高速鐵路曲線連續(xù)梁橋頂推施工關(guān)鍵技術(shù)研究

張 勇，馬宏亮

(1．中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081;2．濟(jì)南鐵路局 建設(shè)管理處，山東 濟(jì)南 250001;3．中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

高速鐵路曲線連續(xù)梁橋頂推施工關(guān)鍵技術(shù)研究

張 勇1，2，馬宏亮3

(1．中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081;2．濟(jì)南鐵路局 建設(shè)管理處，山東 濟(jì)南 250001;3．中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

通過(guò)分析橋梁頂推施工發(fā)展概況及現(xiàn)狀，針對(duì)青(島)榮(城)城際鐵路101.2 m曲線預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，在頂推施工中存在頂推力對(duì)梁體混凝土的應(yīng)力影響較大，對(duì)臨時(shí)墩及水平連接的要求高，頂推過(guò)程中走行糾偏難度大，千斤頂泵站建立及中控系統(tǒng)復(fù)雜、防止梁體混凝土開(kāi)裂難度大等問(wèn)題，研究提出了大噸位梁體步履式多點(diǎn)頂推方法、采用加強(qiáng)貝雷片做導(dǎo)梁和臨時(shí)結(jié)構(gòu)、大噸位梁體曲線走行技術(shù)，以及頂推液壓操作系統(tǒng)中控同步技術(shù)。

高速鐵路 曲線 連續(xù)梁橋 頂推

1 頂推施工發(fā)展概況和研究現(xiàn)狀

1.1 頂推施工發(fā)展概況

頂推法施工的構(gòu)思來(lái)自于早期鋼橋的拖拉法、導(dǎo)梁拖拉法、縱向連接拖拉法等，適用于中等跨徑、等截面的直線或曲線橋梁。頂推法是二戰(zhàn)時(shí)期出現(xiàn)的一種橋梁施工方法，在20世紀(jì)60年代被應(yīng)用于混凝土橋梁的建設(shè)，并逐漸得到推廣應(yīng)用。頂推相比其他施工方法而言獨(dú)具如下優(yōu)點(diǎn):將主要施工操作集中在施工平臺(tái)完成，占地面積小，不影響橋下交通，對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生的影響較小。此外，采用頂推法還能縮短施工工期、節(jié)約建設(shè)費(fèi)用。

1.2 大噸位曲線預(yù)應(yīng)力混凝土梁頂推施工技術(shù)現(xiàn)狀以及存在的問(wèn)題

截至目前大噸位曲線橋梁頂推施工實(shí)踐較少，國(guó)外有2004年竣工通車(chē)的法國(guó)米約大橋(鋼箱梁);國(guó)內(nèi)有1990年建成的山西平順縣曲線橋，在國(guó)內(nèi)首次成功采用了曲線頂推施工。

目前雖然在混凝土橋的頂推施工方面，已經(jīng)總結(jié)出了相對(duì)比較完善的施工體系和施工工藝，但是尚缺乏在高速鐵路上進(jìn)行大噸位曲線預(yù)應(yīng)力混凝土梁頂推施工的關(guān)鍵技術(shù)。

在大噸位曲線預(yù)應(yīng)力混凝土梁頂推施工中，存在以下難點(diǎn):

1)導(dǎo)梁設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，導(dǎo)梁長(zhǎng)度、重量、剛度將影響頂推過(guò)程中各墩的支反力及水平頂推力，對(duì)梁體混凝土的應(yīng)力應(yīng)變情況影響較大。

2)頂推過(guò)程中主梁經(jīng)過(guò)臨時(shí)墩、普通墩、鋼橫梁時(shí)控制相鄰墩位沉降量難度很大，對(duì)臨時(shí)墩及水平連接的設(shè)計(jì)要求高。

3)連續(xù)梁體在圓曲線上頂推，頂推過(guò)程中走行糾偏難度大。

4)頂推過(guò)程中水平千斤頂要求同步，水平千斤頂行程更換時(shí)豎向千斤頂要求同步將梁頂起，否則會(huì)造成梁體局部應(yīng)力過(guò)大使梁體破壞，千斤頂泵站建立及中控系統(tǒng)建立比較復(fù)雜。

5)頂推過(guò)程中需防止梁體任何部位出現(xiàn)拉應(yīng)力，防止梁體混凝土開(kāi)裂。

2 101.2 m曲線預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁頂推施工關(guān)鍵技術(shù)研究

連續(xù)梁位于青(島)榮(城)城際鐵路一高架橋上。該橋設(shè)計(jì)全長(zhǎng)2 972.72 m，為雙線客運(yùn)專(zhuān)線橋梁，全橋孔跨布置順序?yàn)?3×32 m+1×24 m簡(jiǎn)支梁 +5×20 m連續(xù)梁 +1×24 m+43×32 m簡(jiǎn)支梁，共計(jì)93跨。上跨部分在藍(lán)煙鐵路特大橋44#墩～49#墩之間，采用5×20 m混凝土連續(xù)梁斜交跨越既有藍(lán)煙鐵路線(如圖1所示)。連續(xù)梁位于R=5 500 m的圓曲線上，橋位縱坡－0.93%，連續(xù)梁布置為(20.05+20+20+20+20.05)m，支座中心線至梁端0.55 m，連續(xù)梁橋全長(zhǎng)101.2 m，全梁橋采用等高截面，梁高2.0 m，截面采用單箱單室斜腹板形式，連續(xù)梁混凝土方量933 m3，質(zhì)量約2 500 t。

