小半徑鋼-混組合梁步履式頂推施工技術(shù)應(yīng)用分析

鐘華 黨思雨 婁夢雷 譚家科

作者簡介：鐘?華（1983—），高級工程師，主要從事公路工程施工技術(shù)管理工作。

文章以小半徑大坡度鋼-混組合梁匝道橋步履式頂推施工為工程依托，根據(jù)施工條件對比分析各施工方案的適用性，對步履式頂推施工的工藝技術(shù)及難點進行分析，并通過Midas Civil有限元軟件對結(jié)構(gòu)進行計算，確認(rèn)方案的可行性。通過將數(shù)值結(jié)果與實測結(jié)果進行對比，驗證了數(shù)值建模的合理性與計算的準(zhǔn)確性，可為類似橋梁施工提供經(jīng)驗參考。

鋼-混組合梁；小半徑；步履式頂推；有限元計算

U445.462A401424

0?引言

近年來，隨著我國高速公路的蓬勃發(fā)展，高速公路延伸到了地勢情況更加復(fù)雜的區(qū)域，施工難度越來越大。在橋梁建設(shè)過程中，跨越江川、河流以及現(xiàn)有交通的情況越來越常見，在這些特殊的建設(shè)場地中，常常伴隨著施工場地受限、危險性大、影響現(xiàn)行交通等問題。采用頂推技術(shù)對橋梁技術(shù)進行施工將有效避免此類問題。

陳鵬等［1］對鋼箱梁的頂推施工過程進行數(shù)值模擬，研究結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變特性，預(yù)測了頂推過程中的變形和最大應(yīng)力，計算了關(guān)鍵部位的局部穩(wěn)定性。范曉震［2］對跨河大橋的步履式頂推施工工藝的控制要點進行探討，驗證了步履機加滑道的適用性，記錄了頂推過程中關(guān)鍵控制技術(shù)的應(yīng)用。吳磊等［3］對鋼箱連續(xù)梁橋頂推施工的施工工藝技術(shù)及關(guān)鍵問題進行了研究，對局部受力進行了分析，驗算了構(gòu)件的強度及穩(wěn)定性。范鵬等［4］對橋梁頂推結(jié)構(gòu)進行有限元建模，計算結(jié)構(gòu)受力特性以滿足規(guī)范要求，針對導(dǎo)梁的扭轉(zhuǎn)變形進行了加固。宋顯銳等［5］對頂推支架進行數(shù)值分析，研究臨時支架的受力及變形，結(jié)果表明，頂推時支架頂部與底部較為薄弱，應(yīng)對局部薄弱部位進行加強。

本文根據(jù)實際施工條件，對鋼-混組合梁架橋施工方案進行比選分析，并對步履式頂推施工技術(shù)進行說明以及對結(jié)構(gòu)進行有限元計算，以闡述步履式頂推施工的技術(shù)應(yīng)用。

1?工程概況及方案比選分析

1.1?工程概況

龍勝-峒中口岸公路龍勝芙蓉至縣城段雙洞互通C匝道橋第三聯(lián)為4×40.879 m鋼混組合梁，擬采用步履式頂推的方法進行施工。主梁采用“槽型鋼箱梁+混凝土橋面板”的組合結(jié)構(gòu)，斷面采用雙主梁結(jié)構(gòu)?？偭焊?.25 m，高跨比約為1/17.8，混凝土橋面板寬9 m，主梁縱向節(jié)段5個。橋梁立面圖見圖1。

施工條件及施工難點：

（1）C匝道鋼混組合梁橋跨位于橋中，且上跨和平河，最大墩高約為35 m。

（2）轉(zhuǎn)彎半徑僅為150 m的彎道橋施工，橫坡為6%。

（3）C匝道橋貫穿項目的小構(gòu)廠，緊鄰隧道、鋼筋加工場，且施工便道下穿C匝道橋。

1.2?方案比選分析

根據(jù)現(xiàn)場施工條件，對各橋梁施工方案進行比選分析，對比吊裝法、架橋機施工法、拖拉頂推施工法以及步履式頂推施工法的現(xiàn)場施工適用情況。比選分析如表1所示。由表1分析可知，在橋墩過高、施工場地受限且彎道半徑較小的施工條件下，同時能兼顧經(jīng)濟性與安全性的施工方案為步履式頂推施工。

