步履式頂推裝備在鋼箱梁施工中的應(yīng)用

羊建峰 朱喬元

摘要：針對(duì)鋼箱梁橋大跨度、懸臂長(zhǎng)、重心高、重量大等特點(diǎn)，研發(fā)出步履式平移頂推裝置，可滿足梁拱等組合體系和寬幅多箱室鋼箱梁、鋼桁架橋的整體頂推要求。以杭州九堡大橋和蘭州深安黃河大橋?yàn)橄禇U拱梁、常州星港大橋鋼箱梁等鐵路鋼桁架橋梁拖拉法頂推成功實(shí)施，其中鋼箱梁結(jié)構(gòu)頂推，比系桿拱肋組合結(jié)構(gòu)橋梁步履式頂推施工更難，對(duì)促進(jìn)頂推設(shè)備研發(fā)及推進(jìn)頂推技術(shù)在不同橋型結(jié)構(gòu)中的運(yùn)用發(fā)展更有重要的意義。

Abstract： Aiming at the characteristics of steel box girder bridges， such as large span， cantilever length， high center of gravity and heavy weight， a walking type translation pushing device has been developed to meet the overall pushing requirements of beam-arch combination systems and wide multi-chamber steel box girder and steel truss bridges. The dragging method of railway steel truss bridges such as Hangzhou Jiubao Bridge and Lanzhou Shen'an Yellow River Bridge as tied arch girder， Changzhou Xinggang Bridge steel box girder and other railway steel truss bridges have been successfully implemented. Among them， the steel box girder structure is pushed better than the tied arch rib composite structure. It is more difficult to construct bridges with walking jacking， which is of great significance for promoting the research and development of jacking equipment and the application and development of jacking technology in different bridge structures.

關(guān)鍵詞：步履式頂推裝備;鋼箱梁橋;施工方案

Key words： walking jacking equipment;steel box girder bridge;construction plan

中圖分類(lèi)號(hào)：U445.462? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）27-0242-03

0? 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，橋梁建設(shè)也順時(shí)代朝流，新型橋梁結(jié)構(gòu)在不斷推出，各種結(jié)構(gòu)類(lèi)型的橋梁施工也正朝著大型化和大跨度方向發(fā)展。施工工藝也隨著科技化、機(jī)械化得到不斷的創(chuàng)新，施工裝備正朝著系列化、精細(xì)化、微電子技術(shù)信息化前進(jìn)。以橋梁施工中的頂推裝備為例，自國(guó)外上世紀(jì)50年代末相繼采用頂推施工建造了多座砼結(jié)構(gòu)的橋梁架設(shè)以來(lái)，我國(guó)也在70年代首次在鐵路橋梁建設(shè)中運(yùn)用頂推法施工。此后一直在公路、鐵路等各類(lèi)其它建筑中迅速推廣應(yīng)用。頂推技術(shù)主要具有占地空間少、不影響交通行通、質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。在架橋工藝中具有很強(qiáng)的竟?fàn)幜?，目前采用的頂推施工方法有連續(xù)千斤頂拖拉法、單油缸長(zhǎng)行程千斤頂頂推法、多臺(tái)千斤頂組合頂升滑移法等顯多樣化;從單點(diǎn)集中頂推到多點(diǎn)分散布置頂推、從間歇式頂推向連續(xù)頂推。

1? 工程概況

常州市星港大橋工程位于常州市鐘樓區(qū)，跨越新京杭大運(yùn)河，通航等級(jí)為III級(jí)，通航凈空為70×7m，主橋鋼箱梁全長(zhǎng)220m，邊跨鋼箱梁橋面寬39.3m，中跨鋼箱梁橋面采用變寬度，寬度為39.3～45.8m，橋面設(shè)2%縱坡和1.5%橫坡。橋面系采用正交異性板結(jié)構(gòu)，變寬度等高截面連續(xù)鋼箱梁，全幅單箱七室等高鋼箱梁，梁高2.8～3.0m，橋面中間設(shè)置主拱肋、2個(gè)邊拱肋及相應(yīng)連桿和吊桿。

