跨高速公路曲線鋼箱梁頂推施工技術(shù)

姚 亮

(中鐵十七局集團(tuán)第三工程有限公司 河北石家莊 050081)

1 引言

橋梁施工方法的選擇與橋梁設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)選型有著密切的關(guān)系。在我國西南地區(qū)橋梁設(shè)計(jì)中，受地形水系限制、交通線路交叉等因素影響，橋梁頂推施工技術(shù)得到廣泛的推廣應(yīng)用。跨高速、河道、湖泊等運(yùn)輸條件較差地區(qū)采用頂推施工技術(shù)可以減少大型吊裝設(shè)備投入，降低工程施工風(fēng)險(xiǎn)[1]。鋼箱梁頂推施工分為單向頂推及雙向頂推[2]，隨著頂推施工中步履機(jī)滑道及數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，鋼箱梁頂推施工技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用。本文以某跨高速公路110 m曲線鋼箱梁施工為例，詳細(xì)闡述了頂推過程中的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，鋼箱梁頂推施工中根據(jù)工程項(xiàng)目本身的特點(diǎn)制定了具有針對性的總體施工方案，統(tǒng)籌考慮支架設(shè)計(jì)、頂推糾偏、過程監(jiān)控等要點(diǎn)。通過應(yīng)用曲線段鋼箱梁頂推施工技術(shù)，較好地解決了施工過程中頂推同步及曲線糾偏的難題，應(yīng)用多點(diǎn)頂推、單點(diǎn)主動、多點(diǎn)從動的頂推方法，順利完成了鋼箱梁頂推施工任務(wù)。

2 工程概況及重難點(diǎn)分析

2.1 工程概況

南玉珠高速公路工程建設(shè)，福綿樞紐互通設(shè)置于玉林市福綿區(qū)福綿鎮(zhèn)，福綿樞紐互通B匝道跨越E、I、J匝道及荔玉高速主線道橋，橋址區(qū)地質(zhì)存在局部軟弱層，線路設(shè)計(jì)時(shí)速120 km，B匝道21＃～23＃墩設(shè)計(jì)為2×55 m鋼箱梁。梁高2.636 m，頂寬13 m，底寬8.972 m，重量1 082 t。鋼箱梁位于圓曲線段，半徑700 m。

2.2 重難點(diǎn)分析

(1)頂推支架設(shè)計(jì)是本工程的重點(diǎn)，滿足其強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性要求。針對曲線頂推施工，必須對支架抗傾覆及整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析，確保支架安全穩(wěn)固。

(2)頂推過程中，步履機(jī)擱置處鋼箱梁腹板處鋼板存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，如何對鋼箱梁進(jìn)行局部加勁肋處理以保證其局部穩(wěn)定性，是一項(xiàng)重點(diǎn)。

(3)多次跨越既有高速公路頂推施工，位于曲線段鋼箱梁頂推過程中糾偏及同步控制步履機(jī)，頂推同步工作為本工程難點(diǎn)。

(4)為保證跨高速頂推施工安全、平穩(wěn)受控，做好頂推施工監(jiān)控。監(jiān)測點(diǎn)位置選擇、監(jiān)測頻率確定以保證頂推過程中曲線梁空間姿態(tài)是本工程的重點(diǎn)。

3 曲線鋼箱梁頂推施工技術(shù)

3.1 頂推施工總體方案

鋼箱梁頂推施工方案中頂推支架及拼裝支架布置應(yīng)考慮現(xiàn)場地形條件，支架基礎(chǔ)位置存在軟弱地質(zhì)應(yīng)采取級配碎石換填，厚度不小于1 m，保證地基承載力[3]。結(jié)合鋼箱梁拼裝及頂推重量，盡量減少鋼箱梁導(dǎo)梁在既有高速上空懸臂時(shí)間，應(yīng)設(shè)置合理頂推平臺長度，便于鋼箱梁一次頂推跨越既有高速，前端導(dǎo)梁直接上墩[4]。并在確保高速公路安全凈空不小于5.5 m，不影響既有高速公路交通情況下減小頂推跨度，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。頂推過程中應(yīng)嚴(yán)格保持梁體線形，加強(qiáng)監(jiān)控，實(shí)時(shí)調(diào)整頂推滑道及支墩各支點(diǎn)標(biāo)高，避免鋼箱梁承受過大應(yīng)力[5]。

