步履式頂推施工關(guān)鍵技術(shù)及在連續(xù)鋼箱梁橋項(xiàng)目中應(yīng)用

羅盛榮

(岳鴻建設(shè)發(fā)展有限公司，福建 漳州高新區(qū) 363118)

1 建立施工模型

某橋梁項(xiàng)目的主體結(jié)構(gòu)需要橫跨高速公路，最大的跨度達(dá)到了65 m，梁底距離地面的高度為7.5 m，且整個(gè)施工過程不能影響高速公路的正常運(yùn)行。如果采用傳統(tǒng)的施工方式，工人需要在橋墩附近安裝臨時(shí)支撐裝置，并使用大型施工設(shè)備對梁體進(jìn)行吊裝、運(yùn)輸?shù)炔僮?。但由于該?xiàng)目緊鄰高速公路，施工現(xiàn)場不具備布置臨時(shí)支撐裝置的條件，因此考慮采用步履式頂推法進(jìn)行施工。

通過現(xiàn)場勘查，施工人員決定在橋梁左幅65 m+40 m+38.3 m的3跨處使用步履式頂推法施工，同時(shí)在左幅46.5 m+38.3 m處搭建貝雷塔用于橋體拼接，剩余鋼箱梁部件采用吊裝方式安裝。由于橋梁主體為五跨結(jié)構(gòu)，按照“步履式頂推+吊裝”施工方式，五跨結(jié)構(gòu)變?yōu)槿缃Y(jié)構(gòu)，梁體結(jié)構(gòu)受力發(fā)生明顯變化，為了確保施工活動(dòng)能夠安全進(jìn)行，需要對梁體受力情況進(jìn)行評估。工作人員運(yùn)用midas Civil軟件，針對頂推結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析。分別對三跨以及五跨模型施加自重荷載，并觀察兩個(gè)模型的應(yīng)力變化情況。通過觀察可知，三跨以及五跨模型受到自重荷載力的影響，出現(xiàn)了相同的變形，呈現(xiàn)出“臨跨上拱、邊跨下?lián)稀钡奶攸c(diǎn)，并在最大撓度均出現(xiàn)了65 m跨中區(qū)域。同時(shí)，對三跨結(jié)構(gòu)以及五跨結(jié)構(gòu)的應(yīng)力均值進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，二者的應(yīng)力均值保持在較低水平，前者的拉應(yīng)力極值為40.5 MPa，最大壓應(yīng)力為-44.5 MPa；后者拉應(yīng)力極值為28.6 MPa，最大壓應(yīng)力為34.5 MPa，均符合橋梁結(jié)構(gòu)安全要求，由此可以判斷，該施工方案符合橋梁施工安全需求，其變形差異可控。

2 滾動(dòng)摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn)

2.1 滾動(dòng)摩擦原理

實(shí)際施工過程中，頂推三向千斤頂需要承受梁體重量，滾動(dòng)小車的滾輪在千斤頂?shù)淖饔孟逻\(yùn)動(dòng)，這一過程中會(huì)與不同的部件發(fā)生摩擦，為了確保滾輪能夠穩(wěn)定工作需要對由于摩擦而產(chǎn)生的變形進(jìn)行深入分析。兩個(gè)物體相互接觸時(shí)，物體之間會(huì)產(chǎn)生滾動(dòng)或者滾動(dòng)趨勢，這種情況下，物體接觸面會(huì)發(fā)生不對稱變形，并影響物體之間的滾動(dòng)作用，這種摩擦即滾動(dòng)摩擦(如圖1所示)。

圖1 圓柱滾動(dòng)過程示意圖

圖1中，為水平推力，為法向壓力，表示地面對于圓柱的支撐力，為滾動(dòng)摩擦因數(shù)。其中圓柱中心的牽引力對接觸點(diǎn)的力矩·即推動(dòng)圓柱運(yùn)動(dòng)的力矩，而地面對于圓柱支撐點(diǎn)的力矩·則為阻止圓柱滾動(dòng)的摩擦力矩，即

·=·

(1)

(2)

本次施工中使用的頂推設(shè)備，其滾動(dòng)小車借助鏈片成為一個(gè)整體，受到頂推力的作用后滾動(dòng)小車開始運(yùn)行(如圖2所示)。

圖2 滾輪在平面滾動(dòng)示意圖

將滾輪與滾道板之間壓力的合力、合力臂設(shè)為，，將滾輪與軌道板之間的壓力合力、合力臂設(shè)為，，滾輪在滾動(dòng)時(shí)受到力矩(·)以及摩擦力矩(·)的阻礙，通過接觸點(diǎn)將法向荷載傳遞至滾輪，假設(shè)滾輪的直徑為，牽引力與接觸點(diǎn)的力矩·即推動(dòng)滾輪前進(jìn)的力矩，當(dāng)增加，需要滿足