2? 總體施工方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況條件，主跨跨越100m寬的京杭運(yùn)河，河道航運(yùn)交通十分煩忙;橋位左右兩側(cè)上空均有110～220kV的高壓線，凈空高度在15～20m左右（最低處距地面20m，距橋面15m），兩高壓線間水平距離為45m，鐵塔邊線距離為48.5m（橋面處）;5#墩～6#墩和7#～8#～9#墩地面下埋有大量的生活垃圾，深度在3～5m，不能作為承載力較大的持力層和運(yùn)輸?shù)缆肥褂?，需要大面積換填補(bǔ)強(qiáng)處理。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況條件，經(jīng)過(guò)多次對(duì)該工程施工過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)的分析，和多種安裝施工方案的比選，結(jié)合現(xiàn)有的施工機(jī)械設(shè)備，并對(duì)目前頂推設(shè)備等其它安裝機(jī)械裝備的綜合分析研究，決定現(xiàn)場(chǎng)安裝總體方案是：先橋面后拱肋結(jié)構(gòu)。考慮主橋220m長(zhǎng)，豎曲線大、縱坡、預(yù)拱度等橋面結(jié)構(gòu)因素帶來(lái)的，影響施工安裝的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)橋面箱梁頂推進(jìn)一步的分析，決定縱向頂推中跨橋面長(zhǎng)度為130.8m。采用多支點(diǎn)步履式頂推頂升的施工工藝;其余東西兩側(cè)邊跨鋼箱梁采用胎架平臺(tái)運(yùn)輸、安裝、焊接的施工工藝;拱肋結(jié)構(gòu)采取橋面搭設(shè)拱肋拼裝支架，汽車(chē)吊抬吊安裝、焊接的施工工藝。

3? 步履式頂推施工準(zhǔn)備和措施

本橋梁為箱梁、拱肋組合結(jié)構(gòu)，如采用拱梁組合體，一次性頂推安裝工藝，從橋梁鋼箱梁結(jié)構(gòu)形式到頂推安裝，都存在較大的結(jié)構(gòu)性不足。從水上塊體件拼裝，轉(zhuǎn)為陸地拼裝，降低了水上大面積作業(yè)對(duì)航道的影響和水上作業(yè)的安全隱患;也解決了高壓線有限空間內(nèi)的安裝安全問(wèn)題。但該橋梁頂推過(guò)程復(fù)雜，結(jié)構(gòu)受力敏感，傳統(tǒng)的頂推工藝和裝備難以滿足施工需求;為此采用部分橋面系頂推，對(duì)選用的頂推設(shè)備進(jìn)行較大改進(jìn)和創(chuàng)新。特別頂推裝備液壓受力移動(dòng)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的互為交換，需要改進(jìn)運(yùn)用，來(lái)滿足該橋箱梁頂推過(guò)程中復(fù)雜的受力指標(biāo)和有關(guān)的體系受力轉(zhuǎn)換。從橋梁結(jié)構(gòu)自身長(zhǎng)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性以及航道的最小通航寬度出發(fā)，到高壓線有限空間內(nèi)的安裝等安全問(wèn)題，都必須有充分的施工準(zhǔn)備。

3.1 頂推模擬分析驗(yàn)算? 首先對(duì)該橋梁部分橋面結(jié)構(gòu)單跨分三次拼裝連續(xù)頂推施工，進(jìn)行實(shí)體頂推全過(guò)程模擬分析計(jì)算，為導(dǎo)梁、支墩、鋼箱梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)等各階段的受力提供了理論依據(jù)，也為頂推自動(dòng)化控制做好了技術(shù)保障。該橋采用橋梁結(jié)構(gòu)有限元軟件 Midas Civil 2017進(jìn)行分析。對(duì)拱腳段鋼結(jié)構(gòu)在步履式頂推施工中局部應(yīng)力和局部變形，采用土木工程非線性及細(xì)部分析軟件 Midas FEA V3.8.0 對(duì)頂推施工中最不利關(guān)鍵施工階段進(jìn)行空間有限元實(shí)體模型分析。由于本橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間效應(yīng)明顯，鋼導(dǎo)梁和鋼管桁架梁采用梁?jiǎn)卧M，單箱七室鋼箱梁則采用空間梁格系模擬。以每次頂推行程為800mm，進(jìn)行梁體施工全過(guò)程中的結(jié)構(gòu)分析，該分析分成了步履頂推狀態(tài)和超墊支承狀態(tài)兩種結(jié)構(gòu)模型。并對(duì)鋼箱梁出現(xiàn)的偶然荷載所引起的頂推敏感性變化也進(jìn)行了分析計(jì)算，確保頂推鋼箱梁腹板和底板等內(nèi)部結(jié)構(gòu)安全。經(jīng)過(guò)分析，支承處局部鋼箱梁的底板Von Mises最大應(yīng)力為290.09MPa，頂推中腹板VonMises 最大應(yīng)力為 367.17MPa。對(duì)頂推過(guò)程中存在的頂推腹板、底板受力過(guò)大、拱腳段部分拱肋和橋面連結(jié)鋼板等應(yīng)力偏大，以及成橋后的結(jié)構(gòu)都作了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)、形狀、板厚、數(shù)量等調(diào)整加強(qiáng)。同時(shí)對(duì)頂推裝備的油缸、滑道、行程、油壓也進(jìn)行了創(chuàng)新改進(jìn)。

