雙層鋼桁梁橋節(jié)點跟隨式步履頂推技術(shù)研究*

賀紅星，謝 衛(wèi)，鄧運生，袁 達，陳嚴良，田 浩，龔 政，董 義

(中建三局集團公司，湖北 武漢 430064)

0 引言

頂推施工在國內(nèi)已有40多年的發(fā)展歷史，經(jīng)過不斷完善和拓展，工藝技術(shù)逐漸成熟，施工方式也逐漸多樣化。發(fā)展初期常見的頂推方式為拖拉式，利用牽引裝置帶動千斤頂向前循環(huán)往復(fù)頂推施工。近些年，受法國米約橋楔進式頂推施工工藝的啟發(fā)，我國自主研發(fā)集頂升、頂進、橫向糾偏于一體的頂推設(shè)備，實現(xiàn)主梁順橋向、豎向、橫橋向移動，該工藝被稱為步履式頂推，指在橋臺背后布置預(yù)制場地，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)制梁體連接成整體，頂、推交替進行，將梁體向前頂進，直至橋梁頂推至預(yù)定位置[1]。

常見的拖拉式頂推和步履式頂推方法更適用于箱形或槽形橋梁。鋼桁梁由于自身特性，施工過程中的支撐點必須在節(jié)點位置。施工過程中校核及調(diào)整拖拉式頂推較困難，節(jié)點位置控制難度大、精確度低。步履式頂推在頂推過程中移動及預(yù)頂時，千斤頂位于非節(jié)點處，結(jié)構(gòu)存在變形風(fēng)險。如何保證鋼桁梁在頂推過程中受力點始終位于節(jié)點位置及有效調(diào)整偏差，是使鋼桁梁頂推能夠保質(zhì)保量完成的前提。節(jié)點跟隨式步履頂推技術(shù)可優(yōu)化常見頂推方式的不足，針對性地解決鋼桁梁頂推過程中存在的問題，保證鋼桁梁頂推施工質(zhì)量、安全、經(jīng)濟。

1 工程概況

贛州市蟠龍大橋是連接贛州市經(jīng)開區(qū)與蓉江新區(qū)之間的重要通道，主橋長396m，為三塔單索面連續(xù)鋼桁梁矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)形式，跨徑布置(54+63+108+108+63)m，采用鋼柱式索塔，拉索為單索面形式，主梁采用3道腹桿鋼桁架斷面，為雙層橋面設(shè)計，上層橋面為機動車道，下層橋面為行人和非機動車道。縱斷面為單向坡，坡度-0.5%，縱坡頂點位于P14墩頂。蟠龍大橋立面布置如圖1所示。

圖1 蟠龍大橋立面布置

主橋范圍橋梁總寬26.5m，上層橋面寬26.5m，下層橋面寬13.5m。主橋桁架結(jié)構(gòu)如圖2所示。鋼桁梁沿橋縱向分為44個節(jié)段，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間距為9m。主橋桁架采用2片三角桁，上弦桿中心線橫向間距為17.545m，下弦桿中心線橫向間距為15m，斜腹桿為空間桿件，斜腹桿在斷面上外傾15°，桁架理論高度為4.75m。

圖2 主橋桁架結(jié)構(gòu)示意

2 鋼桁梁總體施工工藝研究

綜合考慮橋位環(huán)境和施工經(jīng)濟性，設(shè)計推薦采用頂推法施工主橋鋼桁梁，擬在拼裝區(qū)組拼鋼桁梁和索塔后由小樁號向大樁號方向逐節(jié)頂推到位。頂推跨度組合為(36+45+5×54+36)m，在P11～P15號墩設(shè)置176m×40m的存梁和拼裝區(qū)，鋼梁前端設(shè)置29m長導(dǎo)梁，全橋頂推重約8 400t[2](見圖3)。

圖3 蟠龍大橋頂推跨度布置

頂推法是將橋梁設(shè)計成若干節(jié)段，在工廠內(nèi)制造完成，并利用車輛或船舶運抵現(xiàn)場裝配組拼，再使用多點頂推設(shè)備將組拼完成的梁體結(jié)構(gòu)逐節(jié)向前推移或拖拉的橋梁裝配化施工方法。目前廣泛應(yīng)用于水深、墩高和跨越既有線等情況的橋梁施工[3]。鋼桁梁頂推施工有別于常規(guī)鋼箱梁或槽梁連續(xù)頂推施工，由于鋼桁梁自身結(jié)構(gòu)特點，頂推支撐面必須在節(jié)點位置。目前國內(nèi)鋼桁梁頂推通常采用拖拉法和步履式頂推法。

