鋼結構橋梁超重柔性鋼梁大跨頂推施工技術應用研究

康繼平

（中交世通（重慶）重工有限公司，重慶 402100）

1 引言

目前，頂推施工技術已經發展成熟，成為橋梁工程施工領域的一項關鍵技術。我國最早在鋼結構橋梁施工中采用頂推施工法是1974年建設的狄家河鐵路大橋，后續又在多項鋼結構橋梁工程施工中實踐了該施工方法。在此過程中，頂推器械也由傳統卷揚機滑車組發展為現在的千斤頂以及步履式頂推，滑移面由最早的鋼接觸面發展為現在的四氟乙烯板[1]。在橋梁工程中采用頂推施工法最大的優勢在于可以有效克服地形條件的限制，尤其是峽谷、大江大河、湖泊以及海洋等，可以保障工程順利開展。

2 工程概況

某江大橋主梁結構設計為三跨雙邊梁體結構，主梁跨徑設計為111 m+252 m+110 m，雙邊壓重跨徑設計為48 m+57 m，主梁總重超過7000 t。主梁采用鋼筋混凝土結合梁，雙邊主梁采用預應力混凝土箱梁，橋體中心位置梁體高度為3.56 m，寬度為42.8 m，涵蓋風嘴。由于該江屬于Ⅱ-（3）級航道，要求項目施工期間必須保持通航，通過進行專業評估，要求航道寬度不低于84 m，因此，主梁架設施工不能使用支架施工法。同時，由于該江上其余橋梁凈空有限，大型船舶無法通航，因此，也不能采用大型浮吊進行施工。此外，本項目中主梁采用的鋼筋混凝土梁體抗扭轉性能較差，并且剛度有限，屬于柔性鋼梁，必須采用特定的施工方法。最終經過綜合分析論證，擬采用頂推施工法架設鋼梁。

3 頂推施工法工作原理

頂推施工法的基本原理是利用千斤頂等器械對梁體施加水平推力，借助臨時滑道或者臨時滑塊推動梁體平行移動。這種施工方法的優勢在于臨時滑道或者滑塊的設計可以減小摩擦力，梁體在平行推進過程中不會產生沖擊作用力，可以使梁體平穩就位[2]。在頂推施工過程中，安裝采用的頂推裝置數量可以分為單點頂推與多點頂推兩種形式，其中，單點頂推多用于長度小、跨徑小、直線型橋梁工程，此外，在橋梁工程施工中若水平方向上承載力過大或者后座對橋梁產生的反作用力較大時，也適用單點頂推施工法。其具體施工步驟如下：（1）搭建拼裝平臺或者可以直接將頂推裝置安裝在橋墩上；（2）在橋墩正前方位置安裝滑動裝置、支撐裝置；（3）進行頂推施工，梁體在頂推裝置作用下會沿滑動裝置水平推進。多點頂推施工法多用于長度大、跨徑大、結構復雜的橋梁工程中，頂推裝置主要采用的是千斤頂，梁體滑動時所產生的摩擦力可借助于墩臺的反作用力得到有效控制，從而使梁體保持平穩推進。多點頂推施工法的優勢在于對橋墩要求相對較低，頂推施工過程中施加在橋墩上的承載力小，并且可以有效控制梁體頂推過程中的偏移度。

4 鋼結構橋梁超重柔性鋼梁大跨頂推施工技術的應用

4.1 頂推施工流程

本項目頂推施工基本流程如下：（1）搭建頂推作業平臺，并在作業平臺上完成前端鋼導梁、上部背撐等臨時措施的拼裝工作；在岸上以及江中架設臨時性支墩。（2）將鋼導梁、背撐等臨時措施向前頂推，空出頂推作業平臺，開始拼裝梁體節段，完成后將梁體與鋼導梁連接，上部背撐與梁體和鋼導梁連接。（3）將鋼導梁、背撐以及梁體整體向前頂推，并在后方頂推作業平臺上繼續拼裝梁體節段。（4）重復上述3個步驟，直到鋼導梁到達對岸最后一個臨時墩，確認沒有問題后開始拆除背撐、鋼導梁等臨時措施。（5）拆除工作完成后，將梁體頂推到位，落梁后開始拼裝合龍段。