3.2 頂推臨時(shí)措施? ①鋼導(dǎo)梁。前置鋼導(dǎo)梁是頂推懸臂狀態(tài)下橋梁結(jié)構(gòu)過(guò)墩的必要措施，采用強(qiáng)度高、輕型材料、不同截面設(shè)計(jì)更為重要。其目的一方面減小鋼梁在頂推過(guò)程中的懸臂長(zhǎng)度，降低懸臂狀態(tài)下負(fù)彎矩峰值;另一方面引導(dǎo)鋼箱梁上臨時(shí)鋼管支架墩，也便于頂推過(guò)程中鋼箱梁糾偏。目前國(guó)內(nèi)常用的結(jié)構(gòu)形式有桁架梁和鋼板梁。它對(duì)頂推施工中主梁受力有重大的影響。導(dǎo)梁的長(zhǎng)度、剛度和重量，會(huì)使與主梁接頭處的負(fù)彎矩和支反力值相應(yīng)增加。最佳合理方法是使主梁最大懸臂負(fù)彎矩與使用狀態(tài)支點(diǎn)負(fù)彎矩基本接近;在滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性的條件下，宜選用較少重量的變截面導(dǎo)梁，以減少頂推時(shí)主梁最大懸臂狀態(tài)負(fù)彎矩的兩峰值更趨接近。國(guó)內(nèi)外實(shí)踐證明，頂推自由長(zhǎng)度的 0.6～0.8 倍，集度取 0.1～0.2 倍的主梁集度。鑒于星港大橋跨越繁忙運(yùn)輸?shù)木┖即筮\(yùn)河的安全性，航道凈通航寬度大于60m。頂推鋼導(dǎo)梁為工字型鋼板梁，重量130t左右，長(zhǎng)42m，和鋼箱梁連結(jié)處斷面高度為2.83m，逐漸變化至端部為2.0m;上下翼緣板和腹板與鋼箱梁連結(jié)的根端14m范圍之內(nèi)為50mm和40mm的Q355b板，其它均為30mm厚Q355b鋼板。

②臨時(shí)頂推支墩。臨時(shí)頂推支墩分為水中和陸地兩種格構(gòu)形式。水中支墩采用12根？準(zhǔn)1000×12mm 鋼管，組合成10.0*8.2m格構(gòu)立柱支墩，鋼管樁間用[20b 槽鋼縱橫向連結(jié)作為支撐;鋼管樁頂部設(shè)置多級(jí)矩形分配梁以支承頂推設(shè)備和臨時(shí)擱置支點(diǎn)。陸地支墩同樣采用6 根？準(zhǔn)1000×12mm 鋼管，組合成5.0*8.20m格構(gòu)立柱支墩，鋼管樁間用[20b 槽鋼縱橫向連結(jié)作為支撐;鋼管樁頂部設(shè)置多級(jí)矩形分配梁以支承頂推設(shè)備和臨時(shí)擱置支點(diǎn)。

③頂推設(shè)備（如圖1）。根據(jù)總體施工方案，主跨結(jié)構(gòu)采用多級(jí)步履式千斤頂頂推設(shè)備進(jìn)行頂推滑移中跨長(zhǎng)130.8m鋼箱梁過(guò)河安裝，其總重量約4000T（包括導(dǎo)梁和箱梁內(nèi)加強(qiáng)連結(jié)構(gòu)造）。采用多點(diǎn)頂推可以避免配置大型頂推設(shè)備，能有效地控制頂推時(shí)梁體的偏移，對(duì)橋墩的水平推力可減小到很小。在每個(gè)臨時(shí)支撐架上均設(shè)置滑動(dòng)頂推裝置，將集中的頂推力分散到各個(gè)支撐架上。但多點(diǎn)頂推需要較多的設(shè)備裝置，操作時(shí)的同步性等要求甚高。

