雙層鋼桁梁橋節點跟隨式步履頂推技術研究*

賀紅星，謝 衛，鄧運生，袁 達，陳嚴良，田 浩，龔 政，董 義

(中建三局集團公司，湖北 武漢 430064)

0 引言

頂推施工在國內已有40多年的發展歷史，經過不斷完善和拓展，工藝技術逐漸成熟，施工方式也逐漸多樣化。發展初期常見的頂推方式為拖拉式，利用牽引裝置帶動千斤頂向前循環往復頂推施工。近些年，受法國米約橋楔進式頂推施工工藝的啟發，我國自主研發集頂升、頂進、橫向糾偏于一體的頂推設備，實現主梁順橋向、豎向、橫橋向移動，該工藝被稱為步履式頂推，指在橋臺背后布置預制場地，分節段或整體預制梁體，之后安裝導梁，將導梁和預制梁體連接成整體，頂、推交替進行，將梁體向前頂進，直至橋梁頂推至預定位置[1]。

常見的拖拉式頂推和步履式頂推方法更適用于箱形或槽形橋梁。鋼桁梁由于自身特性，施工過程中的支撐點必須在節點位置。施工過程中校核及調整拖拉式頂推較困難，節點位置控制難度大、精確度低。步履式頂推在頂推過程中移動及預頂時，千斤頂位于非節點處，結構存在變形風險。如何保證鋼桁梁在頂推過程中受力點始終位于節點位置及有效調整偏差，是使鋼桁梁頂推能夠保質保量完成的前提。節點跟隨式步履頂推技術可優化常見頂推方式的不足，針對性地解決鋼桁梁頂推過程中存在的問題，保證鋼桁梁頂推施工質量、安全、經濟。

1 工程概況

贛州市蟠龍大橋是連接贛州市經開區與蓉江新區之間的重要通道，主橋長396m，為三塔單索面連續鋼桁梁矮塔斜拉橋結構形式，跨徑布置(54+63+108+108+63)m，采用鋼柱式索塔，拉索為單索面形式，主梁采用3道腹桿鋼桁架斷面，為雙層橋面設計，上層橋面為機動車道，下層橋面為行人和非機動車道。縱斷面為單向坡，坡度-0.5%，縱坡頂點位于P14墩頂。蟠龍大橋立面布置如圖1所示。

圖1 蟠龍大橋立面布置

主橋范圍橋梁總寬26.5m，上層橋面寬26.5m，下層橋面寬13.5m。主橋桁架結構如圖2所示。鋼桁梁沿橋縱向分為44個節段，標準節間距為9m。主橋桁架采用2片三角桁，上弦桿中心線橫向間距為17.545m，下弦桿中心線橫向間距為15m，斜腹桿為空間桿件，斜腹桿在斷面上外傾15°，桁架理論高度為4.75m。

圖2 主橋桁架結構示意

2 鋼桁梁總體施工工藝研究

綜合考慮橋位環境和施工經濟性，設計推薦采用頂推法施工主橋鋼桁梁，擬在拼裝區組拼鋼桁梁和索塔后由小樁號向大樁號方向逐節頂推到位。頂推跨度組合為(36+45+5×54+36)m，在P11～P15號墩設置176m×40m的存梁和拼裝區，鋼梁前端設置29m長導梁，全橋頂推重約8 400t[2](見圖3)。

圖3 蟠龍大橋頂推跨度布置

頂推法是將橋梁設計成若干節段，在工廠內制造完成，并利用車輛或船舶運抵現場裝配組拼，再使用多點頂推設備將組拼完成的梁體結構逐節向前推移或拖拉的橋梁裝配化施工方法。目前廣泛應用于水深、墩高和跨越既有線等情況的橋梁施工[3]。鋼桁梁頂推施工有別于常規鋼箱梁或槽梁連續頂推施工，由于鋼桁梁自身結構特點，頂推支撐面必須在節點位置。目前國內鋼桁梁頂推通常采用拖拉法和步履式頂推法。

2.1 拖拉式多點頂推法

拖拉式多點頂推法是利用千斤頂通過鋼絞線拖拉支撐，對鋼桁梁節點處的滑塊施加作用力，鋼桁梁在臨時墩滑道上滑移，實現結構在空間位置上的水平移動。

拖拉法工藝存在如下缺陷：①對支撐臨時墩產生的水平力大，啟動水平力可達到支撐反力的12%～15%[4]，導致臨時墩措施量較大；②鋼桁梁節點隨滑塊在滑道上前移，由于鋼桁梁剛度大，對位移量敏感，局部支點高度突變易損傷橋梁結構，對滑道平整度和臨時墩沉降量控制要求極高；③拖拉設備集成度不高，無法實時調整鋼桁梁頂推過程的位姿，同步性較差；頂推到位后的橋梁精確調位效率低，線形適應性較差，控制難度大[5]。