根據(jù)施工圖紙和鋼箱梁節(jié)段劃分，B匝道鋼箱梁設(shè)置13組拼裝支架、6組頂推支架；頂推過程中保證不低于4組頂推支架同時(shí)工作，鋼導(dǎo)梁取頂推自由長度L的0.6～0.8倍為宜，本鋼箱梁導(dǎo)梁采用長度39 m，取0.7L。

采用單向多點(diǎn)頂推、單點(diǎn)主動、多點(diǎn)從動同步控制施工方法，頂推長度110 m。頂推施工步驟如下:

步驟一:先施工拼裝支架及頂推支架，鋼箱梁拼裝完畢后，安裝39 m前導(dǎo)梁，安裝 1＃～6＃步履機(jī)，見圖 1、圖2。

圖1 鋼箱梁及支架模型

圖2 步驟一:頂推支架布置

步驟二:整體向前頂推35 m，鋼導(dǎo)梁直接到22＃墩，控制鋼導(dǎo)梁不位于高速行車道上方懸空。

步驟三:整體向前頂推40 m，鋼導(dǎo)梁跨過高速公路左、右幅，鋼箱梁至22＃墩。

步驟四:整體向前推進(jìn)57 m，逐步拆除前方鋼導(dǎo)梁，拆除前端11 m導(dǎo)梁，將1＃位處步履機(jī)轉(zhuǎn)移至23＃墩，見圖3。

圖3 步驟四:鋼箱梁頂推布置

頂推步驟一需要根據(jù)前方懸挑長度增加配重，步驟二至頂推結(jié)束配重重量根據(jù)鋼箱梁拼裝過程適度增減。此次頂推兩臺步履機(jī)最大間距為37 m。鋼導(dǎo)梁長39 m，共15個(gè)節(jié)段，導(dǎo)梁兩側(cè)為鋼板焊接而成的工字型結(jié)構(gòu)，中部采用雙拼槽鋼焊接而成的桁架連接，導(dǎo)梁總體重量為120 t。

3.2 頂推及拼裝支架設(shè)計(jì)

頂推支架采用工字型鋼進(jìn)行設(shè)計(jì)，見圖4，步履機(jī)底部墊梁采用3肢 45b工字鋼，頂推支架橫梁采用2肢 45b工字鋼，立柱采用?530×9 mm螺旋鋼管，根據(jù)現(xiàn)場地形，螺旋鋼柱最高位16 m，立柱橫向間距3.2 m，縱向間距2.5 m。鋼箱梁拼裝支架頂部采用 40b工字鋼縱橫梁，鋼立柱采用?480×8 mm立柱，立柱縱橫向間距與頂推支架相同。

圖4 頂推支架設(shè)計(jì)

(1)支架的強(qiáng)度、剛度

根據(jù)計(jì)算模型，頂推單個(gè)步履機(jī)最大豎向力為324 t，拼裝支架最大拼裝豎向力為60 t。以此作為支架設(shè)計(jì)荷載分別計(jì)算支架強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性，根據(jù)計(jì)算單點(diǎn)荷載540 kN，計(jì)算結(jié)果最大組合應(yīng)力145 MPa，滿足強(qiáng)度及剛度要求。

(2)頂推支架整體穩(wěn)定性分析

頂推支架由于高度最高16 m，因此支架強(qiáng)度及剛度滿足頂推設(shè)計(jì)荷載要求以外，還要滿足其整體穩(wěn)定性，采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件對頂推支架進(jìn)行整體模型的屈曲分析[6]。整體穩(wěn)定性是評價(jià)結(jié)構(gòu)抗傾覆性能大小的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件通過支架受到的自重荷載與可變荷載對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載，以超過本身設(shè)計(jì)荷載的倍數(shù)進(jìn)行加載，以計(jì)算其失穩(wěn)的臨界荷載，用各種模態(tài)下荷載特征值系數(shù)進(jìn)行輸出。臨界荷載Fcr為:

Fcr＝α×(變量)＋常量

式中，α為結(jié)構(gòu)第1模態(tài)臨界荷載特征值；變量為頂推荷載豎向力及水平摩擦力；常量為結(jié)構(gòu)自重荷載。

荷載特征值系數(shù)為失穩(wěn)時(shí)荷載的倍數(shù)，根據(jù)臨時(shí)結(jié)構(gòu)工程經(jīng)驗(yàn)取4倍即滿足整體穩(wěn)定性要求[7]。結(jié)構(gòu)在失穩(wěn)時(shí)候荷載特征值與本身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性成正比，根據(jù)對頂推支架進(jìn)行屈曲分析，荷載特征值最小為23，滿足整體穩(wěn)定性要求。