4.2 施工前期準備

4.2.1 頂推作業平臺選址

本項目中2個主塔位于防洪大堤旁，一側塔柱的防洪擋墻長度為140 m，另一側塔柱與防洪大堤的距離為50 m，從現場實際情況來看，前者堤內的區域條件相對較好，經過平整處理后，場地較為開闊、平坦，并且該區域內不存在居民區，具備設置頂推作業平臺的基本條件，施工相關設備、材料以及器具可采用陸路運輸。而后者區域條件較差，整體地勢較陡，地表最大高差可達16 m，并且有兩處坡度超過20°的陡坡，不適合搭建頂推作業平臺。經過綜合分析論證，確定選擇前者作為搭建頂推作業平臺的區域。

4.2.2 臨時墩布設

本項目處于2個彎道間的過渡段，項目所處位置江水流速較緩，航道單一，然而橋梁距離上游彎道不足400 m，橋軸法線與江水交角過大，同時在頂推施工過程中，江中的3個臨時墩需要占用部分航道水域。綜合上述因素，為確保項目順利推進且不影響正常通航，1#與2#臨時墩的間距不能低于90 m。

4.2.3 頂推設備

頂推施工法目前已經形成較為成熟的技術體系，在頂推設備方面目前主要采用的是步履式與拖拉式兩種頂推設備，步履式頂推設備的優勢在于其在頂推施工過程中可保證同步性，對臨時墩產生的水平作用力較小。頂推施工過程中對于梁體表面不會造成較大損傷，頂推過程穩定性好。其缺陷在于施工成本相對較高。拖拉式頂推設備的優勢在于整體施工成本較低，其缺陷在于在頂推施工過程中難以保證同步性，對臨時墩產生的水平作用力較大。頂推施工過程中對梁體表面會造成較大損傷，并且容易出現爬行情況。綜合分析兩種頂推設備的優缺點，同時結合本項目實際情況，決定采用步履式頂推設備。

4.3 頂推施工關鍵點

4.3.1 施工仿真模擬

由于本項目梁體屬于柔性鋼梁，同時，最大頂推跨度長達90 m，因此，施工難度較大，整體風險較高，通過對頂推施工過程進行仿真模擬可以有效控制施工風險，保障施工質量[3]。本項目采用Midas-civil軟件仿真模擬頂推施工過程，共建立材料類型兩種，截面類型13種，單元1533個，鋼導梁、背撐以及主梁均采用梁單元建立，通過設置彈性連接與截面偏心實現各構件的連接。通過仿真模擬發現，頂推施工過程中主梁最大應力為117 MPa，最大撓度為139 cm，整個施工過程各項參數均處于正常范圍。

4.3.2 頂推作業平臺與臨時墩設計

1）頂推作業平臺

頂推作業平臺主要用于拼裝梁體節段，并且發揮其頂推支點的作用，由于本項目采用步履式頂推設備，拼裝主梁節段時，步履式頂推設備處于落空狀態，不受荷載作用；頂推梁體時，主梁在頂推設備作用下離開拼裝胎架，因此，拼裝胎架不受荷載作用。由此可知，在頂推施工過程中，拼裝胎架和頂推支點所需剛度、強度不同，頂推支點需要承擔梁體頂推時產生的荷載，對于強度、剛度的要求超過拼裝胎架。基于此，本項目將頂推作業平臺設計為頂推支點和拼裝胎架分離的結構，如圖1所示，這樣不僅可以保障施工順利進行，還能有效控制施工成本。

圖1 頂推作業平臺(單位：mm)

