎向千斤頂回程，實現步履機與鋼梁分離→步履機水平千斤頂回縮，此時步履機變回初始狀態，步履機完成一個頂推流程。在整個頂推過程中，液壓千斤頂主要借助的是液壓油缸的壓力而不是支架的反作用力實現的頂推，因此步履式頂推法對外部環境所造成的反作用力較小，步履頂推操作流程如下。1）頂升：施工人員操作步履機豎向千斤頂，通過頂升油缸提供的壓力頂起鋼梁，使鋼梁與拼裝平臺相分離。2）縱向推動：施工人員停止使用豎向千斤頂，并操作縱向水平千斤頂，通過液壓油缸的壓力使步履機豎向千斤頂縱向水平移動，承載鋼梁同步縱向水平移動。3）下降：施工人員停止水平千斤頂，再次操作豎向千斤頂，使頂升油缸回縮，從而使鋼梁向下移動，直至千斤頂與鋼桁梁完全分離。4）回縮：施工人員停止豎向千斤頂，再次操作水平千斤頂，使頂進油缸回縮，并操作千斤頂的上端可移動部分回歸初始狀態，并執行下一個操作流程。一般而言，使用步履式頂推法執行鋼梁的頂推操作時，需要使用多臺千斤頂同步施工，使多臺千斤頂協同頂推[1]。

2.1.2 拖拉式頂推施工原理

拖 拉式頂推施工的原理為在輔助墩與過渡墩間搭建梁體的施工安裝平臺，在安裝平臺上使用大型起重設備，將導梁、梁體及橋面板等安裝為一個整體性的節段，隨后在安裝平臺、輔助墩頂及主梁上，順著橋梁的縱坐標方向布置梁體滑道、滑塊及自動化、連續式千斤頂，在梁體的前端位置布置導梁與主體結構梁相連。使用鋼絞線，將滑塊與千斤頂相連，隨后操作千斤頂，反復執行松、緊鋼絞線的操作，牽引滑塊沿水平方向移動，滑塊帶動鋼梁實現縱向頂推施工。滑塊移動至滑道前段，利用豎向千斤頂起頂鋼梁，將滑塊后移至滑道梁尾端或鋼桁梁后節點位置，如此循環完成鋼梁的長距離頂推作業。長聯頂推施工時，頂推與拼裝交替進行，水平頂推作業使拼裝平臺有空間進行下一節段的梁體拼裝施工，檢查頂推拼裝，如此循環反復操作，直至設備將梁體頂推至設計位置[2]。

拖拉式頂推施工是連續千斤頂縱向拖拉滑塊從而帶動滑塊上的鋼梁實現縱向移動的施工工藝，拖拉式頂推需要克服滑塊與滑道之間的摩擦力，因此頂推支架或主體結構等連續水平千斤頂的著力點位置需要較大的縱向剛度，能夠提供鋼梁頂推需要的水平力。

2.2 工藝性能對比

根 據工程實際情況，將步履式頂推法與拖拉式頂推法進行性能方面的對比，結果如下：步履式頂推法具有頂升、平移、橫向糾偏等多種功能，應用包括總控制端與分控制端的智能化控制體系，能夠有效保證各個施工節段的協調性與同步性；內設的液壓千斤頂能夠有效監測各個頂推墩的滑移裝置反力，如在施工過程中存在滑移裝置反力過大的情況，可隨時進行調整與檢修；步履機豎向千斤頂在鋼桁梁頂推過程中持續受力，避免脫空情況的出現，因此能夠確保步履式頂推結構與橋梁結構的有效接觸，從而優化橋梁結構的受力情況，最大限度降低對橋梁結構的損傷。步履式頂推系統獨立一體，可適應多種類型的橋梁施工需求，選用全液壓系統繼續驅動，整個系統具有占地面積小、整體重量小、施工平穩、安全系數高的優點。拖拉式頂推法設穿心千斤頂作為縱向拖拉動力裝置，多點位拖拉的同步性控制與步履頂推情況基本相同，均依靠統一液壓泵站進行同步控制；但進行頂推施工時，拖拉式頂推各個滑塊的支反力難以直觀地進行監測，使整個施工過程難以實現有效地控制；如果在頂推施工時，結構存在滑塊支反力過大的情況，基本上沒有辦法進行調整[3]。綜合來看，步履式頂推法在施工控制、故障調整、受力情況方面都大大優于拖拉式頂推法。

