變高截面鋼箱梁頂推技術(shù)研究

馬瓊鋒，劉海慶

(中交第二航務(wù)工程局有限公司第六工程分公司，湖北 武漢 430014)

橋梁頂推技術(shù)由于裝配(預(yù)制)作業(yè)占地少，可實(shí)現(xiàn)工廠化作業(yè)，可適應(yīng)水域、峽谷以及城市橋梁施工，對(duì)外界環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在橋梁施工中得到越來越多的應(yīng)用。然而傳統(tǒng)頂推施工一般適用于等截面箱梁，對(duì)于截面高度變化較大的變高截面箱梁的頂推一直存在重大技術(shù)難題，該文結(jié)合某工程項(xiàng)目，介紹變高截面鋼箱梁頂推新技術(shù)。

1 工程概況

依托武漢市東風(fēng)大道變截面鋼箱梁頂推工程，該工程鋼箱梁跨度為89 m，箱梁最大高度3.8 m，最小高度2.6 m，高差1.2 m；箱梁底面為R=750 m弧形面，且鋼箱梁底面具有雙向2%橫坡。該段鋼箱梁跨越舊橋，舊橋限重20 t，施工時(shí)不能在舊橋上搭設(shè)輔助支架，施工區(qū)地處交通要塞，每天來往車輛眾多，施工要盡量減小對(duì)交通的影響。

2 傳統(tǒng)施工工藝面臨的困難

目前，在國(guó)內(nèi)外城市鋼箱梁橋施工中，一般采用散拼方式，具體包括汽車吊安裝法、滿堂支架法。但由于該工程有舊橋承載力限制及交通壓力的影響等因素。采用以上傳統(tǒng)施工方法，存在的主要問題如下：

(1)支架結(jié)構(gòu)布置密集，占用空間大，影響交通通行。

(2)支架結(jié)構(gòu)重量大，直接作用于原舊橋面上，舊橋承載力不夠。

(3)鋼箱梁分段安裝時(shí)，受原橋空間限制，鋼箱梁運(yùn)輸和吊裝困難。

由于以上施工方法在此工程中的局限性，采用受外界施工環(huán)境影響小的頂推施工工藝。傳統(tǒng)頂推一般針對(duì)等截面箱梁，對(duì)于該工程底面為R=750 m的曲率半徑變高截面鋼箱梁，面臨如下問題：

(1)鋼箱梁截面高度不斷變化，導(dǎo)致鋼箱梁與頂推設(shè)備貼合面空間距離差不斷變化，且各工作面的高差在任一施工階段均不相同，導(dǎo)致各工作面頂推設(shè)備在豎向高度調(diào)整方面均不相同，且隨著頂推的進(jìn)展，豎向高度的調(diào)整量不斷變化，傳統(tǒng)頂推設(shè)備難以保證兩者的良好貼合。

(2)該橋箱梁底面為弧形，為保障頂推施工時(shí)箱梁不產(chǎn)生縱向滑移，且更好地適應(yīng)頂推設(shè)備高度范圍的調(diào)節(jié)，需要采用不斷變化頂推路線并逐漸接近成橋線形的方式進(jìn)行頂推施工，工藝復(fù)雜，技術(shù)難度高。

(3)鋼箱梁施工過程中，箱梁底板高度方向最大相對(duì)高差為1.2 m左右，傳統(tǒng)頂推設(shè)備高度方向不能適應(yīng)這么大的調(diào)整范圍。

針對(duì)上述傳統(tǒng)頂推施工工藝存在的不足，亟需研發(fā)一種全新的頂推工藝及配套技術(shù)來解決上述問題。

3 變高截面鋼箱梁頂推技術(shù)研究

3.1 施工工藝研究

針對(duì)小豎曲率半徑變高截面鋼箱梁頂推施工工藝原理是通過計(jì)算分析，合理布置臨時(shí)墩或借助結(jié)構(gòu)墩，利用步履式頂推設(shè)備的豎向頂升及縱向平推功能，實(shí)現(xiàn)多段豎曲線梁體的平移頂推；結(jié)合頂推路徑的合理規(guī)劃，利用設(shè)備在空間內(nèi)任意位置的平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)微調(diào)功能，以及高差調(diào)節(jié)功能，采用“以折代曲”思想，達(dá)到對(duì)豎曲線變高度的處理，逐步實(shí)現(xiàn)豎曲線變高度鋼箱梁的安裝。

具體工藝要點(diǎn)如下：

(1)頂推路徑規(guī)劃(圖1)

圖1 鋼箱梁頂推路徑規(guī)劃

在鋼箱梁的頂推工藝上，改變讓頂推設(shè)備適應(yīng)鋼箱梁的傳統(tǒng)工藝，使鋼箱梁盡量適應(yīng)頂推設(shè)備，減少由于鋼箱梁截面高度變化造成的不斷調(diào)整頂推設(shè)備的次數(shù)。

