145m 長(zhǎng)小半徑曲線鋼箱梁頂推施工關(guān)鍵技術(shù)

邢東東 XING Dong-dong

（中鐵十五局集團(tuán)第二工程有限公司，上海 201714）

1 工程概況

安慈高速ZK0+927.5 主線橋的31#-32#墩是跨越長(zhǎng)張高速通向慈利縣的匝道，32#-33#跨越長(zhǎng)張高速，且兩條道路車流量均較大。該主橋設(shè)計(jì)采用（40+65+40）m 單箱雙室等截面鋼箱梁，鋼箱梁沿路線設(shè)計(jì)線全長(zhǎng)145m，且位于主要半徑為280m 左右的圓曲線和少量緩和曲線上，整體呈圓弧形。箱梁在高程上處于-2%的縱坡上，高程下降高度最大達(dá)到1.816m。鋼箱梁采用厚度16-20mm 鋼板，支點(diǎn)位置加厚并設(shè)支撐加強(qiáng)肋，梁高2.5m，底板寬7.83m，橋面板寬12.75m，腹板按鉛錘直腹形式，鋼箱梁總重量約為965.30 噸，總體較重。

2 施工總體方案概述

本橋鋼箱梁具有噸位大、長(zhǎng)度長(zhǎng)且位于小半徑空間曲線梁的特點(diǎn)，施工受外部交通影響大，無(wú)法進(jìn)行吊裝施工，結(jié)合施工設(shè)計(jì)和運(yùn)輸條件，采用步履式頂推架梁的施工方式。本橋鋼箱梁分成13 個(gè)節(jié)段，每個(gè)節(jié)段由單元構(gòu)件組成，由專業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)廠家進(jìn)行定制生產(chǎn)，生產(chǎn)板單元構(gòu)件后，運(yùn)輸至位于施工現(xiàn)場(chǎng)的拼裝場(chǎng)地上，拼裝成鋼箱梁的節(jié)段。依托已布置的頂推支架，安裝頂推裝置系統(tǒng)，然后用汽車吊吊鋼箱梁節(jié)段裝至組拼支架上拼裝，再安裝導(dǎo)梁、依次頂推，直至完成頂推的所有過(guò)程，最后完成涂裝等作業(yè)后，將鋼箱梁體落架在永久支座上，拆除頂推裝置和臨時(shí)支架。

圖1 頂推施工工藝流程圖

3 導(dǎo)梁、臨時(shí)支墩及拼接平臺(tái)

3.1 導(dǎo)梁的設(shè)計(jì)

鋼箱梁前端設(shè)置導(dǎo)梁，導(dǎo)梁的長(zhǎng)度取梁跨的0.6-0.8倍，剛度宜選主梁剛度的1/9~1/15。本導(dǎo)梁全長(zhǎng)28m，寬7.75m，由兩片工字型梁構(gòu)成，中間由?219×6 鋼管焊接而成的5 片橫連件連接主梁，工字梁的最大截面為2.4m，最小截面1.2m。由厚20mm、厚16mm 和厚14mm 鋼板呈工字型焊接而成。導(dǎo)梁前端底部1m 范圍內(nèi)做成圓弧形過(guò)渡，抵消大懸臂狀態(tài)的撓度，使梁順利上墩。鋼導(dǎo)梁縱梁與鋼箱梁兩側(cè)箱室中心同高，采用熔透對(duì)接焊連接，導(dǎo)梁與鋼梁對(duì)接縫處采用大型馬板連接，以增加連接強(qiáng)度，如圖2 所示。

圖2 頂推導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3.2 鋼箱梁的臨時(shí)支墩的設(shè)計(jì)

鋼箱梁的臨時(shí)支墩在頂推施工過(guò)程中起到臨時(shí)過(guò)渡承載和臨時(shí)拼裝平臺(tái)的作用。本聯(lián)鋼箱梁頂推施工中在在31#-34#墩中間設(shè)置5 個(gè)頂推臨時(shí)支架，作為頂推臨時(shí)支架，每支架上設(shè)2 個(gè)頂推裝置，支架上設(shè)置通長(zhǎng)滑道梁。另在在34#墩側(cè)設(shè)置一個(gè)臨時(shí)鋼管支架作為鋼梁節(jié)段的臨時(shí)組拼支架，為吊裝的鋼梁節(jié)段在橋上組拼提供穩(wěn)定的作業(yè)環(huán)境。