2.3 施工靈活性對比

鋼 梁因材質原因，受溫度應力較大，如何降低溫度應力的不利影響是提升頂推施工質量的關鍵。步履式頂推法不僅能夠使鋼桁梁向前移動，還能夠使鋼桁梁向后移動，此舉可應對頂推突發情況，有效降低上跨營業線施工風險；對溫度荷載的影響，步履式頂推法可根據施工需要，將通過頂升的方式，將設備變為任意長度，從而實現溫度應力的完全釋放，分階段拼裝頂推過程中不會影響到后續的鋼梁安裝流程。拖拉式頂推法無法減緩或消除溫度荷載的影響，導致其在高溫或溫差變化大的天氣下，施工安全性大大降低；同時拖拉頂推施工，無反向拖拉裝置，整個施工過程只能前進無法后退，頂托過程中靈活性差[4]。

2.4 橫向偏位調整能力對比

通 過對比步履式頂推法與拖拉式頂推法的橫向偏位調整能力，可得出以下結果：步履式頂推法內設有具備橫向偏位主動調整功能的液壓限位設備，可保證頂推施工的平穩性，從而大大減少了頂推施工過程中橫軸方向的偏位現象，降低了調整頻率；拖拉式頂推法內設有橫向偏位被動調整設備，調整效果不佳，橫軸方向的控制性較差，也使調節頻率增高。

2.5 橋 梁滑移裝置沉降的自適應性對比

分 析工程施工過程的敏感性，可知：滑移裝置的不均勻沉降對主體結構的受力影響較大，考慮極端不利狀況（見圖2），鋼梁導梁過4#支架，6個支撐點未有脫空狀態，鋼梁下弦最大應力129.3MPa，支撐點最大反力198t；中間兩處支撐點位脫空，梁體弦桿最大應力258.3 MPa，支撐點最大反力302t；應力增加129 MPa，支點反力增加104t，對結構受力極為不利。

圖2 滑移裝置沉降的施工敏感性分析狀態

步履式頂推法借助三向調位設備進行頂推操作，整個過程各個頂推墩的滑移裝置反力的可控，通過頂升高度的不同，調整頂推墩的滑移裝置反力。因此對橋梁滑移裝置的不均勻沉降表現出較強的自適應性；而在拖拉式頂推法中，橋梁滑移裝置的標高會隨著橋梁滑移裝置的不均勻沉降而發生變化，不能達到自行調整的效果，甚至可能出現脫空情況，從而可能存在安全隱患，導致橋梁主體結構損傷。

2.6 橋梁 主體結構應力情況對比

拖拉式頂推法施工，千斤頂連續拖拉鋼梁下方的滑塊從而進行頂推施工，滑塊位置相對鋼梁固定，鋼梁的主受力點基本不變；步履式頂推法施工，步履機頂起鋼梁的同時縱向移動，鋼梁進行頂推施工，步履機豎向千斤頂與鋼梁的接觸位置頻繁變動，鋼梁的主受力點頻繁更換。因此步履式頂推比拖拉式頂推對鋼梁主體的受力極限要求高。步履式頂推多適用于箱梁頂推，箱梁腹板受力極限基本一致；拖拉式頂推多用于鋼桁梁頂推，滑塊放置于桁梁節點位置，以保證主梁結構不會受力變形[5]。如果可以采取相關措施實現步履機的限壓頂推，該狀態下由滑塊承擔大部分梁體豎向荷載，步履機承擔部分豎向荷載，以此降低頂推施工過程中步履機對鋼梁主體結構的受力需求，步履式頂推也可用于鋼桁梁頂推施工。

