步履式頂推施工

李 勁

(黑龍江省高速公路服務(wù)中心，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 步履式頂推施工發(fā)展特點(diǎn)

1.1 步履式頂推施工原理

頂推施工法具有施工場(chǎng)地小、造價(jià)低、對(duì)橋下交通和通航影響小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于跨越深谷、河流、公路、鐵路等橋梁施工中。受到法國(guó)米約橋楔進(jìn)式頂推施工工藝啟發(fā)，我國(guó)自主研發(fā)了一套集頂升、頂進(jìn)、橫向糾偏于一體的頂推設(shè)備，實(shí)現(xiàn)主梁的順橋向、豎向、橫橋向的移動(dòng)，該工藝被稱(chēng)為“步履式多點(diǎn)連續(xù)頂推”，本文簡(jiǎn)稱(chēng)“步履式頂推”。步履式頂推施工法是指梁體在橋臺(tái)背后布置預(yù)制場(chǎng)地，分節(jié)段或整體預(yù)制梁體，之后安裝導(dǎo)梁，將導(dǎo)梁和預(yù)制梁體連接形成一個(gè)整體，采用“頂”、“推”兩個(gè)步驟交替進(jìn)行，將梁體向前頂進(jìn)，直至橋梁頂推至預(yù)定位置。

1.2 頂推施工工藝對(duì)比

常見(jiàn)的頂推施工方法有步履式和拖拉式兩種，下面對(duì)這兩種施工方法的特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)見(jiàn)表1所示。

表1 步履式與拖拉式頂推施工法綜合對(duì)比

2 鋼箱梁局部受力分析

頂推施工法早期在預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋中應(yīng)用廣泛，由于主梁和下部結(jié)構(gòu)開(kāi)裂問(wèn)題突出，跨徑一般小于60 m，很難滿(mǎn)足現(xiàn)代橋梁建設(shè)的需求。隨著橋梁跨度和寬度的增大，采用構(gòu)造復(fù)雜、跨度較大的鋼箱梁應(yīng)運(yùn)而生，其局部受力情況比預(yù)應(yīng)力混凝土梁更為復(fù)雜。鋼箱梁頂推施工中，由于主梁設(shè)置預(yù)拱度和自重效應(yīng)下產(chǎn)生的下?lián)?，墊塊尾端易產(chǎn)生向上的“翹曲”，該現(xiàn)象將導(dǎo)致梁體底板與頂推設(shè)備接觸不充分，使得梁體局部受力復(fù)雜。許多學(xué)者對(duì)步履式頂推施工中鋼箱梁局部受力進(jìn)行了分析，主要集中在墊塊參數(shù)、轉(zhuǎn)角位移、橫向偏位、頂升不同步、局部構(gòu)件的加強(qiáng)等方面，其中轉(zhuǎn)角位移與墊塊剛度有直接關(guān)系，墊塊剛度的降低可有效緩解轉(zhuǎn)角位移導(dǎo)致的主梁局部應(yīng)力集中，因此本節(jié)將不對(duì)轉(zhuǎn)角位移進(jìn)行論述。

2.1 墊塊參數(shù)

步履式頂推施工中通常在頂推設(shè)備上布設(shè)墊塊，而墊塊的選擇往往根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，既不能保證結(jié)構(gòu)安全，還可能增加施工工期。墊塊的作用主要有兩點(diǎn)：(1)若干墊塊可以調(diào)整支點(diǎn)標(biāo)高；(2)改善梁體局部受力狀況。李傳習(xí)等認(rèn)為墊塊在設(shè)計(jì)面積條件下，其彈性模量降低至鋼材的60%時(shí)，支承位置處鋼箱梁局部受力改善顯著。謝祺認(rèn)為選擇剛度較小的墊塊，可以有效改善支承處接觸不均勻的現(xiàn)象，墊塊長(zhǎng)度越長(zhǎng)對(duì)支承處的局部受力就越有利，墊塊寬度對(duì)局部應(yīng)力無(wú)顯著影響。李興全等分析了4種不同剛度的墊塊，建議采用Ⅱ類(lèi)橡膠墊塊或聚四氟乙烯板。目前，針對(duì)拖拉式窄橋的墊塊參數(shù)研究較多，而對(duì)于寬橋步履式的研究較少，并且系統(tǒng)性研究還未看到。