圖3 鋼箱梁的臨時(shí)支墩立面布置圖

臨時(shí)支架（墩）依托樁基承臺(tái)或者C30 擴(kuò)大基礎(chǔ)。每個(gè)臨時(shí)支墩采用順橋3 排，橫橋向3 排?630×14 螺旋鋼管，剪刀撐用?219×8 鋼管焊接而成，柱頂焊接雙拼HN650×300 型鋼作為橫梁，長(zhǎng)度12m。另依托頂推臨時(shí)支墩焊制外延工作平臺(tái)，作為高壓油泵控制平臺(tái)，便于放置高壓油泵和操作。

同時(shí)，在鋼箱梁的預(yù)拼裝區(qū)設(shè)立1 個(gè)組拼臨時(shí)支架，結(jié)構(gòu)同頂推支架，利用33#-34#墩進(jìn)行鋼箱梁拼裝焊接，在分節(jié)處設(shè)有臨時(shí)焊接平臺(tái)。

4 鋼箱梁頂推裝置的配置

4.1 鋼箱梁頂推裝置的選型

由于本橋位于半徑R=280m 的圓曲線和A=200 緩和曲線上，且位于2%的縱坡上，拖拉式的頂推施工無(wú)法滿足施工的要求，結(jié)合當(dāng)前的施工條件，選擇步履式多點(diǎn)連續(xù)頂推施工工藝，該方法滿足曲線梁移動(dòng)軌跡的需要，又可以利用其自身為自平衡頂推系統(tǒng)，減少對(duì)墩臺(tái)的水平力的作用。本項(xiàng)目選定10 個(gè)ZBD-100 型步履式頂推裝置，每2個(gè)組成1 組。每個(gè)頂推裝置由100t 水平千斤頂組、100t 豎直千斤頂組及糾偏裝置等組成的自平衡設(shè)備系統(tǒng)。該頂推設(shè)備具備橫向調(diào)整技術(shù)，可以處理曲線梁頂推過(guò)程中滑動(dòng)軌跡的糾偏，確保曲線梁的平面位置準(zhǔn)確。

4.2 鋼箱梁頂推裝置的驗(yàn)算

本聯(lián)的鋼箱梁大部分位于半徑R=280m 的圓曲線上。按照將鋼箱梁看作為一小段圓弧，在頂推裝置的作用力下，鋼箱梁弧段繞圓心做圓周運(yùn)動(dòng)并沿圓弧曲線前進(jìn)的過(guò)程，將多個(gè)頂推裝置的縱向頂推方向與線路的切法方向一致進(jìn)行布置。因此可以認(rèn)為總的頂推力等于所有頂推裝置的推力的和，同時(shí)大于頂推過(guò)程中它受到的摩擦力（考慮靜摩擦力），也即：

鋼梁自重G=9650kN，鋼梁最大懸臂33m，滑道摩擦系數(shù)μ 取值0.1，安全系數(shù)K 取2，縱坡i 為2%。則頂推裝置受到的最大摩擦力為2×9650×（0.1+0.02）=2316kN。現(xiàn)場(chǎng)中布置的10 臺(tái)型號(hào)相同頂推裝置，該型號(hào)的頂推裝置頂升、頂推的力均為1000kN。頂升力、頂推力均滿足結(jié)構(gòu)的受力要求，并且頂推力儲(chǔ)備為摩擦力的4.3 倍，完全滿足施工的需要。

4.3 步履式頂推裝置單元的安裝

本項(xiàng)目選定10 個(gè)ZBD-100 型步履式頂推裝置組成5組，每組2 個(gè)頂推單元。每個(gè)頂推單元由頂推裝置、滑道梁和支撐墩等組成，固定落放在頂推支架上。

