步履式頂推施工關鍵技術及在連續鋼箱梁橋項目中應用

羅盛榮

(岳鴻建設發展有限公司，福建 漳州高新區 363118)

1 建立施工模型

某橋梁項目的主體結構需要橫跨高速公路，最大的跨度達到了65 m，梁底距離地面的高度為7.5 m，且整個施工過程不能影響高速公路的正常運行。如果采用傳統的施工方式，工人需要在橋墩附近安裝臨時支撐裝置，并使用大型施工設備對梁體進行吊裝、運輸等操作。但由于該項目緊鄰高速公路，施工現場不具備布置臨時支撐裝置的條件，因此考慮采用步履式頂推法進行施工。

通過現場勘查，施工人員決定在橋梁左幅65 m+40 m+38.3 m的3跨處使用步履式頂推法施工，同時在左幅46.5 m+38.3 m處搭建貝雷塔用于橋體拼接，剩余鋼箱梁部件采用吊裝方式安裝。由于橋梁主體為五跨結構，按照“步履式頂推+吊裝”施工方式，五跨結構變為三跨結構，梁體結構受力發生明顯變化，為了確保施工活動能夠安全進行，需要對梁體受力情況進行評估。工作人員運用midas Civil軟件，針對頂推結構進行靜力分析。分別對三跨以及五跨模型施加自重荷載，并觀察兩個模型的應力變化情況。通過觀察可知，三跨以及五跨模型受到自重荷載力的影響，出現了相同的變形，呈現出“臨跨上拱、邊跨下撓”的特點，并在最大撓度均出現了65 m跨中區域。同時，對三跨結構以及五跨結構的應力均值進行分析可以發現，二者的應力均值保持在較低水平，前者的拉應力極值為40.5 MPa，最大壓應力為-44.5 MPa；后者拉應力極值為28.6 MPa，最大壓應力為34.5 MPa，均符合橋梁結構安全要求，由此可以判斷，該施工方案符合橋梁施工安全需求，其變形差異可控。

2 滾動摩擦系數實驗

2.1 滾動摩擦原理

實際施工過程中，頂推三向千斤頂需要承受梁體重量，滾動小車的滾輪在千斤頂的作用下運動，這一過程中會與不同的部件發生摩擦，為了確保滾輪能夠穩定工作需要對由于摩擦而產生的變形進行深入分析。兩個物體相互接觸時，物體之間會產生滾動或者滾動趨勢，這種情況下，物體接觸面會發生不對稱變形，并影響物體之間的滾動作用，這種摩擦即滾動摩擦(如圖1所示)。

圖1 圓柱滾動過程示意圖

圖1中，為水平推力，為法向壓力，表示地面對于圓柱的支撐力，為滾動摩擦因數。其中圓柱中心的牽引力對接觸點的力矩·即推動圓柱運動的力矩，而地面對于圓柱支撐點的力矩·則為阻止圓柱滾動的摩擦力矩，即

·=·

(1)

(2)

本次施工中使用的頂推設備，其滾動小車借助鏈片成為一個整體，受到頂推力的作用后滾動小車開始運行(如圖2所示)。

圖2 滾輪在平面滾動示意圖

將滾輪與滾道板之間壓力的合力、合力臂設為，，將滾輪與軌道板之間的壓力合力、合力臂設為，，滾輪在滾動時受到力矩(·)以及摩擦力矩(·)的阻礙，通過接觸點將法向荷載傳遞至滾輪，假設滾輪的直徑為，牽引力與接觸點的力矩·即推動滾輪前進的力矩，當增加，需要滿足

·=·=·

(3)

由于==，則公式(3)可以變為

=(+)·

(4)

因此，摩擦因數δ的計算公式為

(5)

2.2 摩擦因數計算

實際施工中，滾動摩擦因數的使用較為繁瑣，在計算時經常忽略摩擦力矩，基于庫倫摩擦定律，摩擦力與法向力的比值即摩擦系數，因此通過類比計算，可以將滾動小車受到的水平方向的推力視為滾動摩擦力，該數值與接觸面法向壓力比值即滾動摩擦系數()。

(6)

將滾輪的半徑設為，長度為，如果滾輪受到線荷載時，與中心線距離為的區域壓力計算公式為

(7)

滾輪與軌道接觸面半徑寬度()的計算公式為

(8)

滾輪在軌道上進行水平移動時，可以利用公式(7)計算其豎向應力分布，當接觸區域前端距離中心處受到壓力，則會產生阻力矩，如果此時不考慮接觸區域由于變形恢復而產生的力矩，則可以得到接觸區域總阻力矩計算公式

(9)

將公式(9)代入公式(7)中，可以得到

(10)

如果假設滾輪滾過的距離為△，則滾輪壓縮變形做功為

(11)

實際運行中，材料受到彈性滯后的影響會產生損耗，將彈性損失系數設定為ξ，同時將滾動摩擦阻力設定為，則得到公式

(12)

則滾動摩擦系數(μ)計算公式為

(13)