(3)頂推力計(jì)算及鋼箱梁抗傾覆計(jì)算

根據(jù)計(jì)算頂推過程中步驟三到位前為整個(gè)頂推施工的最不利工況，計(jì)算最不利工況下頂推力及抗傾覆，保障頂推施工的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。見圖5。

圖5 步驟三最不利工況頂推位置

①頂推力計(jì)算

F啟動力＝F×μ1＝3 240×0.12＝388 kN

F滑動力＝F×μ2＝3 240×0.08＝259.2 kN

式中，F(xiàn)為鋼箱梁自重，啟動力摩擦系數(shù)取0.12，滑動力摩擦系數(shù)取0.08。采用450 t步履機(jī)滿足頂推力要求。

②抗傾覆計(jì)算

抗傾覆系數(shù)K＝(73 m鋼箱梁自重×抗傾覆力臂)/(39 m導(dǎo)梁自重×導(dǎo)梁傾覆力臂＋16 m鋼箱梁自重×傾覆力臂)＝7.2＞3，滿足抗傾覆要求。

3.3 鋼箱梁加勁肋設(shè)置

頂推過程中，步履機(jī)擱置處鋼箱梁腹板處鋼板存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此需要在步履機(jī)對應(yīng)的位置對鋼箱梁進(jìn)行局部加勁肋處理，保證頂推過程中局部穩(wěn)定性。鋼箱梁頂推過程中由于頂推點(diǎn)的應(yīng)力集中，因此需要對鋼箱梁頂推支架段落進(jìn)行加勁肋補(bǔ)強(qiáng)，以提高構(gòu)件的局部穩(wěn)定性，保證鋼箱梁頂推過程中構(gòu)件不變形，具備頂推所需要的構(gòu)件剛度。根據(jù)對鋼箱梁結(jié)構(gòu)分析，加勁肋采用16 mm厚鋼板進(jìn)行設(shè)置，結(jié)合焊接調(diào)節(jié)，采用放坡口焊接，梯形截面，高度400 mm，間距400 mm。焊接口為 T型焊接，焊縫在廠內(nèi)進(jìn)行，保證焊縫質(zhì)量。為保證焊縫飽滿及長度滿足，必須進(jìn)行引弧鋼板輔助焊接，且經(jīng)過焊縫無損檢測，合格率100%。如圖6、圖7所示。

圖6 加勁板橫斷面分布位置

圖7 加勁板設(shè)計(jì)

3.4 鋼箱梁頂推同步控制

鋼箱梁頂推過程中同步控制為工程施工重點(diǎn)，不同步頂推可能會導(dǎo)致梁體軸線偏離理論軸線，對整體橋梁結(jié)構(gòu)造成影響[8]。鋼箱梁頂推的同步性是頂推工作是否平順的關(guān)鍵，鋼箱梁頂推必須保持各部件同步，頂推系統(tǒng)聯(lián)動操作，曲線段鋼箱梁必須保持各構(gòu)件同步前進(jìn)、下降、后退，各工序控制必須提前對方案進(jìn)行預(yù)控；實(shí)行平推行程傳感器實(shí)時(shí)反饋各個(gè)油缸的實(shí)際行程，實(shí)現(xiàn)同步前進(jìn)到行程上限[9]。控制系統(tǒng)必須進(jìn)行預(yù)操作，檢查各構(gòu)件是否能同步接收指令，實(shí)現(xiàn)鋼箱梁整體頂推到預(yù)定位置。同步控制重點(diǎn)為壓力控制及橫向調(diào)節(jié)控制，壓力控制必須保證步履機(jī)同步工作，現(xiàn)場儲備一定量的備用設(shè)備保證及時(shí)更換損壞設(shè)備。橫向調(diào)節(jié)控制重點(diǎn)保證同一個(gè)頂推支架上的設(shè)備，以某一個(gè)千斤頂為主動點(diǎn)，其余為從動點(diǎn)，以此來雙控鋼箱梁頂推同步，現(xiàn)場應(yīng)用取得了良好的效果。