2.2 步履式頂推設備+滑塊頂推法

步履式頂推設備+滑塊頂推工藝原理是在臨時墩頂面設置滑道，步履式頂推設備固定于臨時墩兩端，鋼桁梁節點支撐于滑道滑塊上。步履式頂推設備起升頂在鋼桁梁下弦桿，加載至設定預頂力后，推進油缸向前推動，由于頂推設備與下弦桿間靜摩擦力大于節點位置滑道與滑塊摩擦力，故推動鋼桁梁前移[6]。該工藝與拖拉法相比較，墩頂水平力更小，同時頂推1個節間后，可通過頂推設備糾偏和調位鋼桁梁，技術上更具優勢。

步履式頂推設備+滑塊頂推工藝本質上是拖拉法的優化，鋼桁梁頂推過程靠支撐滑塊在滑道上滑動前移，推進動力由拖拉式千斤頂提供變為步履式頂推設備。與拖拉法類似，同樣存在對滑道和沉降控制要求高的缺點，并無法實時糾偏，且頂推設備預頂在下弦桿非節點位置，存在一定的結構變形風險。

2.3 節點跟隨式步履頂推法

結合以上工藝特點，提出基于步履式頂推設備的鋼桁梁節點跟隨式步履頂推工藝。此工藝在下承式步履式頂推設備外部設置移動轉換柱，移動轉換柱支撐鋼桁梁節點，頂推設備頂升移動轉換柱與鋼桁梁節點步履式前移。設備回油時在移動轉換柱內移動，跟隨前移。完成1個節間距頂推后，通過設置在前端的固定轉換柱轉換荷載，使移動轉換柱與鋼桁梁節點底部脫離，然后通過小型卷揚機將頂升設備與移動轉換柱一同回拉至下一節點，如此循環頂推，實現頂推設備隨鋼桁梁節點步履式行走。鋼桁梁節點跟隨式步履頂推如圖4所示。

圖4 鋼桁梁節點跟隨式步履頂推

由于步履式頂推設備基于自平衡原理，頂推過程中傳遞至臨時墩頂的水平力僅為支撐反力的2%～3%[7]，臨時墩措施量少。同時，設備隨節點行走，可通過設備實時調整鋼桁梁姿態，實時糾偏頂推過程，確保鋼桁梁始終處于理想受力狀態。由于設備自身具有三向調整功能，臨時墩支撐縱梁無須設置高精度滑道，并可通過調整豎向支撐頂適應一定的臨時墩沉降，對臨時墩要求較低，該工藝解決了鋼桁梁頂推面臨的問題。經綜合比選，采用節點跟隨式步履頂推法施工主橋鋼桁梁。

3 關鍵工藝

節點跟隨式頂推系統由步履式頂推設備、移動轉換柱、固定轉換柱、小型卷揚機和搬運坦克車等部分組成，如圖5所示。

圖5 節點跟隨式頂推系統組成

頂推系統在臨時墩縱梁上頂推鋼桁梁并跟隨鋼桁梁節點行走1個節間，節點跟隨式頂推流程如圖6所示，具體工作流程如下。

圖6 節點跟隨式頂推流程

1)頂推設備處于起始狀態，鋼桁梁節點由前端固定轉換柱支撐。頂推設備頂升移動轉換柱和鋼桁梁，脫離固定轉換柱。頂推設備推動轉換柱和鋼桁梁向前移動1個行程，頂推過程中，根據控制系統反饋參數糾偏調整鋼桁梁。

2)設備豎向油缸回縮至移動轉換柱底面接觸支撐面，荷載從豎向油缸轉移至移動轉換柱，頂推設備支撐在臨時墩縱梁的搬運坦克車上。推進油缸回油，頂推設備下支撐座與搬運坦克車在臨時墩縱梁上滾動前移1個行程。

3)按照以上步驟，頂推設備在臨時墩縱梁上將鋼桁梁頂推前移1個節間。

4)鋼桁梁頂推至前端節點時，將鋼桁梁荷載由移動轉換柱轉換至固定轉換柱上。頂推設備與移動轉換柱一起支撐在搬運坦克車上，連接尾部小型卷揚機鋼絲繩，通過卷揚機將頂推設備和移動轉換柱回拉至尾部下一節點下方，設備頂升，固定轉換柱卸載，如此循環，完成全橋頂推。

該工藝由于在單個節間頂推過程中，設備相對橋梁位置不變，受力狀態穩定，控制要點有所不同，關鍵控制點如下。

1)由于鋼桁梁剛度較大，頂推過程中以支點反力為控制指標。單個節間頂推過程中始終由移動轉換柱支撐，無法進行轉換，所以在移動轉換柱和固定轉換柱進行荷載轉換時，需精確調整同斷面兩側支點反力，確保兩側反力相對偏差≤5%，與理論計算反力偏差≤10%。頂推過程中，如出現縱梁局部不平整或反力異?，F象，可通過移動轉換柱底部墊鋼板調整。