·=·=·

(3)

由于==，則公式(3)可以變?yōu)?/p>

=(+)·

(4)

因此，摩擦因數(shù)δ的計(jì)算公式為

(5)

2.2 摩擦因數(shù)計(jì)算

實(shí)際施工中，滾動(dòng)摩擦因數(shù)的使用較為繁瑣，在計(jì)算時(shí)經(jīng)常忽略摩擦力矩，基于庫倫摩擦定律，摩擦力與法向力的比值即摩擦系數(shù)，因此通過類比計(jì)算，可以將滾動(dòng)小車受到的水平方向的推力視為滾動(dòng)摩擦力，該數(shù)值與接觸面法向壓力比值即滾動(dòng)摩擦系數(shù)()。

(6)

將滾輪的半徑設(shè)為，長度為，如果滾輪受到線荷載時(shí)，與中心線距離為的區(qū)域壓力計(jì)算公式為

(7)

滾輪與軌道接觸面半徑寬度()的計(jì)算公式為

(8)

滾輪在軌道上進(jìn)行水平移動(dòng)時(shí)，可以利用公式(7)計(jì)算其豎向應(yīng)力分布，當(dāng)接觸區(qū)域前端距離中心處受到壓力，則會(huì)產(chǎn)生阻力矩，如果此時(shí)不考慮接觸區(qū)域由于變形恢復(fù)而產(chǎn)生的力矩，則可以得到接觸區(qū)域總阻力矩計(jì)算公式

(9)

將公式(9)代入公式(7)中，可以得到

(10)

如果假設(shè)滾輪滾過的距離為△，則滾輪壓縮變形做功為

(11)

實(shí)際運(yùn)行中，材料受到彈性滯后的影響會(huì)產(chǎn)生損耗，將彈性損失系數(shù)設(shè)定為ξ，同時(shí)將滾動(dòng)摩擦阻力設(shè)定為，則得到公式

(12)

則滾動(dòng)摩擦系數(shù)(μ)計(jì)算公式為

(13)

分析公式(13)可以發(fā)現(xiàn)，μ的數(shù)值與荷載大小、滾輪的滾動(dòng)尺寸以及彈性模量密切相關(guān)，以此為基準(zhǔn)計(jì)算滑動(dòng)小車滾動(dòng)系數(shù)。

3 步履式頂推施工過程及變形分析

3.1 施工流程

根據(jù)創(chuàng)建的計(jì)算機(jī)模型，結(jié)合摩擦系數(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)，施工現(xiàn)場附近的預(yù)制加工廠負(fù)責(zé)生產(chǎn)鋼箱梁，并利用專業(yè)運(yùn)輸設(shè)備將鋼箱梁結(jié)構(gòu)運(yùn)輸施工地點(diǎn)，采用吊裝的方式在拼接平臺(tái)上完整鋼箱梁的焊接與組裝工作，并逐段進(jìn)行頂推。在適應(yīng)步履式頂推技術(shù)時(shí)，要根據(jù)頂推點(diǎn)變化情況以及鋼箱梁拼接具體參數(shù)要求，對能夠反映頂推結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)的主要施工環(huán)節(jié)進(jìn)行重點(diǎn)把控，主要包括。

(1)架設(shè)1～2段導(dǎo)梁，并利用三向千斤頂對導(dǎo)梁進(jìn)行頂升，利用頂推設(shè)備將鋼箱梁沿著橋梁縱向頂推16 m，待鋼箱梁移動(dòng)至指定位置，對1～2段導(dǎo)梁進(jìn)行落梁。(2)按照上述流程進(jìn)行1～3段導(dǎo)梁的吊裝以及頂推工作。(3)針對1～4段導(dǎo)梁，在頂推時(shí)要將其頂推的距離控制在16.5 m，其余安裝參數(shù)與上述步驟保持一致。(4)架設(shè)第五段鋼箱梁時(shí)，取消之前布置的滾動(dòng)點(diǎn)，并將其頂推的距離控制在11.6 m，確保導(dǎo)梁有最大懸臂，但是并未上墩。(5)重復(fù)上述頂推步驟，直至1～9號導(dǎo)梁頂推工作結(jié)束，拆除全部導(dǎo)梁。

3.2 豎向變形分析

進(jìn)行頂推作業(yè)時(shí)，不同的結(jié)構(gòu)部位在頂推影響下，其發(fā)生的變形會(huì)存在顯著差異，尤其是導(dǎo)梁最前端的變形會(huì)十分明顯，如果變形過大會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)梁上墩困難，影響橋梁整體質(zhì)量以及施工進(jìn)度。特別是本項(xiàng)目在65 m跨附近需要橫穿高速公路上方，如果頂推結(jié)構(gòu)變形過大，會(huì)影響下方車輛的正常運(yùn)行，帶來嚴(yán)重的安全隱患。針對此類問題，施工人員需要對頂推結(jié)構(gòu)變形問題給予高度關(guān)注，利用包絡(luò)分析技術(shù)對頂推變形進(jìn)行分析。