3.5 鋼箱梁頂推糾偏

頂推糾偏重點(diǎn)為全過程監(jiān)控，全站儀主要監(jiān)控梁體軸線及梁體撓度。測量人員必須嚴(yán)格控制保證每個(gè)墩頂梁體偏移處于允許范圍。不得出現(xiàn)梁體“爬行”、“下滑”狀態(tài)。為了防止鋼箱梁在頂推過程中發(fā)生橫向偏移，每次頂推行程前后都必須對鋼箱梁的實(shí)時(shí)位置與設(shè)計(jì)位置進(jìn)行校核，及時(shí)對鋼箱梁的高程、橫向偏位、水平位置進(jìn)行復(fù)測，若偏移距離即將超出許可位移，則需進(jìn)行糾偏。糾偏包括根據(jù)鋼箱梁預(yù)拱度計(jì)算鋼箱梁底部設(shè)計(jì)高程；計(jì)算頂推支架及拼裝支架搭設(shè)高度及做好基礎(chǔ)處理措施，防止不均勻沉降；根據(jù)曲線要素計(jì)算步履機(jī)頂推循環(huán)長度，通過計(jì)算坐標(biāo)實(shí)時(shí)標(biāo)注頂推線性與理論線性的偏差；采用全站儀觀測鋼箱梁上的控制標(biāo)志的偏移量(中線偏距)，反饋給步履機(jī)操控人員適時(shí)進(jìn)行糾偏，以滿足施工要求[10]。

3.6 鋼箱梁頂推施工監(jiān)控

鋼箱梁頂推施工監(jiān)控應(yīng)注意其累計(jì)誤差不超限。累積誤差為單個(gè)支撐架上各觀測點(diǎn)最大位移減去最小位移之差，其值若累計(jì)變化過大，應(yīng)及時(shí)停止，分析原因后方可繼續(xù)頂推作業(yè)。鋼箱梁頂推施工監(jiān)控包括拼裝胎架頂面平整度監(jiān)控、頂推臨時(shí)支墩變形監(jiān)控、頂推同步性監(jiān)控、主梁應(yīng)力與溫度監(jiān)控、主梁中軸線位置監(jiān)測，其中平整度主要通過拼裝胎架安裝精度進(jìn)行控制，必須對頂推支架整體沉降進(jìn)行監(jiān)控，一旦出現(xiàn)沉降，立刻停止拼裝。頂推支架作用是減小頂推長度，減小梁截面彎矩而設(shè)置。雖然安全系數(shù)進(jìn)行了儲備，但是頂推過程中影響因素較多，應(yīng)及時(shí)對頂推力臂的安全長度進(jìn)行監(jiān)控，保證頂推一直在設(shè)計(jì)方案控制之中。頂推同步性監(jiān)控開始前，必須做到頂推前后對步履機(jī)的各項(xiàng)操作性能進(jìn)行現(xiàn)場檢查，及時(shí)更換損壞的設(shè)備，設(shè)備儲備量應(yīng)足夠現(xiàn)場使用[11]。主梁應(yīng)力及應(yīng)變監(jiān)測必須實(shí)時(shí)采集各應(yīng)變片值，與設(shè)計(jì)應(yīng)變進(jìn)行比對，一旦超出設(shè)計(jì)值范圍，應(yīng)盡快查找原因，防止出現(xiàn)頂推過程中的失穩(wěn)現(xiàn)象[12]。

4 結(jié)語

通過采取上述鋼箱梁頂推技術(shù)，通過4次頂推順利完成110 m鋼箱梁跨高速公路頂推施工任務(wù)，并有以下體會:

(1)采用單向多點(diǎn)頂推、單點(diǎn)主動、多點(diǎn)從動同步控制施工方法，是成功的，實(shí)現(xiàn)110 m曲線鋼箱梁頂推。

(2)鋼箱梁頂推同步性及過程中監(jiān)測尤為重要，監(jiān)測點(diǎn)位置除梁體布設(shè)觀測點(diǎn)外，還應(yīng)在拼裝支架上布設(shè)橫向位移觀測點(diǎn)，其觀測點(diǎn)數(shù)量不小于梁體觀測點(diǎn)的1/3，保證頂推過程中支架的穩(wěn)定性。

(3)鋼箱梁頂推步履機(jī)必須滿足現(xiàn)場備用及設(shè)備損壞要求，其數(shù)量不宜少于頂推需求數(shù)量的1.2倍。