滑道梁落在雙拼工字鋼形成的橫梁上，滑道梁采用雙拼HN650×300 型鋼，全段采用10mm 鋼板做成橫肋加強(qiáng)，加密加強(qiáng)受力部位。如圖4 所示，在滑道梁上布置頂推裝置，兩側(cè)布置支撐墩，與滑道梁固定。全橋5 個(gè)頂推支架，共計(jì)布置頂推裝置10 個(gè)，每個(gè)頂推支架布置工作平臺(tái)1個(gè)，放置油泵設(shè)備，每墩共計(jì)2 臺(tái)油泵，其中一臺(tái)油泵控制豎向千斤頂，一臺(tái)油泵控制水平頂推千斤頂。支撐墩采用?630×14 螺旋鋼管支撐，底部和頂部均采用鋼板加強(qiáng)，并且與滑道梁進(jìn)行臨時(shí)固結(jié)，配置鋼板用于調(diào)節(jié)高差使用，上安放50mm 厚橡膠墊用于防爬行。

圖4 頂推裝置縱向布置示意圖

每個(gè)頂推單元由1 個(gè)頂推油缸和2 個(gè)頂升油缸組成。該頂推單位向上頂推力為100 噸，水平頂推力為100 噸。步履式頂推設(shè)備利用“頂”“推”“降”“縮”的四個(gè)步驟交替進(jìn)行，啟動(dòng)液壓泵站，先用豎直千斤頂將鋼箱梁整體頂起，然后用水平千斤頂向前推送一個(gè)行程；接著豎直千斤頂回落下降，鋼箱梁完全放置在支撐墩上，水平千斤頂油缸回縮到底；通過(guò)往復(fù)頂推步驟，最終將鋼箱梁頂推到預(yù)定的位置。

5 頂推施工設(shè)計(jì)的受力分析

為保證頂推施工順利完成，采用有限元軟件對(duì)頂推過(guò)程進(jìn)行了施工模擬，進(jìn)行了三維空間結(jié)構(gòu)分析。首先對(duì)頂推支架（墩）、拼裝支架進(jìn)行驗(yàn)算，支架體系的剛度、強(qiáng)度均滿足施工的要求。由于此橋?yàn)閺潣颍遗R時(shí)支架與主梁軸線方向有一定夾角，為準(zhǔn)確模擬其空間受力情況，因此使用空間梁格模型法對(duì)頂推過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算。模型共分為527 個(gè)單元，810 個(gè)節(jié)點(diǎn)，為準(zhǔn)確模擬頂推施工過(guò)程中鋼箱梁、鋼導(dǎo)梁等相關(guān)受力及變形情況，細(xì)分為71 個(gè)施工階段。

圖5 鋼箱梁頂推施工過(guò)程仿真模擬模型

經(jīng)過(guò)仿真模擬計(jì)算分析，計(jì)算得出鋼箱梁在頂推過(guò)程中受到的最大應(yīng)力、撓度和導(dǎo)梁的設(shè)計(jì)符合規(guī)范要求，頂推過(guò)程的材料性能、整體抗傾覆能力滿足要求。

6 鋼箱梁的頂推施工及控制

6.1 鋼箱梁的頂推同步協(xié)調(diào)控制技術(shù)

由于本聯(lián)鋼箱梁位于曲線上，設(shè)計(jì)頂推力方向沿曲線切線方向布置而無(wú)法取得一致的方向。同時(shí)每個(gè)頂推裝置受到的摩擦力也有偏差。因此鋼箱梁在頂推過(guò)程中盡可能地減少頂推設(shè)備之間的損耗，確保頂推同步推力的協(xié)調(diào)控制是施工的關(guān)鍵。

本聯(lián)鋼箱梁采用的步履式頂推裝置包括多個(gè)頂推裝置、多個(gè)液壓泵站及1 套控制系統(tǒng)組成，其中。步履式頂推控制系統(tǒng)是一種具備實(shí)時(shí)感知、數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程控制操作，通過(guò)可編程邏輯控制器控制技術(shù)的多功能控制裝置。當(dāng)頂升千斤活塞伸出將主梁頂起后，頂推千斤活塞伸出將梁頂推前移，此過(guò)程需進(jìn)行位移同步控制、壓力均衡控制、橫向調(diào)節(jié)控制。主控制臺(tái)除了控制所有支撐架上頂推千斤頂?shù)慕y(tǒng)一動(dòng)作之外，還必須保證所有頂推千斤頂每行程的同步。