利用計(jì)算機(jī)軟件模擬頂推結(jié)構(gòu)變形情況，發(fā)現(xiàn)其最大上拱部位以及最大下?lián)喜课痪挥趯?dǎo)梁前端，上拱達(dá)到90.50 mm，下?lián)线_(dá)到470.38 mm。鋼箱梁的最大上拱以及最大下?lián)习l(fā)生在尾部，因此需要對鋼箱梁尾部以及導(dǎo)梁前端進(jìn)行重點(diǎn)處理。實(shí)際施工中，需要將頂推裝置整體抬升約1.5 m，確保導(dǎo)梁前端下?lián)献畲筇幉粫?huì)觸碰貝雷架以及橋墩。

3.3 墩頂支反力分析

本次橋梁施工中，工作人員將頂推設(shè)備安裝子啊橋梁主墩上，在5墩與6墩之間布置臨時(shí)支撐裝置，正式開始頂推工作之后，鋼箱梁于支墩的接觸點(diǎn)(支撐點(diǎn))位置以及數(shù)量發(fā)生改變，共分為四種，每一種頂推支點(diǎn)的反力不同，支反力的大小與頂推裝置內(nèi)部摩擦系數(shù)相關(guān)，對于計(jì)算頂推力有著直接影響(詳見表1)。

表1 多點(diǎn)頂推支反力與自重荷載關(guān)系

本項(xiàng)目使用多點(diǎn)連續(xù)式步履頂推模式，將頂推設(shè)備分布在每一個(gè)橋墩上，使用三向千斤頂提供頂推力，通過這種方式克服鋼箱梁自重荷載摩擦阻力。想要實(shí)現(xiàn)連續(xù)頂推作業(yè)，其水平應(yīng)力需要滿足以下條件

(14)

式中:變量表示安裝在橋墩上的頂推設(shè)備所能夠產(chǎn)生的水平推力，為橋墩瞬時(shí)支反力，表示頂推設(shè)備內(nèi)部摩擦系數(shù)，表示鋼箱梁底部線性系數(shù)，該公式中的“+”表示頂推方向?yàn)樯掀?，?”表示頂推方向?yàn)橄缕隆?/p>

伴隨著頂推不斷進(jìn)行，節(jié)段自重荷載不斷增加，橋墩支反力也隨之增加，若滾動(dòng)摩擦力大于水平推力，則梁體無法移動(dòng)。與單點(diǎn)頂推相比，多點(diǎn)頂推能夠?qū)蚨罩Х戳M(jìn)行分散，減少摩擦阻力，但是對于頂推設(shè)備的同步水平有著很高的要求，本工程中使用的頂推要經(jīng)歷上坡與下坡，因此在計(jì)算頂推力時(shí)要對鋼箱梁底部線性變化進(jìn)行校正。

本項(xiàng)目中頂推施工是沿著橋梁縱向方向，由5橋墩向9橋墩進(jìn)行頂推，不考慮其他因素，將橋墩支反力平均分散到安裝在橋墩上的兩臺(tái)頂推裝置上，只需要確保單臺(tái)頂推裝置產(chǎn)生的最大頂推力高于摩擦阻力。本項(xiàng)目中使用的步履式頂推技術(shù)，能夠在提供很小的頂推力的情況下，推動(dòng)鋼箱梁前進(jìn)。需要注意的是，由于鋼箱梁存在精度誤差，且頂推施工可能出現(xiàn)橫向偏移，為了確保鋼箱梁不會(huì)與橋墩、支撐架發(fā)生碰撞，需要使用50 t三向千斤頂進(jìn)行頂推作業(yè)，確保頂推施工能夠順利進(jìn)行。

4 結(jié) 語

采用步履式頂推技術(shù)開展橋梁施工作業(yè)，能夠顯著提升橋梁施工自動(dòng)化水平。由于頂推設(shè)備被安裝在橋墩上，因此可以不依賴臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對于鋼箱梁的吊裝以及運(yùn)輸。實(shí)際施工中，相關(guān)工作人員使用midas Civil軟件對橋梁項(xiàng)目進(jìn)行建模，觀察導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化情況以及可能產(chǎn)生的形變，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，分析四種不同頂推情況下支墩的支反力，通過這種方式對于頂推力進(jìn)行精確控制，確保橋梁施工能夠順利進(jìn)行。