鋼結(jié)構(gòu)橋梁超重柔性鋼梁大跨頂推施工技術(shù)應(yīng)用研究

康繼平

（中交世通（重慶）重工有限公司，重慶 402100）

1 引言

目前，頂推施工技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，成為橋梁工程施工領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。我國最早在鋼結(jié)構(gòu)橋梁施工中采用頂推施工法是1974年建設(shè)的狄家河鐵路大橋，后續(xù)又在多項(xiàng)鋼結(jié)構(gòu)橋梁工程施工中實(shí)踐了該施工方法。在此過程中，頂推器械也由傳統(tǒng)卷揚(yáng)機(jī)滑車組發(fā)展為現(xiàn)在的千斤頂以及步履式頂推，滑移面由最早的鋼接觸面發(fā)展為現(xiàn)在的四氟乙烯板[1]。在橋梁工程中采用頂推施工法最大的優(yōu)勢在于可以有效克服地形條件的限制，尤其是峽谷、大江大河、湖泊以及海洋等，可以保障工程順利開展。

2 工程概況

某江大橋主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為三跨雙邊梁體結(jié)構(gòu)，主梁跨徑設(shè)計(jì)為111 m+252 m+110 m，雙邊壓重跨徑設(shè)計(jì)為48 m+57 m，主梁總重超過7000 t。主梁采用鋼筋混凝土結(jié)合梁，雙邊主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，橋體中心位置梁體高度為3.56 m，寬度為42.8 m，涵蓋風(fēng)嘴。由于該江屬于Ⅱ-（3）級航道，要求項(xiàng)目施工期間必須保持通航，通過進(jìn)行專業(yè)評估，要求航道寬度不低于84 m，因此，主梁架設(shè)施工不能使用支架施工法。同時(shí)，由于該江上其余橋梁凈空有限，大型船舶無法通航，因此，也不能采用大型浮吊進(jìn)行施工。此外，本項(xiàng)目中主梁采用的鋼筋混凝土梁體抗扭轉(zhuǎn)性能較差，并且剛度有限，屬于柔性鋼梁，必須采用特定的施工方法。最終經(jīng)過綜合分析論證，擬采用頂推施工法架設(shè)鋼梁。

3 頂推施工法工作原理

頂推施工法的基本原理是利用千斤頂?shù)绕餍祵α后w施加水平推力，借助臨時(shí)滑道或者臨時(shí)滑塊推動梁體平行移動。這種施工方法的優(yōu)勢在于臨時(shí)滑道或者滑塊的設(shè)計(jì)可以減小摩擦力，梁體在平行推進(jìn)過程中不會產(chǎn)生沖擊作用力，可以使梁體平穩(wěn)就位[2]。在頂推施工過程中，安裝采用的頂推裝置數(shù)量可以分為單點(diǎn)頂推與多點(diǎn)頂推兩種形式，其中，單點(diǎn)頂推多用于長度小、跨徑小、直線型橋梁工程，此外，在橋梁工程施工中若水平方向上承載力過大或者后座對橋梁產(chǎn)生的反作用力較大時(shí)，也適用單點(diǎn)頂推施工法。其具體施工步驟如下：（1）搭建拼裝平臺或者可以直接將頂推裝置安裝在橋墩上；（2）在橋墩正前方位置安裝滑動裝置、支撐裝置；（3）進(jìn)行頂推施工，梁體在頂推裝置作用下會沿滑動裝置水平推進(jìn)。多點(diǎn)頂推施工法多用于長度大、跨徑大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的橋梁工程中，頂推裝置主要采用的是千斤頂，梁體滑動時(shí)所產(chǎn)生的摩擦力可借助于墩臺的反作用力得到有效控制，從而使梁體保持平穩(wěn)推進(jìn)。多點(diǎn)頂推施工法的優(yōu)勢在于對橋墩要求相對較低，頂推施工過程中施加在橋墩上的承載力小，并且可以有效控制梁體頂推過程中的偏移度。

4 鋼結(jié)構(gòu)橋梁超重柔性鋼梁大跨頂推施工技術(shù)的應(yīng)用

4.1 頂推施工流程

本項(xiàng)目頂推施工基本流程如下：（1）搭建頂推作業(yè)平臺，并在作業(yè)平臺上完成前端鋼導(dǎo)梁、上部背撐等臨時(shí)措施的拼裝工作；在岸上以及江中架設(shè)臨時(shí)性支墩。（2）將鋼導(dǎo)梁、背撐等臨時(shí)措施向前頂推，空出頂推作業(yè)平臺，開始拼裝梁體節(jié)段，完成后將梁體與鋼導(dǎo)梁連接，上部背撐與梁體和鋼導(dǎo)梁連接。（3）將鋼導(dǎo)梁、背撐以及梁體整體向前頂推，并在后方頂推作業(yè)平臺上繼續(xù)拼裝梁體節(jié)段。（4）重復(fù)上述3個(gè)步驟，直到鋼導(dǎo)梁到達(dá)對岸最后一個(gè)臨時(shí)墩，確認(rèn)沒有問題后開始拆除背撐、鋼導(dǎo)梁等臨時(shí)措施。（5）拆除工作完成后，將梁體頂推到位，落梁后開始拼裝合龍段。