2.7 鋼桁梁步履式頂推施工

通過鋼桁梁節間點位置設置滑塊來實現步履千斤頂的限壓頂推，施工步驟如下。

2.7.1 鋼梁頂推準備工作

支架、滑道梁等鋼桁梁頂推輔助工程完成后，利用臨時支墩、支架、墊塊等措施，將鋼桁梁拼裝完成，利用超墊調整鋼桁梁的線性，完成驗收工作，準備頂推施工。

2.7.2 步履機滑塊安裝

在頂推平臺位置安裝步履機，確保步履機底座的水平以及步履機的方向與鋼桁梁前進方向一致。在鋼桁梁節點位置大行程起頂步履機豎向千斤頂，在后方節間點位置放置滑塊，此時，滑塊與鋼桁梁下弦桿之間懸空（見圖3）。

圖3 滑塊安裝施工工序圖

2.7.3 體系轉換

步履機豎向千斤頂部分回縮，進行體系轉換，將鋼桁梁主要重量轉換至滑塊上（見圖4）。由步履機豎向千斤頂與鋼桁梁下弦桿支架摩擦力提供鋼桁梁整體平移的動力，因此步履機豎向千斤頂頂升力量的大小，取決于鋼桁梁平移需要克服的水平阻力。

圖4 體系轉換工工序圖

2.7.4 鋼桁梁平移

通過控制系統控制水平千斤頂伸，步履機整體向前平移（見圖5），帶動鋼桁梁和滑塊向前平移，實現鋼桁梁的整體頂推施工。

圖5 鋼桁梁平移施工工序圖

2.7.5 頂升千斤頂回程

通過控制系統控制步履機豎向千斤頂大行程回縮，實現步履機與鋼桁梁下弦桿脫離（見圖6），此時鋼桁梁的全部重量由滑塊承擔。

圖6 頂升千斤頂施工工序圖

2.7.6 步履機恢復初始狀態

水平千斤頂收缸回程至原始狀態（見圖7），鋼桁梁步履頂推完成一個循環，開啟下一個循環施工時，步履機豎向千斤頂小行程起頂，滿足水平頂推力量需求即可。

圖7 步履機恢復初始狀態施工工序圖

2.7.7 步履頂推施工

往復循環以上施工工序，滑塊跟隨鋼桁梁水平前移至滑道梁梁端（見圖8），完成鋼桁梁的一個節間頂推施工。大行程起頂步履機豎向千斤頂，將滑塊拖至下一個節間點位置，開啟新一輪的頂推循環作業。

圖8 完成一個節間頂推施工圖

3 結論

綜上可知，從施工特點、設備性能、施工靈活性、橫向偏位調整能力、橋梁滑移裝置沉降的自適應性、橋梁主體結構應力情況與頂推墩應力情況等多方面對比步履式頂推法與拖拉式頂推法，筆者可以得出以下結論：1）步履式頂推法在設備性能上優于拖拉式頂推法；2）步履式頂推法在提升施工效率、實現動態監控方面，也明顯優于拖拉式頂推法；3）步履式頂推法在安全性能上要優于拖拉式頂推法；4）從工程投入上看，步履式頂推法對支架的剛度要求遠小于拖拉式頂推，步履式頂推臨時支架工程量投入小，因此步履式頂推法的性價比更高；5）從各個頂推階段的應力情況上看，雖然步履式頂推法對橋梁主體結構要求更高，但是通過節點位置增設滑塊實現步履機的限壓頂推，以此降低步履式頂推對鋼梁主體結構的受力要求，可順利實現步履式頂推在鋼桁梁中的頂推應用。因此，結合工程實際情況與分析結果，在該項目中，步履式頂推法各方面均優于拖拉式頂推法。