頂推裝備主要包括頂推基座、頂升油缸、側(cè)移油缸、頂推油缸等，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制液壓油缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)組合和順序動(dòng)作。它有三大系統(tǒng)：TLYQ-3750型步履式移橋器，TL-HPS-60型液壓泵源系統(tǒng)，TLC-1.3型計(jì)算機(jī)同步控制系統(tǒng)。改進(jìn)后的頂推裝備比其它頂推設(shè)備施工過(guò)程中最大優(yōu)點(diǎn)是：超長(zhǎng)行程頂推、新型滑板材料、大油缸、低油壓（31.5MPa）、球形活動(dòng)頂升連結(jié)、組合式頂升分配梁等結(jié)構(gòu)。滿足了鋼梁縱橫頂推力點(diǎn)不同距離的同步協(xié)同工作，使鋼箱梁頂升受力均勻、頂推移動(dòng)平穩(wěn);特別是頂推加速?。懿粫?huì)出現(xiàn)爆管，啟、停頂推工況鋼梁不會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象;便于實(shí)現(xiàn)頂升、頂推、側(cè)移三向自由均能獨(dú)立運(yùn)動(dòng);便于鋼箱梁在頂推過(guò)程中的糾正和調(diào)整;以使側(cè)向位置、頂推、就位精度達(dá)到毫米級(jí);對(duì)所頂推鋼箱梁頂推腹板、底板和下部支撐施加的外力較小，可減小臨時(shí)支墩的材料用量;特別適合超大超寬型構(gòu)件同步頂推任意組合和箱梁內(nèi)橫隔板大間距的設(shè)置，而進(jìn)行長(zhǎng)行程的頂推滑移施工。

1）TLYQ-3750型步履式移橋器。

2）液壓泵源系統(tǒng)。動(dòng)力系統(tǒng)由液壓泵源系統(tǒng)（為油缸提供液壓動(dòng)力，在多個(gè)液壓閥的控制下，完成相應(yīng)的動(dòng)作）及電氣控制系統(tǒng)（動(dòng)力控制系統(tǒng)、功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等）組成。每臺(tái)泵站有兩個(gè)獨(dú)立工作的單泵。該橋梁移橋器數(shù)量及泵站配置4臺(tái)60kW的液壓變頻泵站。

3）控制系統(tǒng)。TLC-1.3型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)、動(dòng)力源模塊、測(cè)量反饋模塊、傳感模塊和相應(yīng)的配套軟件組成，通過(guò)CAN串行通信協(xié)議組建局域網(wǎng)。它是建立在反饋原理基礎(chǔ)之上的閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過(guò)高精度傳感器不斷采集設(shè)備的壓力和行程信息，從而確保液壓缸能順利工作。

4? 步履式頂推施工

4.1 頂推工作原理? 步履式頂推施工工作原理：在計(jì)算機(jī)液壓系統(tǒng)控制下，頂升液壓缸頂起鋼箱梁，平移液壓缸完成向前推移，頂升液壓缸縮缸，使鋼箱梁落梁擱置于換手臨時(shí)支墩上，平移液壓缸縮缸返回完成一個(gè)行程的頂推操作。步履式頂推操作過(guò)程是一個(gè)自平衡的頂推動(dòng)作過(guò)程?；七^(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)鋼箱梁側(cè)偏，即可使用側(cè)移液壓缸實(shí)現(xiàn)糾偏。頂升液壓缸上裝有壓力傳感器，能監(jiān)測(cè)滑移過(guò)程中的負(fù)載，防止出現(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象。頂升、平移、側(cè)移液壓缸均裝有位移傳感器，能實(shí)現(xiàn)滑移過(guò)程中的位移監(jiān)測(cè)，便于控制。