2）臨時墩

在本項目中，由于橋梁跨度大、自重大，并且有3個臨時墩位于江中，因此，進行臨時墩設計時必須考慮到梁體自重、水流沖擊力、水平作用力以及橋面質量等多方面因素。經過綜合分析論證，同時，結合航運部門專業的航道評估報告，在本項目中臨時墩設計如圖2所示。

圖2 臨時墩（單位：mm）

4.3.3 鋼導梁、背撐

由于本項目設計為雙邊主梁結構，相較于鋼箱梁結構剛度較低，并且頂推施工最大跨度達90 m，因此，施工過程風險較高，僅采用鋼導梁無法完成頂推施工。結合類似工程施工經驗，本項目擬在梁體以及鋼導梁上焊接臨時性桁架背撐，以加強頂推整體剛度，控制最大懸臂狀態下鋼導梁撓度以及梁體內力峰值。經過現場測算，發現無背撐情況下梁體應力可達173 MPa，鋼導梁撓度為117 cm，懸臂為90 m；焊接背撐的情況下梁體應力僅114 MPa，鋼導梁撓度為58.5 cm，懸臂為90 m。由此可知，增加臨時桁架背撐后鋼導梁撓度以及梁體應力能夠得到明顯改善，有助于順利完成頂推施工。

4.3.4 頂推控制

本項目中采用的是單向頂推，即有一側江岸向另一側江岸頂推，整個頂推施工過程為直線段—弧線段—直線段，因此，施工過程極為復雜，并且還要考慮到后續施工的便利性問題，這就要求必須做好線性控制。針對此問題，本項目施工中主要采取如下措施：（1）起始直線段頂推過程中，拼裝平臺與梁體拼裝線性保持平行狀態；（2）中間弧線段梁體拼裝到一定程度時，末端線性與拼裝平臺交叉，二者不在保持平行狀態，形成逐漸變化的夾角；（3）最終直線段頂推過程中，調整臨時支點高程，使將要拼裝的梁體線性處于拼裝平臺上方。

4.4 施工過程控制

4.4.1 柔性鋼梁變形控制

本項目中，主梁屬于柔性鋼梁，相較于鋼箱梁或者鋼拱橋的扁平流線型設計，本橋梁體設計平面體系，整體剛度較小，在頂推施工過程中，若梁體自身下撓以及梁體局部應力過大都可能會導致梁體發生變形，因此，在頂推施工過程中必須重點監測梁體下撓以及局部應力變化情況，避免梁體出現較大變形，影響施工質量。

4.4.2 頂推過墩控制

本項目中由于該江屬于Ⅱ-（3）級航道，要求項目施工期間必須保持通航，導致在臨時墩設計上受到了較大的限制，1#墩和2#墩的間距達到了90 m，這在同類型橋梁項目中史無前例，在頂推施工過程中如何確保梁體順利跨越90 m后過墩是關鍵控制點。針對此問題，本項目采用的做法是將梁體進行繞點剛性轉動，從而使梁體前端翹起，在高度上超過臨時墩，以確保梁體順利實現過墩。

4.4.3 軸線精度控制

為保證工期本項目塔梁同步施工，進行頂推施工時塔身施工完畢，塔身凈空為33.4 m，而梁體最大寬度為33.3 m，二者僅相差10 cm，這就意味著梁體和塔身凈間距從理論上來說只有50 cm，因此，頂推施工過程中必須嚴格控制軸線精度，否則不僅會對塔身造成影響，還會影響頂推施工進展。

5 結語

綜上所述，在鋼結構橋梁超重柔性鋼梁施工中采用頂推施工法可以保障施工過程中順序進行。施工前要求模擬施工過程，以確保頂推施工方案可行、可靠；施工過程中要注意頂推作業平臺、鋼導梁、背撐以及臨時墩的設計；此外，施工過程中要注意控制柔性鋼梁變形、軸線精度以及頂推過墩等方面，以保障施頂推施工質量。