2.2 橫向偏位

頂推施工中，由于頂推設(shè)備系統(tǒng)、工藝及環(huán)境等眾多復(fù)雜因素，梁體軸線(xiàn)必然偏離設(shè)計(jì)軸線(xiàn)。導(dǎo)致步履式頂推施工偏位的因素主要包括：(1)水平頂推合力作用線(xiàn)與梁體重心線(xiàn)不重合；(2)梁體縱向重心與橋中線(xiàn)不重合；(3)水平千斤頂出力不同步、不均勻等。橫向偏位過(guò)大，將導(dǎo)致梁體偏離頂推路線(xiàn)、受力不平衡而產(chǎn)生局部受力過(guò)大等狀況?！豆窐蚝┕ぜ夹g(shù)規(guī)范》頂推施工中軸線(xiàn)偏位控制值為10 mm，過(guò)小的控制值會(huì)導(dǎo)致糾偏頻率增加，延長(zhǎng)施工工期，增加施工成本。主梁發(fā)生偏位時(shí)，通常有兩種糾偏方式：一是移動(dòng)主梁，通過(guò)步履式頂推的設(shè)備的橫向千斤頂調(diào)整主梁姿態(tài)；二是移動(dòng)步履式頂推設(shè)備，使其中線(xiàn)與主梁頂推設(shè)計(jì)中線(xiàn)對(duì)齊來(lái)實(shí)現(xiàn)相對(duì)糾偏。

李向紅等對(duì)橫向偏移量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明：?jiǎn)未涡谐虣M向偏移量具有隨機(jī)性，且呈正態(tài)分布；單次橫向偏移量和累積橫向偏移量有關(guān)。王金良等研究了橫向偏位對(duì)鋼桁梁內(nèi)力的影響，結(jié)果表明：整個(gè)頂推進(jìn)程的中后期，桿件應(yīng)力對(duì)橫向偏位敏感程度較高。朱利明等認(rèn)為滿(mǎn)足安全落梁的最大橫向偏位距離可視為梁體最大橫向偏位值，并提出將橫向偏位閾值放寬至此值。

2.3 頂升不同步

每套步履式頂推設(shè)備由一個(gè)或多個(gè)豎向千斤頂組成，單個(gè)千斤頂正常工作的概率容易得到保證，但多個(gè)豎向千斤頂同時(shí)正常工作的概率大大降低，當(dāng)多套步履式頂推設(shè)備同時(shí)工作時(shí)，多支點(diǎn)豎向千斤頂頂升位移難以同步，并且步履式頂推設(shè)備對(duì)液壓和電氣的同步性的要求較高，頂推施工中很難達(dá)到理想的狀態(tài)。豎向千斤頂頂升位移不同步將導(dǎo)致頂升力在橫向上分配不合理，當(dāng)頂升力超過(guò)合理范圍時(shí)，梁體在支承區(qū)域處可能產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

趙凌志等以四滑道預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋?yàn)槔芯苛酥c(diǎn)高程對(duì)支點(diǎn)反力的影響，結(jié)果表明：中支點(diǎn)高程的降低，可以有效改善各支點(diǎn)反力的橫向分配。李傳習(xí)等認(rèn)為支點(diǎn)標(biāo)高的調(diào)整對(duì)反力影響較為敏感，支點(diǎn)標(biāo)高的控制精度宜設(shè)置在5 mm內(nèi)。

2.4 局部構(gòu)件的加強(qiáng)

鋼箱梁在頂推過(guò)程中支承位置不斷變化，梁體支承區(qū)域局部受力也十分復(fù)雜，因此加強(qiáng)鋼箱梁局部構(gòu)件有利于改善局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。

李新華通過(guò)改變主梁主要構(gòu)件厚度對(duì)鋼箱梁局部受力進(jìn)行研究，結(jié)果表明：增加橫隔板和腹板厚度，可以減小主梁局部最大等效應(yīng)力，但此方法經(jīng)濟(jì)性較差；增加支承處縱向加勁肋，改善效果不如前兩種，但是經(jīng)濟(jì)性比較好；增大支承處橫肋和縱肋厚度，能有效改善鋼箱梁局部應(yīng)力，同時(shí)也比較經(jīng)濟(jì)。鄒宇認(rèn)為單一加固方式不能滿(mǎn)足頂推施工要求，當(dāng)同時(shí)增大角隅加勁、橫隔板及腹板厚度時(shí)，應(yīng)力滿(mǎn)足頂推施工要求，但經(jīng)濟(jì)性較差；使用混凝土進(jìn)行局部加強(qiáng)時(shí)，能有效降低支承區(qū)域局部應(yīng)力，是比較經(jīng)濟(jì)可行的方案。