(2)步履式平移頂推設(shè)備(圖2)

圖2 步履式平移頂推原理圖

頂推設(shè)備兩頭設(shè)承重支座，以便頂推設(shè)備回拉時(shí)，完成載荷轉(zhuǎn)換。頂推設(shè)備在液壓泵站提供的動(dòng)力和計(jì)算機(jī)統(tǒng)一控制下，通過“升高”、“平推”、“標(biāo)高調(diào)整”、“降低”、“復(fù)位”幾個(gè)動(dòng)作的循環(huán)完成頂推。各部位設(shè)置傳感器，由數(shù)據(jù)線串聯(lián)至總控制器，在計(jì)算機(jī)的統(tǒng)一控制下，可以實(shí)現(xiàn)頂升、順橋向移動(dòng)及橫橋向調(diào)整，以適應(yīng)不同線形和坡度的要求，并且可多點(diǎn)同步動(dòng)作。

(3)緊密貼合與受力適應(yīng)

新型步履式頂推設(shè)備具備在空間內(nèi)任意位置的平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)微調(diào)的功能，以適應(yīng)鋼箱梁底面弧形和底面雙向橫坡的空間復(fù)雜構(gòu)造，保證頂推設(shè)備工作面與鋼箱梁自動(dòng)緊密貼合。

其高度方向可適時(shí)調(diào)整承重支座及臨時(shí)墩的墊高量，保證局部工作區(qū)域得到多點(diǎn)頂推裝備良好的貼合，以滿足復(fù)雜豎曲線結(jié)構(gòu)受力安全要求，實(shí)現(xiàn)頂推設(shè)備與鋼箱梁在受力上的適應(yīng)。

步履式平移頂推設(shè)備為自平衡系統(tǒng)，頂推力為設(shè)備的內(nèi)力，基本不對(duì)橋墩產(chǎn)生水平推力。該設(shè)備頂推的梁體與滑道之間的滑動(dòng)為設(shè)備內(nèi)部滑動(dòng)，頂推設(shè)備始終與槽梁腹板接觸，以保證槽梁局部應(yīng)力均勻。

(4)高差調(diào)節(jié)功能

高差調(diào)節(jié)功能由兩個(gè)部分組成：承重支座上增減抗滑移墊板、臨時(shí)墩支架調(diào)節(jié)處增減抗滑移墊塊。

① 承重支座調(diào)高(圖3)

圖3 承重支座調(diào)高裝置

首先開啟頂升油缸，直至梁體被托離承重支座；再開啟頂推油缸，使梁體與上部滑箱整體前移；然后依據(jù)設(shè)計(jì)的頂推進(jìn)程，確定標(biāo)高調(diào)整大小，在承重支座上增減抗滑移墊板以調(diào)整曲線高差；最后開啟頂升油缸，使梁體與上部滑箱整體下落，直至鋼箱梁擱置在承重支座上。

② 支架調(diào)節(jié)調(diào)高(圖4)

頂推平臺(tái)上下梁之間設(shè)置調(diào)高裝置，當(dāng)鋼箱梁底面高差值超過頂推設(shè)備自身頂升油缸可調(diào)范圍時(shí)，首先通過調(diào)整油缸(800 t)和其他頂推設(shè)備共同將鋼箱梁臨時(shí)頂起，然后通過支架調(diào)高油缸(多個(gè)10 t千斤頂組成)將需要進(jìn)行大高差調(diào)高處的上梁及頂推設(shè)備頂起，最后在上梁下方墊抗滑移墊塊后下放上梁。調(diào)整及搬運(yùn)墊塊采用手拉葫蘆，上下梁之間設(shè)置精軋螺紋鋼錨桿，以增強(qiáng)抗滑移墊塊上方結(jié)構(gòu)的側(cè)向穩(wěn)定性。

(5)線形自適應(yīng)

多工位液壓系統(tǒng)與智能化監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，合理規(guī)劃頂推路徑，實(shí)時(shí)計(jì)算和分析鋼箱梁當(dāng)前線形，及時(shí)調(diào)整頂推設(shè)備相對(duì)高度，使當(dāng)前線形不斷接近成橋線形，直至頂推到位時(shí)使鋼箱梁整體線形符合成橋線形，以實(shí)現(xiàn)鋼箱梁的線形自適應(yīng)連續(xù)頂推施工。

圖4 支架調(diào)高裝置

3.2 自適應(yīng)控制技術(shù)

由于鋼箱梁底面為弧形的特點(diǎn)，在頂推施工過程中，各頂推設(shè)備頂面距鋼箱梁底面均不相等，且隨著頂推的進(jìn)行，此距離不斷變化；另外，對(duì)于同一頂推點(diǎn)，距離也是不斷變化的。