2?頂推施工準(zhǔn)備[HJ1.1mm]

2.1?頂推原理及設(shè)備

利用步履式頂推設(shè)備機械系統(tǒng)“頂”“推”“降”“縮”的4個步驟交替進行，先將組合梁整體頂升托起；然后頂推油缸向前推送一個行程；再將鋼組合梁整體下降落于頂升油缸上；頂推油缸再縮缸到底；完成一個行程的頂推；繼續(xù)進行下一個循環(huán)，通過往復(fù)頂推步驟，最終將鋼組合梁頂推到設(shè)計位置。頂推設(shè)備立面圖見圖2。

圖2?頂推設(shè)備立面圖

本項目采用的是TJJ-3200型步履式頂推器，頂推油缸推力為60 t，行程為1 000 mm，頂升油缸頂升力為320 t，行程為250 mm。同時配備了液壓泵源系統(tǒng)和同步控制系統(tǒng)。

同步控制系統(tǒng)主要作用：

（1）通過計算機網(wǎng)絡(luò)集中、精準(zhǔn)、高效地對各個頂推器進行控制，確保各頂推點的同步進行。

（2）通過傳感器接收各個支墩的支撐反力，監(jiān)控支撐反力的變化，防止支撐反力過大產(chǎn)生安全隱患。

頂推具體步驟如下：

第一步：設(shè)備安裝就位，構(gòu)件由置換支墩支承；

第二步：頂推油缸伸缸，構(gòu)件向前推移一個行程；

第三步：頂升油缸伸缸頂起，結(jié)構(gòu)自重轉(zhuǎn)移至頂升油缸；

第四步：頂推油缸縮缸，置換支墩拉回至起始位置；

第五步：頂升油缸縮缸，千斤頂回落，一個行程結(jié)束。

通過調(diào)節(jié)左右頂推油缸的速度，彎道外側(cè)速度高于彎道內(nèi)側(cè)，使內(nèi)外半徑始終保持在彎道橋的同一法線上。在頂推過程中時刻監(jiān)測橫向偏位，出現(xiàn)過大偏位時，立即停止縱向頂推，啟用糾偏油缸進行糾偏，使橋梁中線與橋墩中線相對應(yīng)。

2.2?導(dǎo)梁安裝

導(dǎo)梁的作用：

（1）通過設(shè)置高強度、低重量的導(dǎo)梁，防止在頂推過程中橋梁發(fā)生傾覆。

（2）通過設(shè)置變截面的導(dǎo)梁，防止橋梁懸挑產(chǎn)生下?lián)显斐蓸蛄呵岸松隙崭叨炔粔?，可在?dǎo)梁的輔助下銜接上墩。

導(dǎo)梁長度宜取最大懸臂長度的0.6～0.8倍，且應(yīng)保證抗傾覆力矩為傾覆力矩的兩倍以上。依據(jù)上述分析，本案導(dǎo)梁最短長度約24 m，分兩段以直代曲，以更好地在彎道頂推中起到輔助作用。導(dǎo)梁與主梁之間采用熔透對接焊縫進行連接，保證頂推過程中整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.3?臨時支架

2.3.1?拼裝臨時支架

由于組合梁橋墩高達(dá)35 m，組合梁階段拼裝需在臨時支架上進行。臨時支架立柱采用426 mm×8 mm圓管，支撐采用140×4圓管，柱頂設(shè)置HN400×200熱軋H型鋼分配梁，每節(jié)立柱之間采用法蘭盤連接。支架基礎(chǔ)為條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)施工時在混凝土頂部預(yù)埋16 mm鋼板，立柱鋼管與鋼板之間通過焊接連接。臨時支架立面及結(jié)構(gòu)見下頁圖4～5。

2.3.2?頂推臨時支架

頂推臨時支架設(shè)置在蓋梁上，首先在蓋梁上打孔，然后采用混凝土將支架頂推位置調(diào)平，并在混凝土頂部預(yù)埋1.6 cm鋼板，鋼板與蓋梁混凝土之間采用膨脹螺栓連接，接著在鋼板上設(shè)置600×14鋼管支撐立柱，在立柱上設(shè)置HN800×300×14×26H型鋼橫梁，在橫梁上設(shè)置雙拼HM588×300×12×20H型鋼縱梁，在H型鋼上安裝步履式頂推設(shè)備。在頂推設(shè)備上設(shè)置HW400×400×13×21型鋼橫梁，左右箱體橫坡采用墊塊調(diào)平，整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2.4?頂推施工監(jiān)控布置