4.2 施工前期準(zhǔn)備

4.2.1 頂推作業(yè)平臺選址

本項(xiàng)目中2個(gè)主塔位于防洪大堤旁，一側(cè)塔柱的防洪擋墻長度為140 m，另一側(cè)塔柱與防洪大堤的距離為50 m，從現(xiàn)場實(shí)際情況來看，前者堤內(nèi)的區(qū)域條件相對較好，經(jīng)過平整處理后，場地較為開闊、平坦，并且該區(qū)域內(nèi)不存在居民區(qū)，具備設(shè)置頂推作業(yè)平臺的基本條件，施工相關(guān)設(shè)備、材料以及器具可采用陸路運(yùn)輸。而后者區(qū)域條件較差，整體地勢較陡，地表最大高差可達(dá)16 m，并且有兩處坡度超過20°的陡坡，不適合搭建頂推作業(yè)平臺。經(jīng)過綜合分析論證，確定選擇前者作為搭建頂推作業(yè)平臺的區(qū)域。

4.2.2 臨時(shí)墩布設(shè)

本項(xiàng)目處于2個(gè)彎道間的過渡段，項(xiàng)目所處位置江水流速較緩，航道單一，然而橋梁距離上游彎道不足400 m，橋軸法線與江水交角過大，同時(shí)在頂推施工過程中，江中的3個(gè)臨時(shí)墩需要占用部分航道水域。綜合上述因素，為確保項(xiàng)目順利推進(jìn)且不影響正常通航，1#與2#臨時(shí)墩的間距不能低于90 m。

4.2.3 頂推設(shè)備

頂推施工法目前已經(jīng)形成較為成熟的技術(shù)體系，在頂推設(shè)備方面目前主要采用的是步履式與拖拉式兩種頂推設(shè)備，步履式頂推設(shè)備的優(yōu)勢在于其在頂推施工過程中可保證同步性，對臨時(shí)墩產(chǎn)生的水平作用力較小。頂推施工過程中對于梁體表面不會造成較大損傷，頂推過程穩(wěn)定性好。其缺陷在于施工成本相對較高。拖拉式頂推設(shè)備的優(yōu)勢在于整體施工成本較低，其缺陷在于在頂推施工過程中難以保證同步性，對臨時(shí)墩產(chǎn)生的水平作用力較大。頂推施工過程中對梁體表面會造成較大損傷，并且容易出現(xiàn)爬行情況。綜合分析兩種頂推設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際情況，決定采用步履式頂推設(shè)備。

4.3 頂推施工關(guān)鍵點(diǎn)

4.3.1 施工仿真模擬

由于本項(xiàng)目梁體屬于柔性鋼梁，同時(shí)，最大頂推跨度長達(dá)90 m，因此，施工難度較大，整體風(fēng)險(xiǎn)較高，通過對頂推施工過程進(jìn)行仿真模擬可以有效控制施工風(fēng)險(xiǎn)，保障施工質(zhì)量[3]。本項(xiàng)目采用Midas-civil軟件仿真模擬頂推施工過程，共建立材料類型兩種，截面類型13種，單元1533個(gè)，鋼導(dǎo)梁、背撐以及主梁均采用梁單元建立，通過設(shè)置彈性連接與截面偏心實(shí)現(xiàn)各構(gòu)件的連接。通過仿真模擬發(fā)現(xiàn)，頂推施工過程中主梁最大應(yīng)力為117 MPa，最大撓度為139 cm，整個(gè)施工過程各項(xiàng)參數(shù)均處于正常范圍。

4.3.2 頂推作業(yè)平臺與臨時(shí)墩設(shè)計(jì)

1）頂推作業(yè)平臺

頂推作業(yè)平臺主要用于拼裝梁體節(jié)段，并且發(fā)揮其頂推支點(diǎn)的作用，由于本項(xiàng)目采用步履式頂推設(shè)備，拼裝主梁節(jié)段時(shí)，步履式頂推設(shè)備處于落空狀態(tài)，不受荷載作用；頂推梁體時(shí)，主梁在頂推設(shè)備作用下離開拼裝胎架，因此，拼裝胎架不受荷載作用。由此可知，在頂推施工過程中，拼裝胎架和頂推支點(diǎn)所需剛度、強(qiáng)度不同，頂推支點(diǎn)需要承擔(dān)梁體頂推時(shí)產(chǎn)生的荷載，對于強(qiáng)度、剛度的要求超過拼裝胎架。基于此，本項(xiàng)目將頂推作業(yè)平臺設(shè)計(jì)為頂推支點(diǎn)和拼裝胎架分離的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，這樣不僅可以保障施工順利進(jìn)行，還能有效控制施工成本。

圖1 頂推作業(yè)平臺(單位：mm)