2.1 拖拉式多點頂推法

拖拉式多點頂推法是利用千斤頂通過鋼絞線拖拉支撐，對鋼桁梁節(jié)點處的滑塊施加作用力，鋼桁梁在臨時墩滑道上滑移，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)在空間位置上的水平移動。

拖拉法工藝存在如下缺陷：①對支撐臨時墩產(chǎn)生的水平力大，啟動水平力可達到支撐反力的12%～15%[4]，導(dǎo)致臨時墩措施量較大；②鋼桁梁節(jié)點隨滑塊在滑道上前移，由于鋼桁梁剛度大，對位移量敏感，局部支點高度突變易損傷橋梁結(jié)構(gòu)，對滑道平整度和臨時墩沉降量控制要求極高；③拖拉設(shè)備集成度不高，無法實時調(diào)整鋼桁梁頂推過程的位姿，同步性較差；頂推到位后的橋梁精確調(diào)位效率低，線形適應(yīng)性較差，控制難度大[5]。

2.2 步履式頂推設(shè)備+滑塊頂推法

步履式頂推設(shè)備+滑塊頂推工藝原理是在臨時墩頂面設(shè)置滑道，步履式頂推設(shè)備固定于臨時墩兩端，鋼桁梁節(jié)點支撐于滑道滑塊上。步履式頂推設(shè)備起升頂在鋼桁梁下弦桿，加載至設(shè)定預(yù)頂力后，推進油缸向前推動，由于頂推設(shè)備與下弦桿間靜摩擦力大于節(jié)點位置滑道與滑塊摩擦力，故推動鋼桁梁前移[6]。該工藝與拖拉法相比較，墩頂水平力更小，同時頂推1個節(jié)間后，可通過頂推設(shè)備糾偏和調(diào)位鋼桁梁，技術(shù)上更具優(yōu)勢。

步履式頂推設(shè)備+滑塊頂推工藝本質(zhì)上是拖拉法的優(yōu)化，鋼桁梁頂推過程靠支撐滑塊在滑道上滑動前移，推進動力由拖拉式千斤頂提供變?yōu)椴铰氖巾斖圃O(shè)備。與拖拉法類似，同樣存在對滑道和沉降控制要求高的缺點，并無法實時糾偏，且頂推設(shè)備預(yù)頂在下弦桿非節(jié)點位置，存在一定的結(jié)構(gòu)變形風(fēng)險。

2.3 節(jié)點跟隨式步履頂推法

結(jié)合以上工藝特點，提出基于步履式頂推設(shè)備的鋼桁梁節(jié)點跟隨式步履頂推工藝。此工藝在下承式步履式頂推設(shè)備外部設(shè)置移動轉(zhuǎn)換柱，移動轉(zhuǎn)換柱支撐鋼桁梁節(jié)點，頂推設(shè)備頂升移動轉(zhuǎn)換柱與鋼桁梁節(jié)點步履式前移。設(shè)備回油時在移動轉(zhuǎn)換柱內(nèi)移動，跟隨前移。完成1個節(jié)間距頂推后，通過設(shè)置在前端的固定轉(zhuǎn)換柱轉(zhuǎn)換荷載，使移動轉(zhuǎn)換柱與鋼桁梁節(jié)點底部脫離，然后通過小型卷揚機將頂升設(shè)備與移動轉(zhuǎn)換柱一同回拉至下一節(jié)點，如此循環(huán)頂推，實現(xiàn)頂推設(shè)備隨鋼桁梁節(jié)點步履式行走。鋼桁梁節(jié)點跟隨式步履頂推如圖4所示。

圖4 鋼桁梁節(jié)點跟隨式步履頂推

由于步履式頂推設(shè)備基于自平衡原理，頂推過程中傳遞至臨時墩頂?shù)乃搅H為支撐反力的2%～3%[7]，臨時墩措施量少。同時，設(shè)備隨節(jié)點行走，可通過設(shè)備實時調(diào)整鋼桁梁姿態(tài)，實時糾偏頂推過程，確保鋼桁梁始終處于理想受力狀態(tài)。由于設(shè)備自身具有三向調(diào)整功能，臨時墩支撐縱梁無須設(shè)置高精度滑道，并可通過調(diào)整豎向支撐頂適應(yīng)一定的臨時墩沉降，對臨時墩要求較低，該工藝解決了鋼桁梁頂推面臨的問題。經(jīng)綜合比選，采用節(jié)點跟隨式步履頂推法施工主橋鋼桁梁。