由于鋼箱梁采用頂推施工法，每個節(jié)點坐標(biāo)位置的變化與偏離都會影響最終成橋線形。為保證橋梁線形符合設(shè)計要求，必須在箱梁頂推施工過程中進行線形監(jiān)測。線形監(jiān)測主要內(nèi)容包括：

（1）箱梁標(biāo)高監(jiān)測及軸線偏位監(jiān)測；

（2）導(dǎo)梁標(biāo)高監(jiān)測及軸線偏位監(jiān)測；

（3）橋墩變形監(jiān)測；

（4）成橋線形測量。

3?頂推過程

3.1?頂推施工過程

鋼-混組合梁施工準(zhǔn)備階段完成后，具體頂推流程如下：

第一步：搭設(shè)拼裝平臺支架，在蓋梁頂安裝步履式頂推設(shè)備；在拼裝支架上完成24 m導(dǎo)梁及4節(jié)鋼組合梁的拼裝。

第二步：調(diào)試完畢后將拼裝完成的結(jié)構(gòu)整體頂推20 m。在推進過程中，注意梁體與臨時支撐的間距，確保梁體落在臨時支撐的中點。

第三步：在支架上拼裝后續(xù)2個節(jié)段的箱體。

第四步：重復(fù)第二、第三步直至所有箱體拼裝完成。

第五步：所有箱體拼裝完成后，繼續(xù)頂推，直至鋼混組合梁到達(dá)設(shè)計位置。

為實現(xiàn)彎道頂推過程中梁體的線型準(zhǔn)確，避免梁體橫向位移過大，對內(nèi)外半徑的頂推速度差進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)橋梁左右兩側(cè)均在彎道半徑的同一法線上，外半徑的頂推速度為0.2 cm/min，內(nèi)半徑的頂推速度為0.188 cm/min。

3.2?落梁體系轉(zhuǎn)換

頂推完成后，進行結(jié)構(gòu)落梁卸載工序，落梁步驟如下：

（1）鋼混組合梁頂推到位后，步履設(shè)備頂升，在原設(shè)計橋墩上放置墊塊，步履頂推設(shè)備縮缸落位，將結(jié)構(gòu)荷載轉(zhuǎn)移至臨時墊塊上。

（2）拆除步履頂推設(shè)備，布置卸載頂升油缸和墊塊，升缸250 mm，將結(jié)構(gòu)荷載轉(zhuǎn)移至頂升油缸上，抽掉一塊臨時墊塊。

（3）縮缸，將結(jié)構(gòu)荷載轉(zhuǎn)移至臨時墊塊上，拆除頂升油缸下方墊塊，再次升缸，將結(jié)構(gòu)荷載置換至頂升油缸上，抽掉一塊臨時墊塊；重復(fù)上述流程。

（4）落梁高度至1 m左右，放置永久支座，并將步履頂推設(shè)備放置在鋼組合梁橫聯(lián)位置，確保拆除步履頂推設(shè)備時，有足夠的操作空間，繼續(xù)落梁施工。

（5）在落梁高度剩余50 cm時，啟用頂推設(shè)備的糾偏油缸，對橋梁進行橫向糾偏。糾偏結(jié)束后，利用頂升油缸將組合梁升起2 cm，拆除臨時支撐墊塊，頂升油缸回縮，將組合梁下放到永久支座上，設(shè)置梁體和永久支座之間的連接，完成落梁及體系轉(zhuǎn)換工序。見圖7。

落梁時，一共有五個落點，由于路線縱坡為2.44%，遵循先高后低的順序，在落梁施工時，先落高的11#、10#、9#墩，再落低的8#、7#墩，交替進行。縱坡示意圖見圖8。