在實(shí)際操作中，同一頂推支架上的水平頂推千斤頂中以其中一臺(tái)頂為主動(dòng)點(diǎn)（這也是要儲(chǔ)備較高的頂推力的原因之一），以一定速度伸缸，其余水平頂為隨動(dòng)點(diǎn)并與其比較，每臺(tái)頂與其的位移量差控制在設(shè)定值以內(nèi)，若某臺(tái)頂伸缸較快，則減小相應(yīng)的比例閥的流量，反之，則增大相應(yīng)比例閥的流量。在不同支撐架上水平頂推千斤頂?shù)耐娇刂埔阅骋恢渭苌系钠渲幸慌_(tái)頂為主動(dòng)點(diǎn)，其余支撐架的同一軸線上的頂與之比較，若某臺(tái)頂伸缸較快，則減小相應(yīng)的比例閥的流量，反之，則增大相應(yīng)比例閥的流量，從而實(shí)現(xiàn)所有水平頂推頂?shù)耐健４诉^(guò)程同步精度各支撐架之間可控制在5mm 之內(nèi)，同支撐架兩側(cè)可控制在1mm 之內(nèi)。頂推千斤頂縮缸則無(wú)需同步控制。

6.2 鋼箱梁的頂推線形控制技術(shù)

在鋼箱梁頂推過(guò)程中，限于梁自身為曲線梁和多點(diǎn)頂推等因素的影響，在頂推施工過(guò)程中嚴(yán)格控制鋼箱梁的軸線位置，確保其始終處于設(shè)計(jì)中線范圍內(nèi)，確保頂推為梁體沿圓弧曲線前進(jìn)。

首先，鋼箱梁的拼裝施工應(yīng)確保準(zhǔn)確無(wú)誤，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的要求完成鋼箱梁的拼接，確保施工過(guò)程中在鋼箱梁上控制的基點(diǎn)無(wú)誤。同時(shí)頂推的速度要均勻，不可過(guò)快，及時(shí)對(duì)梁體內(nèi)部的受力情況進(jìn)行檢測(cè)、分析梁體在頂推過(guò)程中頂、落的過(guò)程中彎矩的變化帶來(lái)的形變影響。

其次，對(duì)于頂推過(guò)程中超出規(guī)范要求的偏差的情況，必須采取橫向糾偏措施。糾偏一定要在頂推過(guò)程中進(jìn)行，不得在靜止中進(jìn)行。本頂推裝置具有橫向位移糾偏功能，若需要側(cè)向調(diào)整，則啟動(dòng)側(cè)移液壓缸，側(cè)推頂推塊，將鋼箱梁的水平位置調(diào)整到允許范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)糾偏功能。

第三，若施工過(guò)程中出現(xiàn)位移過(guò)大、千斤頂受力突變或者差值較大，出現(xiàn)箱梁爬行和脫空等現(xiàn)象，應(yīng)立即控制現(xiàn)場(chǎng)的情況，暫停頂推施工，查找現(xiàn)場(chǎng)的原因，分析對(duì)策。

7 結(jié)束語(yǔ)

安慈高速ZK0+927.5 匝道橋跨線橋頂推施工歷時(shí)1個(gè)月順利完成。頂推過(guò)程中臨時(shí)支架位移未超限，前導(dǎo)梁未見(jiàn)異常，頂推就位精度滿足設(shè)計(jì)要求，未使用備用糾偏措施。頂推就位后各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)及梁體應(yīng)力均符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

①本項(xiàng)目臨時(shí)支架的地基礎(chǔ)處理剛性較好，有力的確保了施工支架變形較小，為頂推施工提供了穩(wěn)定的環(huán)境。

②頂推梁的運(yùn)行軌跡與設(shè)計(jì)平曲線一致，通過(guò)對(duì)頂推裝置協(xié)調(diào)控制技術(shù)，加強(qiáng)對(duì)頂推過(guò)程的監(jiān)控和測(cè)量，通過(guò)一系列糾偏技術(shù)的運(yùn)用，確保了梁體就位精度，線性控制較好。

③對(duì)頂推過(guò)程中的梁體的位移超限、頂推同步性差、梁體脫空、爬移等進(jìn)行針對(duì)性的預(yù)控，確保施工過(guò)程中順利實(shí)施。