通過采用高性能數(shù)字化傳感器，對(duì)各頂推設(shè)備在橋梁成形路徑中的位置、壓力等關(guān)鍵參數(shù)與過程信號(hào)進(jìn)行采樣，并結(jié)合穩(wěn)健性較強(qiáng)的自適應(yīng)控制原理，實(shí)現(xiàn)頂推設(shè)備施工的高精度同步控制(圖5)。該技術(shù)結(jié)合自校正PID控制原理，設(shè)計(jì)了“位置同步，載荷跟蹤”的頂推控制技術(shù)，解決了傳統(tǒng)閉環(huán)控制方法無(wú)法對(duì)施工環(huán)境、機(jī)械以及液壓設(shè)備等不確定擾動(dòng)因素進(jìn)行抑制而出現(xiàn)的性能下降的問題，可確保頂推施工時(shí)位置、壓力以及傾角等關(guān)鍵參數(shù)得到長(zhǎng)時(shí)間有效的控制。

圖5 鋼箱梁頂推自適應(yīng)控制原理

結(jié)合該工程箱梁截面復(fù)雜施工控制難的特點(diǎn)，離散化各支墩頂推設(shè)備和鋼箱梁底面的距離，并優(yōu)化設(shè)計(jì)承重墊梁高度與測(cè)量臨時(shí)墩的墊高量，確保頂推設(shè)備工作在其行程范圍內(nèi)?？紤]此頂推工藝的特性，通過編程，合理計(jì)算出頂推所需的曲線半徑與圓心角。將優(yōu)化計(jì)算后的標(biāo)高數(shù)據(jù)與調(diào)整量輸入控制器，對(duì)高精度傳感器測(cè)量的橋梁成形誤差進(jìn)行反饋，并通過空間曲線特征分段算法和自校正PID原理，完成了對(duì)豎曲線和平曲線成形施工的自適應(yīng)控制。

3.3 智能化監(jiān)控系統(tǒng)

為保證施工的安全性，并提高頂推施工控制的決策能力與施工效率，該技術(shù)搭建了遠(yuǎn)程通訊成套設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對(duì)頂推過程施工的關(guān)鍵參量進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化采集，與監(jiān)控分析軟件進(jìn)行對(duì)接、分析和計(jì)算，保證多點(diǎn)頂推裝備系統(tǒng)跟隨變高截面鋼箱梁的曲面特征而隨之進(jìn)行適應(yīng)性的施工。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了智能聲光報(bào)警平臺(tái)，通過對(duì)關(guān)鍵參量和狀態(tài)的邊界條件進(jìn)行抽象和編程，當(dāng)頂推設(shè)備運(yùn)行偏離預(yù)定設(shè)計(jì)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)智能地結(jié)合橋梁梁體頂推路徑的設(shè)計(jì)與規(guī)劃方案以及軟件內(nèi)嵌的自適應(yīng)控制算法，實(shí)時(shí)對(duì)頂推過程中發(fā)生的同步性能衰弱、線形誤差偏離設(shè)計(jì)值以及執(zhí)行單元錯(cuò)誤進(jìn)行分析與調(diào)整，確保橋梁同步頂推過程和橋梁線形成形的高精度實(shí)施與完成。同時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)具備人工干預(yù)與終端功能，對(duì)頂推狀況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)提示與遠(yuǎn)程信息推送，可無(wú)擾動(dòng)地切換現(xiàn)場(chǎng)/遠(yuǎn)程的監(jiān)控權(quán)限，極大地減輕了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度人員的工作量，提高了頂推施工的決策響應(yīng)效率與質(zhì)量，降低了安全事故發(fā)生的隱患。

4 工程實(shí)施

結(jié)合上述工藝及保證策略，采用有限元軟件進(jìn)行了工藝流程的計(jì)算，計(jì)算工況及計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 計(jì)算工況及結(jié)果

通過計(jì)算，該工程小豎曲率半徑變高截面鋼箱梁頂推工藝符合規(guī)范要求，在結(jié)構(gòu)受力上滿足工程需要。

該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于武漢市東風(fēng)大道快速化改造工程小豎曲率半徑變高截面鋼箱梁頂推施工中，施工效果良好。

5 結(jié)語(yǔ)

變高截面鋼箱梁頂推技術(shù)的研究及現(xiàn)場(chǎng)成功實(shí)施，克服了變截面箱梁使用頂推技術(shù)的技術(shù)難題。多自由度頂推設(shè)備與變高裝置的設(shè)計(jì)，使得變高截面鋼箱梁高精度線形頂推施工得以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，自適應(yīng)控制技術(shù)及智能化監(jiān)控系統(tǒng)的采用，增強(qiáng)了頂推施工的多點(diǎn)同步性與整體安全性。此外，通過結(jié)合小豎曲率半徑變高截面頂推施工的路徑規(guī)劃方法，頂推施工的自動(dòng)化水平得以大幅度提升。

武漢市東風(fēng)大道L7聯(lián)89 m鋼箱梁頂推施工的順利完成，可為后續(xù)同類頂推施工工程提供良好的技術(shù)支持和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。