3 預(yù)應(yīng)力混凝土梁受力分析

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土梁拖拉式頂推施工進(jìn)行了研究，主要集中在以下幾個(gè)方面：(1)混凝土梁與導(dǎo)梁連接段，此處是頂推過(guò)程的薄弱環(huán)節(jié)；(2)混凝土開(kāi)裂，應(yīng)保證梁底接觸區(qū)域的高程，在預(yù)應(yīng)力布置方面，不但要考慮永久預(yù)應(yīng)力的布置還要考慮施工過(guò)程中的臨時(shí)預(yù)應(yīng)力布置，以克服頂推過(guò)程中主梁正負(fù)彎矩不斷變化導(dǎo)致的拉應(yīng)力。(3)箱梁的“爬行”；(4)混凝土梁的制造標(biāo)高、模板底標(biāo)高及臨時(shí)支座標(biāo)高是否滿(mǎn)足施工精度要求，施工精度對(duì)梁體的結(jié)構(gòu)尺寸、跨度設(shè)置、分段長(zhǎng)度、經(jīng)濟(jì)性的影響；(5)溫度變化、支座脫空、梁體偏移等情況的發(fā)生。

周飛以富翅門(mén)大橋?yàn)楣こ瘫尘?，?duì)采用步履式頂推施工的預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋遇到的問(wèn)題進(jìn)行了分析，詳細(xì)制定了針對(duì)性措施并提出優(yōu)化方案。

4 頂推施工控制

頂推施工控制是以設(shè)計(jì)成橋狀態(tài)為目標(biāo)，對(duì)施工過(guò)程中受到的諸多確定因素(如梁體結(jié)構(gòu)、施工精度、導(dǎo)梁參數(shù)等)和不定因素(如溫度、風(fēng)荷載等)的影響，進(jìn)行參數(shù)修正，確保整體結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足成橋后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)及主梁線(xiàn)形符合設(shè)計(jì)要求。頂推施工主要控制主梁線(xiàn)形、結(jié)構(gòu)應(yīng)力及頂推墩的穩(wěn)定性，并以線(xiàn)形控制為主，應(yīng)力和墩的穩(wěn)定性控制為輔。

4.1 上部結(jié)構(gòu)控制

主要控制梁體的線(xiàn)形和應(yīng)力在合理的范圍內(nèi)。線(xiàn)形的監(jiān)測(cè)通常采用全站儀測(cè)量，能夠反映頂推過(guò)程中線(xiàn)形要求的影響因素有主梁標(biāo)高和橫向偏位。應(yīng)力的監(jiān)測(cè)采用振弦式應(yīng)變計(jì)，鋼箱梁多為粘貼式，預(yù)應(yīng)力混凝土及混凝土梁一般為埋入式，安裝位置為梁體主要受力位置(即梁體頂板及底板)。

頂推施工中，梁體線(xiàn)形分為兩種：(1)梁底線(xiàn)形呈直線(xiàn)；(2)控制點(diǎn)標(biāo)高處在不同曲率上。預(yù)拱度的設(shè)置、環(huán)境影響及施工精度等因素使得對(duì)橋梁的線(xiàn)形控制更為嚴(yán)格。董創(chuàng)文等提出無(wú)應(yīng)力線(xiàn)形基準(zhǔn)與即時(shí)相位的概念，基于相位變化及高程偏差，提出了梁底標(biāo)高的計(jì)算方法并給出具體公式。林建平等在頂推施工中，基于傳遞矩陣法對(duì)梁體線(xiàn)形進(jìn)行預(yù)測(cè)與控制，取得了較好的效果。李傳習(xí)等基于相位變換，提出確定梁體無(wú)應(yīng)力線(xiàn)形的方法。結(jié)果表明：頂推就位的理論線(xiàn)形與實(shí)測(cè)線(xiàn)形契合較好。目前，在頂推施工中梁體線(xiàn)形的控制研究，主要針對(duì)某一橋型，通用性不強(qiáng)。