2)頂推過程中，可利用頂推設備實時糾偏鋼梁位姿，與常規鋼箱梁頂推糾偏不同，由于無法利用臨時支墩荷載轉換后進行設備糾偏油缸回程，糾偏最大行程取決于縱梁寬度，故臨時墩縱梁需比移動轉換柱寬200～300mm，可滿足頂推過程中鋼桁梁±100mm的糾偏行程。待鋼桁梁頂推至固定轉換柱位置時，即可進行大范圍糾偏和調位。通過上述方法，可確保鋼桁梁軸偏始終處于較理想狀態。

3)頂推設備空載前進和整體回退時，均由搬運坦克車支撐，行進過程中需實時微調搬運坦克車軸線，以保證設備梁底偏移量在允許范圍內。

本工藝基于傳統步履式頂推設備，組合移動轉換柱工裝，實現鋼桁梁節點跟隨式步履頂推，既保留了步履式頂推工藝控制精度高、水平力小、可實時調位糾偏的優點，又確保鋼桁梁頂推過程中節點始終受力。

4 頂推過程仿真分析

4.1 頂推工況組合

本工程采用大節段頂推工藝，在拼裝區每拼裝90m長鋼桁梁頂推1次，全橋分5次頂推到位。鋼桁梁頂推過程中的荷載主要有結構自重、橋面施工機具荷載和風荷載。

頂推過程中鋼桁梁支點位置不斷變化，受力狀態變化。不同頂推階段所受荷載差異很大，需驗算分析鋼桁梁強度、臨時結構受力和桿件穩定性。施工階段最不利受力工況為：①工況1(尾部最大懸臂狀態) 鋼桁梁頂推至尾部大懸臂狀態，尾部懸臂45m；②工況2(前端最大懸臂狀態) 鋼桁梁頂推至前端最大懸臂狀態，前端懸臂54m；③工況3(落梁狀態) 主梁頂推到位，進行多點同步落梁。

4.2 計算結果

應用ANSYS有限元軟件模擬鋼桁梁頂推過程，主要鋼橋面板采用Shell181單元模擬，桁架、鋼塔及導梁結構采用Beam188單元模擬。模型各部分裝配采用共節點固結、節點耦合及接觸分析等方式模擬，荷載以節點力和線荷載方式進行加載[8]。各工況計算結果如表1和圖7，8所示。

表1 頂推過程各工況仿真分析結果

圖7 工況2桁架結構綜合應力云圖(單位：MPa)

圖8 工況2鋼桁梁豎向位移云圖(單位：mm)

在頂推過程中，可能存在支架不均勻沉降、鋼板超墊高差和頂推系統誤差等因素，鋼桁梁兩側存在相對高差，對頂推過程進行敏感性分析，考慮工況2的最大反力支點存在50mm高差影響，鋼桁梁最大應力達203.9MPa，應力峰值增大42.29%。支點反力增大至7 803kN，增加14.62%，本工程采用1 200t頂推設備，應力值和反力值均在安全范圍內。

當頂推完1個節間轉換荷載時，由于轉換柱自身需要占用一定空間，且移動和固定轉換柱間存在一定間隙，故支點不是完全處于鋼桁梁節點正下方，存在一定偏移，支撐位置按存在50mm高差、偏移節點正下方1 000mm考慮，鋼桁梁最大應力為217.9MPa，分析結果如圖9所示。

圖9 節點支撐偏移1 000mm時綜合應力云圖(單位：MPa)

由分析結果可知，鋼桁梁頂推過程中最大向下位移量εmax=148.9mm，主梁結構采用Q345qD鋼材，考慮兩側支點高差和支點縱向偏移節點等因素，鋼桁梁應力峰值fmax=217.9MPa

5 實施效果

節點跟隨式步履頂推技術成功應用于蟠龍大橋主橋鋼桁梁施工中，該技術確保了鋼桁梁節點支撐，并實現自平衡步履式頂推，水平力小，全過程精確可控可調，確保鋼桁梁頂推全過程處于理想受力狀態。施工難度及風險大幅度降低，施工精度大幅度提升。該技術使臨時措施量較拖拉法施工減少10%，頂推過程鋼桁梁軸線偏差≤50mm，支點反力相對偏差≤5%，頂推施工效率達18m/d，保證主橋高品質施工，創造良好效益。

6 結語

1)節點跟隨式步履頂推技術適用于鋼桁梁橋頂推施工，由于頂推水平力小，特別適用于高墩鋼桁梁橋架設。

2)考慮施工誤差與系統誤差對橋梁結構受力的影響，本工藝頂推支點高度偏差宜≤50mm，施工過程按30mm進行控制，支點偏離節點宜≤1 000mm，施工過程按600mm控制。

3)頂推過程中應設置明顯的橋軸線標記，以實時糾偏鋼桁梁和調整姿態，偏差范圍宜≤50mm。

4)本工藝轉換流程較多，工藝較復雜，應制定嚴格的操作人員培訓上崗制度。