3.3?鋼-混組合梁頂推施工有限元計算

以實際橋梁施工為參考依據(jù)，通過Midas Civil軟件對鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)進行數(shù)值建模，對匝道橋4×40.879 m跨進行結(jié)構(gòu)計算，以驗證結(jié)構(gòu)在頂推工況下受自重作用的安全性及穩(wěn)定性。數(shù)值模型見圖9。

3.3.2?計算結(jié)果

3.3.2.1?數(shù)值結(jié)果與實際工程對比

取各階段工況下前導(dǎo)梁的數(shù)值計算最大撓度與相同工況下實際頂推施工的撓度值進行對比，見圖10。

由圖10對比分析可知，各工況下的數(shù)值計算結(jié)果與實際施工的數(shù)值計算結(jié)果變化趨勢基本一致，實際工程施工產(chǎn)生的撓度值均高于數(shù)值計算撓度。

在工況二前部最大懸臂時與工況六主箱最大懸臂撓度出現(xiàn)峰值，數(shù)值計算撓度峰值分別為245.3 mm、269.1 mm，實際工程施工撓度峰值分別為261 mm、285.5 mm，對比數(shù)值計算與實際工程的撓度值誤差分別為6%、8.3%。二者對比結(jié)果誤差均＜10%，較為吻合，驗證了數(shù)值模擬建模的合理性與計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.3.2.2?結(jié)構(gòu)驗算

經(jīng)過計算，頂推最大反力為762 kN，配置320 t步履千斤頂，可滿足要求。頂推導(dǎo)梁強度在工況二下的最大組合應(yīng)力和剪應(yīng)力分別為52.99 MPa和4.17 MPa，箱梁強度在工況二下的最大組合應(yīng)力和剪應(yīng)力分別為102.6 MPa和2.9 MPa，符合組合應(yīng)力容許值215 MPa和剪應(yīng)力容許值125 MPa。頂推剛度在工況四下的導(dǎo)梁最大撓度為261.9 mm，縱移時高程預(yù)抬150 mm，滿足上墩要求。

由計算可知橋梁最大重量為530.9 t，橋梁總長為163.354 m?？傻娩摶旖M合梁單位重量為3.25 t/m，則此時頂推結(jié)構(gòu)的抗傾覆力矩為：

W抗=3.25×40.995×40.9952=2 730.96 kN·m

傾覆力矩為：

W傾=3.25×16×162+29×（16+242）=1 228 kN·m

此結(jié)構(gòu)的抗傾覆系數(shù)為W抗/W傾=2.22，＞1.5，滿足規(guī)范要求。

4?結(jié)語

本文以鋼-混組合梁步履式頂推法施工為工程背景，得到了以下研究結(jié)論：

（1）根據(jù)現(xiàn)場實際施工條件及難點，對各施工方案的優(yōu)缺點進行了比選分析，確定了步履式頂推法施工的最優(yōu)適用性。

（2）對步履式頂推施工的工藝技術(shù)進行了總結(jié)，并指出了彎道頂推施工的控制要點。

（3）通過Midas Civil軟件對頂推過程結(jié)構(gòu)進行計算，驗算結(jié)果滿足規(guī)范；將數(shù)值結(jié)果與實測結(jié)果進行對比，二者較為吻合，驗證了建模的合理性和準(zhǔn)確性。

本文中關(guān)于步履式頂推施工的方案選擇、工藝、技術(shù)關(guān)鍵及計算內(nèi)容，可為類似的工程施工提供一定的經(jīng)驗參考。

參考文獻(xiàn)

［1］陳?鵬，劉?月，李?璇，等.鋼箱梁步履式頂推施工力學(xué)行為分析［J］.國防交通工程與技術(shù)，2023，21（6）：35-39，68.

［2］范曉震.跨河大橋鋼桁梁步履式頂推施工控制探討［J］.中國水運，2023（11）：146-148.

［3］吳?磊，楊建鋒.曲線鋼箱連續(xù)梁橋頂推施工技術(shù)［J］.公路，2023，68（11）：153-158.

［4］范?鵬，李志成.鋼箱梁頂推施工中導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)受力分析［J］.科技資訊，2023，21（22）：125-128.

［5］宋顯銳，魏瑩瑩，方磊磊，等.大跨鋼箱梁橋頂推臨時支架結(jié)構(gòu)受力分析［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2023，39（5）：17-24.