2）臨時(shí)墩

在本項(xiàng)目中，由于橋梁跨度大、自重大，并且有3個(gè)臨時(shí)墩位于江中，因此，進(jìn)行臨時(shí)墩設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到梁體自重、水流沖擊力、水平作用力以及橋面質(zhì)量等多方面因素。經(jīng)過綜合分析論證，同時(shí)，結(jié)合航運(yùn)部門專業(yè)的航道評估報(bào)告，在本項(xiàng)目中臨時(shí)墩設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 臨時(shí)墩（單位：mm）

4.3.3 鋼導(dǎo)梁、背撐

由于本項(xiàng)目設(shè)計(jì)為雙邊主梁結(jié)構(gòu)，相較于鋼箱梁結(jié)構(gòu)剛度較低，并且頂推施工最大跨度達(dá)90 m，因此，施工過程風(fēng)險(xiǎn)較高，僅采用鋼導(dǎo)梁無法完成頂推施工。結(jié)合類似工程施工經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目擬在梁體以及鋼導(dǎo)梁上焊接臨時(shí)性桁架背撐，以加強(qiáng)頂推整體剛度，控制最大懸臂狀態(tài)下鋼導(dǎo)梁撓度以及梁體內(nèi)力峰值。經(jīng)過現(xiàn)場測算，發(fā)現(xiàn)無背撐情況下梁體應(yīng)力可達(dá)173 MPa，鋼導(dǎo)梁撓度為117 cm，懸臂為90 m；焊接背撐的情況下梁體應(yīng)力僅114 MPa，鋼導(dǎo)梁撓度為58.5 cm，懸臂為90 m。由此可知，增加臨時(shí)桁架背撐后鋼導(dǎo)梁撓度以及梁體應(yīng)力能夠得到明顯改善，有助于順利完成頂推施工。

4.3.4 頂推控制

本項(xiàng)目中采用的是單向頂推，即有一側(cè)江岸向另一側(cè)江岸頂推，整個(gè)頂推施工過程為直線段—弧線段—直線段，因此，施工過程極為復(fù)雜，并且還要考慮到后續(xù)施工的便利性問題，這就要求必須做好線性控制。針對此問題，本項(xiàng)目施工中主要采取如下措施：（1）起始直線段頂推過程中，拼裝平臺與梁體拼裝線性保持平行狀態(tài)；（2）中間弧線段梁體拼裝到一定程度時(shí)，末端線性與拼裝平臺交叉，二者不在保持平行狀態(tài)，形成逐漸變化的夾角；（3）最終直線段頂推過程中，調(diào)整臨時(shí)支點(diǎn)高程，使將要拼裝的梁體線性處于拼裝平臺上方。

4.4 施工過程控制

4.4.1 柔性鋼梁變形控制

本項(xiàng)目中，主梁屬于柔性鋼梁，相較于鋼箱梁或者鋼拱橋的扁平流線型設(shè)計(jì)，本橋梁體設(shè)計(jì)平面體系，整體剛度較小，在頂推施工過程中，若梁體自身下?lián)弦约傲后w局部應(yīng)力過大都可能會導(dǎo)致梁體發(fā)生變形，因此，在頂推施工過程中必須重點(diǎn)監(jiān)測梁體下?lián)弦约熬植繎?yīng)力變化情況，避免梁體出現(xiàn)較大變形，影響施工質(zhì)量。

4.4.2 頂推過墩控制

本項(xiàng)目中由于該江屬于Ⅱ-（3）級航道，要求項(xiàng)目施工期間必須保持通航，導(dǎo)致在臨時(shí)墩設(shè)計(jì)上受到了較大的限制，1#墩和2#墩的間距達(dá)到了90 m，這在同類型橋梁項(xiàng)目中史無前例，在頂推施工過程中如何確保梁體順利跨越90 m后過墩是關(guān)鍵控制點(diǎn)。針對此問題，本項(xiàng)目采用的做法是將梁體進(jìn)行繞點(diǎn)剛性轉(zhuǎn)動，從而使梁體前端翹起，在高度上超過臨時(shí)墩，以確保梁體順利實(shí)現(xiàn)過墩。

4.4.3 軸線精度控制

為保證工期本項(xiàng)目塔梁同步施工，進(jìn)行頂推施工時(shí)塔身施工完畢，塔身凈空為33.4 m，而梁體最大寬度為33.3 m，二者僅相差10 cm，這就意味著梁體和塔身凈間距從理論上來說只有50 cm，因此，頂推施工過程中必須嚴(yán)格控制軸線精度，否則不僅會對塔身造成影響，還會影響頂推施工進(jìn)展。

5 結(jié)語

綜上所述，在鋼結(jié)構(gòu)橋梁超重柔性鋼梁施工中采用頂推施工法可以保障施工過程中順序進(jìn)行。施工前要求模擬施工過程，以確保頂推施工方案可行、可靠；施工過程中要注意頂推作業(yè)平臺、鋼導(dǎo)梁、背撐以及臨時(shí)墩的設(shè)計(jì)；此外，施工過程中要注意控制柔性鋼梁變形、軸線精度以及頂推過墩等方面，以保障施頂推施工質(zhì)量。