應(yīng)力監(jiān)測(cè)也是頂推施工中重要項(xiàng)目之一，它既可以評(píng)估施工過(guò)程中梁體實(shí)際受力情況，也能起到安全預(yù)警的作用。在不利工況下，各控制截面應(yīng)力是否與理論值相吻合，結(jié)構(gòu)是否處于安全狀態(tài)，都是施工控制的關(guān)鍵。

4.2 下部結(jié)構(gòu)控制

下部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性直接影響上部結(jié)構(gòu)安全，從頂推施工控制角度來(lái)看，橋梁下部結(jié)構(gòu)監(jiān)控主要集中在：(1)頂推墩支反力；(2)墩頂位移；(3)不均勻沉降。其中頂推墩支反力的監(jiān)測(cè)主要有：(1)通過(guò)步履式頂推設(shè)備的表顯壓力換算出頂推墩支反力；(2)設(shè)置壓力傳感器，直接測(cè)出頂推墩支反力；(3)頂推墩粘貼應(yīng)變傳感器，通過(guò)應(yīng)變?cè)隽坑?jì)算出頂推墩支反力。目前最常用的方法為前兩種，可以有效反映頂推墩支反力。頂推墩位移的監(jiān)測(cè)一般采用全站儀和百分表，全站儀可以很好的對(duì)頂推墩的位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果頂推墩數(shù)量較多且障礙物遮擋可視點(diǎn)時(shí)，可采用百分表。

4.3 多參數(shù)容限動(dòng)態(tài)控制

僅對(duì)單一參數(shù)進(jìn)行施工控制已經(jīng)不能全面反映整個(gè)頂推過(guò)程中所遇到的復(fù)雜情況，而影響鋼箱梁安全的主要參數(shù)包括：橫向偏位；頂升不同步；頂推墩支反力；墩頂位移等。影響預(yù)應(yīng)力混凝土梁或混凝土梁安全的主要參數(shù)包括：(1)橫向偏位；(2)頂升不同步；(3)溫度等。如何對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)性研究，提出頂推過(guò)程中多參數(shù)容限動(dòng)態(tài)控制限值范圍，以指導(dǎo)整個(gè)鋼箱頂推施工，確保整個(gè)頂推施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)安全，還未看到相關(guān)研究。

5 結(jié) 論

(1)簡(jiǎn)要總結(jié)了步履式頂推施工的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)步履式與拖拉式進(jìn)行對(duì)比，認(rèn)為從設(shè)備的性能、可控性、梁體結(jié)構(gòu)的安全以及頂推墩受力等方面優(yōu)于拖拉式，但拖拉式在施工成本和進(jìn)度方面優(yōu)于步履式，兩種施工工藝的選擇應(yīng)根據(jù)具體工程特點(diǎn)綜合考慮。針對(duì)步履式頂推設(shè)備進(jìn)行了綜述，步履式頂推設(shè)備機(jī)械化程度比較高，同時(shí)對(duì)千斤頂正常工作的分布概率也提出了更高要求，這涉及交叉學(xué)科，還需在該方面開(kāi)展相關(guān)研究。

(2)2010年步履式頂推法首次在杭州九堡大橋運(yùn)用，也是首次在鋼箱梁施工中運(yùn)用。近幾年逐步投入到鋼混結(jié)合梁、預(yù)應(yīng)力混凝土梁的建設(shè)中，而鋼箱梁的局部受力和穩(wěn)定性是頂推施工中需要重點(diǎn)考慮的關(guān)鍵問(wèn)題，隨著我國(guó)步履式頂推施工研究的深入，鋼箱梁的局部受力分析取得了一定成果。但受限于鋼箱梁細(xì)部結(jié)構(gòu)形式、頂推施工工藝、材料的參數(shù)、環(huán)境因素以及施工精度等的不同，鋼箱梁的局部受力狀態(tài)的分析也有著較大的差異，以后可展開(kāi)該方向相關(guān)的研究工作。目前也看到少量關(guān)于預(yù)應(yīng)力混凝土橋步履式頂推的案例，但實(shí)際效果還有待進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。

(3)現(xiàn)有研究文獻(xiàn)與工程案例中，關(guān)于步履式頂推施工控制，對(duì)所涉及的重要參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)性研究，提出多參數(shù)動(dòng)態(tài)容限控制，還未看到相關(guān)文獻(xiàn)資料及成果，是當(dāng)前施工控制的一個(gè)重要研究方向。