分析公式(13)可以發現，μ的數值與荷載大小、滾輪的滾動尺寸以及彈性模量密切相關，以此為基準計算滑動小車滾動系數。

3 步履式頂推施工過程及變形分析

3.1 施工流程

根據創建的計算機模型，結合摩擦系數相關數據，施工現場附近的預制加工廠負責生產鋼箱梁，并利用專業運輸設備將鋼箱梁結構運輸施工地點，采用吊裝的方式在拼接平臺上完整鋼箱梁的焊接與組裝工作，并逐段進行頂推。在適應步履式頂推技術時，要根據頂推點變化情況以及鋼箱梁拼接具體參數要求，對能夠反映頂推結構受力特點的主要施工環節進行重點把控，主要包括。

(1)架設1～2段導梁，并利用三向千斤頂對導梁進行頂升，利用頂推設備將鋼箱梁沿著橋梁縱向頂推16 m，待鋼箱梁移動至指定位置，對1～2段導梁進行落梁。(2)按照上述流程進行1～3段導梁的吊裝以及頂推工作。(3)針對1～4段導梁，在頂推時要將其頂推的距離控制在16.5 m，其余安裝參數與上述步驟保持一致。(4)架設第五段鋼箱梁時，取消之前布置的滾動點，并將其頂推的距離控制在11.6 m，確保導梁有最大懸臂，但是并未上墩。(5)重復上述頂推步驟，直至1～9號導梁頂推工作結束，拆除全部導梁。

3.2 豎向變形分析

進行頂推作業時，不同的結構部位在頂推影響下，其發生的變形會存在顯著差異，尤其是導梁最前端的變形會十分明顯，如果變形過大會導致導梁上墩困難，影響橋梁整體質量以及施工進度。特別是本項目在65 m跨附近需要橫穿高速公路上方，如果頂推結構變形過大，會影響下方車輛的正常運行，帶來嚴重的安全隱患。針對此類問題，施工人員需要對頂推結構變形問題給予高度關注，利用包絡分析技術對頂推變形進行分析。

利用計算機軟件模擬頂推結構變形情況，發現其最大上拱部位以及最大下撓部位均位于導梁前端，上拱達到90.50 mm，下撓達到470.38 mm。鋼箱梁的最大上拱以及最大下撓發生在尾部，因此需要對鋼箱梁尾部以及導梁前端進行重點處理。實際施工中，需要將頂推裝置整體抬升約1.5 m，確保導梁前端下撓最大處不會觸碰貝雷架以及橋墩。

3.3 墩頂支反力分析

本次橋梁施工中，工作人員將頂推設備安裝子啊橋梁主墩上，在5墩與6墩之間布置臨時支撐裝置，正式開始頂推工作之后，鋼箱梁于支墩的接觸點(支撐點)位置以及數量發生改變，共分為四種，每一種頂推支點的反力不同，支反力的大小與頂推裝置內部摩擦系數相關，對于計算頂推力有著直接影響(詳見表1)。

表1 多點頂推支反力與自重荷載關系

本項目使用多點連續式步履頂推模式，將頂推設備分布在每一個橋墩上，使用三向千斤頂提供頂推力，通過這種方式克服鋼箱梁自重荷載摩擦阻力。想要實現連續頂推作業，其水平應力需要滿足以下條件

(14)

式中:變量表示安裝在橋墩上的頂推設備所能夠產生的水平推力，為橋墩瞬時支反力，表示頂推設備內部摩擦系數，表示鋼箱梁底部線性系數，該公式中的“+”表示頂推方向為上坡，“-”表示頂推方向為下坡。

伴隨著頂推不斷進行，節段自重荷載不斷增加，橋墩支反力也隨之增加，若滾動摩擦力大于水平推力，則梁體無法移動。與單點頂推相比，多點頂推能夠對橋墩支反力進行分散，減少摩擦阻力，但是對于頂推設備的同步水平有著很高的要求，本工程中使用的頂推要經歷上坡與下坡，因此在計算頂推力時要對鋼箱梁底部線性變化進行校正。

本項目中頂推施工是沿著橋梁縱向方向，由5橋墩向9橋墩進行頂推，不考慮其他因素，將橋墩支反力平均分散到安裝在橋墩上的兩臺頂推裝置上，只需要確保單臺頂推裝置產生的最大頂推力高于摩擦阻力。本項目中使用的步履式頂推技術，能夠在提供很小的頂推力的情況下，推動鋼箱梁前進。需要注意的是，由于鋼箱梁存在精度誤差，且頂推施工可能出現橫向偏移，為了確保鋼箱梁不會與橋墩、支撐架發生碰撞，需要使用50 t三向千斤頂進行頂推作業，確保頂推施工能夠順利進行。

4 結 語

采用步履式頂推技術開展橋梁施工作業，能夠顯著提升橋梁施工自動化水平。由于頂推設備被安裝在橋墩上，因此可以不依賴臨時支撐結構實現對于鋼箱梁的吊裝以及運輸。實際施工中，相關工作人員使用midas Civil軟件對橋梁項目進行建模，觀察導梁結構應力變化情況以及可能產生的形變，結合項目實際情況，分析四種不同頂推情況下支墩的支反力，通過這種方式對于頂推力進行精確控制，確保橋梁施工能夠順利進行。