3 關(guān)鍵工藝

節(jié)點跟隨式頂推系統(tǒng)由步履式頂推設(shè)備、移動轉(zhuǎn)換柱、固定轉(zhuǎn)換柱、小型卷揚機和搬運坦克車等部分組成，如圖5所示。

圖5 節(jié)點跟隨式頂推系統(tǒng)組成

頂推系統(tǒng)在臨時墩縱梁上頂推鋼桁梁并跟隨鋼桁梁節(jié)點行走1個節(jié)間，節(jié)點跟隨式頂推流程如圖6所示，具體工作流程如下。

圖6 節(jié)點跟隨式頂推流程

1)頂推設(shè)備處于起始狀態(tài)，鋼桁梁節(jié)點由前端固定轉(zhuǎn)換柱支撐。頂推設(shè)備頂升移動轉(zhuǎn)換柱和鋼桁梁，脫離固定轉(zhuǎn)換柱。頂推設(shè)備推動轉(zhuǎn)換柱和鋼桁梁向前移動1個行程，頂推過程中，根據(jù)控制系統(tǒng)反饋參數(shù)糾偏調(diào)整鋼桁梁。

2)設(shè)備豎向油缸回縮至移動轉(zhuǎn)換柱底面接觸支撐面，荷載從豎向油缸轉(zhuǎn)移至移動轉(zhuǎn)換柱，頂推設(shè)備支撐在臨時墩縱梁的搬運坦克車上。推進油缸回油，頂推設(shè)備下支撐座與搬運坦克車在臨時墩縱梁上滾動前移1個行程。

3)按照以上步驟，頂推設(shè)備在臨時墩縱梁上將鋼桁梁頂推前移1個節(jié)間。

4)鋼桁梁頂推至前端節(jié)點時，將鋼桁梁荷載由移動轉(zhuǎn)換柱轉(zhuǎn)換至固定轉(zhuǎn)換柱上。頂推設(shè)備與移動轉(zhuǎn)換柱一起支撐在搬運坦克車上，連接尾部小型卷揚機鋼絲繩，通過卷揚機將頂推設(shè)備和移動轉(zhuǎn)換柱回拉至尾部下一節(jié)點下方，設(shè)備頂升，固定轉(zhuǎn)換柱卸載，如此循環(huán)，完成全橋頂推。

該工藝由于在單個節(jié)間頂推過程中，設(shè)備相對橋梁位置不變，受力狀態(tài)穩(wěn)定，控制要點有所不同，關(guān)鍵控制點如下。

1)由于鋼桁梁剛度較大，頂推過程中以支點反力為控制指標(biāo)。單個節(jié)間頂推過程中始終由移動轉(zhuǎn)換柱支撐，無法進行轉(zhuǎn)換，所以在移動轉(zhuǎn)換柱和固定轉(zhuǎn)換柱進行荷載轉(zhuǎn)換時，需精確調(diào)整同斷面兩側(cè)支點反力，確保兩側(cè)反力相對偏差≤5%，與理論計算反力偏差≤10%。頂推過程中，如出現(xiàn)縱梁局部不平整或反力異?，F(xiàn)象，可通過移動轉(zhuǎn)換柱底部墊鋼板調(diào)整。

2)頂推過程中，可利用頂推設(shè)備實時糾偏鋼梁位姿，與常規(guī)鋼箱梁頂推糾偏不同，由于無法利用臨時支墩荷載轉(zhuǎn)換后進行設(shè)備糾偏油缸回程，糾偏最大行程取決于縱梁寬度，故臨時墩縱梁需比移動轉(zhuǎn)換柱寬200～300mm，可滿足頂推過程中鋼桁梁±100mm的糾偏行程。待鋼桁梁頂推至固定轉(zhuǎn)換柱位置時，即可進行大范圍糾偏和調(diào)位。通過上述方法，可確保鋼桁梁軸偏始終處于較理想狀態(tài)。

3)頂推設(shè)備空載前進和整體回退時，均由搬運坦克車支撐，行進過程中需實時微調(diào)搬運坦克車軸線，以保證設(shè)備梁底偏移量在允許范圍內(nèi)。

本工藝基于傳統(tǒng)步履式頂推設(shè)備，組合移動轉(zhuǎn)換柱工裝，實現(xiàn)鋼桁梁節(jié)點跟隨式步履頂推，既保留了步履式頂推工藝控制精度高、水平力小、可實時調(diào)位糾偏的優(yōu)點，又確保鋼桁梁頂推過程中節(jié)點始終受力。

4 頂推過程仿真分析

4.1 頂推工況組合

本工程采用大節(jié)段頂推工藝，在拼裝區(qū)每拼裝90m長鋼桁梁頂推1次，全橋分5次頂推到位。鋼桁梁頂推過程中的荷載主要有結(jié)構(gòu)自重、橋面施工機具荷載和風(fēng)荷載。