4.2 頂推施工流程（如圖2）? 第一步：?jiǎn)?dòng)液壓泵站，頂升液壓缸將鋼箱梁頂起，脫離胎架后停止。第二步：平移液壓缸向前頂推一個(gè)行程，鋼箱梁向前平移800～900mm。第三步：頂升液壓缸縮缸，鋼箱梁落梁在臨時(shí)支墩上。第四步：平移缸縮缸，返回初始狀態(tài)。依次重復(fù)，直至鋼梁平移結(jié)束。

4.3 頂推施工控制重點(diǎn)和措施? 頂推施工控制的重點(diǎn)是：頂推裝備同步頂升時(shí)各頂舉反力值;頂推時(shí)各頂推力的同步性和位移量;頂推時(shí)頂推滑移的摩阻力變化控制;頂推構(gòu)件內(nèi)部受力、線型監(jiān)測(cè)報(bào)警。由于橋面箱梁頂推施工現(xiàn)場(chǎng)工況條件限制，作用力復(fù)雜多變，采用電腦軟件集中現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程控制，通過(guò)靈活配置裝備功能來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)臺(tái)頂推設(shè)備的同步性和統(tǒng)一性。安裝在頂升油缸上的壓力傳感器檢測(cè)到的壓力數(shù)值轉(zhuǎn)換成支反力值，再將換算值傳給頂推油缸設(shè)定壓力。油缸根據(jù)要求的壓力提供頂推力，并控制兩側(cè)臨時(shí)墩上的頂推油缸同步頂推。當(dāng)完成推進(jìn)一個(gè)行程結(jié)束之后，所有頂推油缸全部縮回至下一個(gè)行程的起點(diǎn)，即可進(jìn)行下一個(gè)行程的頂推操作。頂推控制裝備豎向頂升力，隨縱向頂推行進(jìn)長(zhǎng)度變化，豎向頂升力也發(fā)生變化，隨之產(chǎn)生的滑道摩擦力相應(yīng)增大。根據(jù)模擬頂升來(lái)調(diào)整各頂推裝備上的受力，達(dá)到控制頂推設(shè)備協(xié)同頂推滑移。根據(jù)“位移同步，荷載跟蹤”的控制策略，以各裝備頂升油缸的頂舉力為依據(jù)，以頂推油缸頂推水平力和感應(yīng)位移量作為控制參數(shù)，以達(dá)到推力和位移等線型的綜合控制。結(jié)合施工過(guò)程中預(yù)先設(shè)置在箱梁內(nèi)部頂推腹板、橫隔、橋面板等各部位的應(yīng)力傳感器，進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控測(cè)量;對(duì)頂推時(shí)超出控制范圍的數(shù)值，隨時(shí)報(bào)告，以便調(diào)整各頂升反力。同時(shí)結(jié)合橋面各測(cè)控點(diǎn)位進(jìn)行頂推線型的監(jiān)測(cè)控制，使之按預(yù)先的模擬線型頂推前行。

5? 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)內(nèi)橋梁事業(yè)的快速前進(jìn)，頂推技術(shù)也在不斷更新創(chuàng)造。以質(zhì)量、安全、綠色、環(huán)保為目標(biāo)，頂推技術(shù)和配套裝備以微電子遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制，集液壓、電控于一體的智能程序化系統(tǒng)的組合步履式頂推裝備，正在進(jìn)一步提高橋梁施工裝備的性能及高科技含量。通過(guò)星港橋鋼箱梁多點(diǎn)步履式聯(lián)合頂推，使頂推裝備模擬計(jì)算和作用點(diǎn)二次受力調(diào)整更有機(jī)的結(jié)合、長(zhǎng)行程雙滑道、高性能滑塊材料以及高強(qiáng)輕型導(dǎo)梁等技術(shù)更趨完善。為以后的鋼橋步履式頂推設(shè)備集成化、遠(yuǎn)程信息化、控制自動(dòng)化的推廣運(yùn)用起到了重要的借鑒之用。

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作者簡(jiǎn)介：羊建峰（1965-），男，江蘇靖江人，大專(zhuān)，工程師，現(xiàn)任江蘇廣宇建設(shè)集團(tuán)有限公司鋼結(jié)構(gòu)分公司總工程師，主要從事公路橋梁、港航碼頭、水利涵閘等工程施工管理工作;朱喬元（1983-），男，江蘇靖江人，大專(zhuān)，主要從事公路橋梁、港航碼頭、水利涵閘等工程施工管理工作。