頂推過程中鋼桁梁支點位置不斷變化，受力狀態(tài)變化。不同頂推階段所受荷載差異很大，需驗算分析鋼桁梁強度、臨時結(jié)構(gòu)受力和桿件穩(wěn)定性。施工階段最不利受力工況為：①工況1(尾部最大懸臂狀態(tài)) 鋼桁梁頂推至尾部大懸臂狀態(tài)，尾部懸臂45m；②工況2(前端最大懸臂狀態(tài)) 鋼桁梁頂推至前端最大懸臂狀態(tài)，前端懸臂54m；③工況3(落梁狀態(tài)) 主梁頂推到位，進行多點同步落梁。

4.2 計算結(jié)果

應(yīng)用ANSYS有限元軟件模擬鋼桁梁頂推過程，主要鋼橋面板采用Shell181單元模擬，桁架、鋼塔及導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)采用Beam188單元模擬。模型各部分裝配采用共節(jié)點固結(jié)、節(jié)點耦合及接觸分析等方式模擬，荷載以節(jié)點力和線荷載方式進行加載[8]。各工況計算結(jié)果如表1和圖7，8所示。

表1 頂推過程各工況仿真分析結(jié)果

圖7 工況2桁架結(jié)構(gòu)綜合應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖8 工況2鋼桁梁豎向位移云圖(單位：mm)

在頂推過程中，可能存在支架不均勻沉降、鋼板超墊高差和頂推系統(tǒng)誤差等因素，鋼桁梁兩側(cè)存在相對高差，對頂推過程進行敏感性分析，考慮工況2的最大反力支點存在50mm高差影響，鋼桁梁最大應(yīng)力達203.9MPa，應(yīng)力峰值增大42.29%。支點反力增大至7 803kN，增加14.62%，本工程采用1 200t頂推設(shè)備，應(yīng)力值和反力值均在安全范圍內(nèi)。

當(dāng)頂推完1個節(jié)間轉(zhuǎn)換荷載時，由于轉(zhuǎn)換柱自身需要占用一定空間，且移動和固定轉(zhuǎn)換柱間存在一定間隙，故支點不是完全處于鋼桁梁節(jié)點正下方，存在一定偏移，支撐位置按存在50mm高差、偏移節(jié)點正下方1 000mm考慮，鋼桁梁最大應(yīng)力為217.9MPa，分析結(jié)果如圖9所示。

圖9 節(jié)點支撐偏移1 000mm時綜合應(yīng)力云圖(單位：MPa)

由分析結(jié)果可知，鋼桁梁頂推過程中最大向下位移量εmax=148.9mm，主梁結(jié)構(gòu)采用Q345qD鋼材，考慮兩側(cè)支點高差和支點縱向偏移節(jié)點等因素，鋼桁梁應(yīng)力峰值fmax=217.9MPa

5 實施效果

節(jié)點跟隨式步履頂推技術(shù)成功應(yīng)用于蟠龍大橋主橋鋼桁梁施工中，該技術(shù)確保了鋼桁梁節(jié)點支撐，并實現(xiàn)自平衡步履式頂推，水平力小，全過程精確可控可調(diào)，確保鋼桁梁頂推全過程處于理想受力狀態(tài)。施工難度及風(fēng)險大幅度降低，施工精度大幅度提升。該技術(shù)使臨時措施量較拖拉法施工減少10%，頂推過程鋼桁梁軸線偏差≤50mm，支點反力相對偏差≤5%，頂推施工效率達18m/d，保證主橋高品質(zhì)施工，創(chuàng)造良好效益。

6 結(jié)語

1)節(jié)點跟隨式步履頂推技術(shù)適用于鋼桁梁橋頂推施工，由于頂推水平力小，特別適用于高墩鋼桁梁橋架設(shè)。

2)考慮施工誤差與系統(tǒng)誤差對橋梁結(jié)構(gòu)受力的影響，本工藝頂推支點高度偏差宜≤50mm，施工過程按30mm進行控制，支點偏離節(jié)點宜≤1 000mm，施工過程按600mm控制。

3)頂推過程中應(yīng)設(shè)置明顯的橋軸線標(biāo)記，以實時糾偏鋼桁梁和調(diào)整姿態(tài)，偏差范圍宜≤50mm。

4)本工藝轉(zhuǎn)換流程較多，工藝較復(fù)雜，應(yīng)制定嚴格的操作人員培訓(xùn)上崗制度。