圖1 連續(xù)梁頂推設(shè)計(jì)位置示意

以往跨線施工多以懸灌(拼)和轉(zhuǎn)體方法居多，即便是頂推也多采用鋼梁集中拖拉或混凝土梁分段澆筑分段頂推。此次5×20 m連續(xù)箱梁的頂推施工，若采用集中拖拉對(duì)既有線影響很大，可能會(huì)影響到行車(chē)安全;采用逐段現(xiàn)澆逐段頂推的方法，又無(wú)法滿(mǎn)足工期要求，作為青榮城際鐵路的重要節(jié)點(diǎn)工程將會(huì)影響到后續(xù)鋪軌架梁的工期，亦即，傳統(tǒng)的兩種方法通過(guò)分析均無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)需要。通過(guò)方案比選采用旁位整體預(yù)制，一次性步履式多點(diǎn)頂推就位的施工方法，并對(duì)頂推施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，確保頂推施工后的橋梁標(biāo)高、線位等參數(shù)滿(mǎn)足高速鐵路相關(guān)要求。

2.1 拼裝式導(dǎo)梁設(shè)計(jì)

導(dǎo)梁剛度影響頂推過(guò)程中各墩的支反力及水平頂推力，對(duì)梁體混凝土的受力影響較大。一般頂推施工采用導(dǎo)梁為鋼箱導(dǎo)梁或者桁架導(dǎo)梁，鋼箱導(dǎo)梁不僅造價(jià)高而且笨重，桁架導(dǎo)梁雖輕巧，但是導(dǎo)梁均為一次性投入，鋼材浪費(fèi)嚴(yán)重。針對(duì)導(dǎo)梁均為一次性投入、造價(jià)高、浪費(fèi)材料等弊病，進(jìn)行分析論證、現(xiàn)場(chǎng)勘查及軟件模擬試驗(yàn)，最終決定采用可重復(fù)利用的貝雷片組裝鋼導(dǎo)梁(導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)示意如圖2)。因?yàn)樨惱灼瑸榭勺赓U標(biāo)準(zhǔn)件，組裝鋼導(dǎo)梁不僅不會(huì)有材料損耗，而且拆卸后可以重復(fù)利用。通過(guò)采用貝雷梁拼裝變剛度導(dǎo)梁，利用支反力控制技術(shù)，解決了導(dǎo)梁銷(xiāo)接間隙帶來(lái)的撓度問(wèn)題。所以選擇貝雷片組裝鋼導(dǎo)梁不僅輕便實(shí)用，而且具有提高功效、節(jié)約成本的優(yōu)點(diǎn)，為以后臨時(shí)結(jié)構(gòu)方法選用提供新的思路。

圖2 導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)示意(單位:mm)

2.2 臨時(shí)墩及水平連接的設(shè)計(jì)

對(duì)于臨時(shí)墩的設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)類(lèi)似工程采用鋼桁架或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。因臨時(shí)墩為一次性結(jié)構(gòu)，若采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，當(dāng)工程完工后鋼桁架其他用途有限，并且鋼材用量大;若采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，則混凝土材料浪費(fèi)較大。通過(guò)分析比較，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)選用貝雷片組裝臨時(shí)墩。

頂推法施工中最為重要的一個(gè)要素是動(dòng)力的反力來(lái)源。集中拖拉和以往的頂推大多有提供反力的結(jié)構(gòu)物，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的頂推方法主要是利用力偶作用，即利用了頂推系統(tǒng)的內(nèi)力解決動(dòng)力問(wèn)題。就單個(gè)頂推裝置分析(不考慮梁體將多個(gè)頂推裝置相連的情況下)，頂推動(dòng)力是不向支撐結(jié)構(gòu)物傳遞的，但是由于100 m梁將多個(gè)頂推裝置連接成多點(diǎn)頂推系統(tǒng)，這時(shí)工況變得極為復(fù)雜，各頂推裝置的動(dòng)力通過(guò)梁體互相傳遞，引起頂推力向支撐墩傳遞。而這個(gè)向支撐墩傳遞的水平力究竟多大隨著工況的變化變得非常復(fù)雜，難以具體分析清楚。因此為了確保支撐墩和臨時(shí)支墩的安全，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了縱向連接系統(tǒng)，使水平力由全部的支墩共同承擔(dān)，保證了結(jié)構(gòu)物的安全。

經(jīng)研究設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)貝雷梁拼裝成臨時(shí)墩、水平方向采用精軋螺紋鋼筋進(jìn)行連接，通過(guò)對(duì)全橋的有限元分析確保各墩的安全，使軟連接得以應(yīng)用，有效地降低了施工成本。

2.3 頂推裝置的設(shè)計(jì)

頂推過(guò)程中，由于臨時(shí)墩、梁體以及滑道的施工誤差，導(dǎo)致連續(xù)梁在每個(gè)滑道上所受摩擦力不會(huì)絕對(duì)相同;又由于本項(xiàng)目中連續(xù)梁位于5 500 m半徑的圓曲線上，所以頂推過(guò)程走行線路是一條全長(zhǎng)100.7 m，半徑5 500 m的圓曲線，若按直線行走將偏離橋梁中心92 cm。為確保連續(xù)梁準(zhǔn)確頂推到設(shè)計(jì)位置，必須在頂推過(guò)程中進(jìn)行梁體走行控制。

設(shè)計(jì)采用走行圓曲線的方式進(jìn)行施工。主要利用轉(zhuǎn)向原理，即水平千斤頂按曲線的切線方向布置，千斤頂與梁體不產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，梁體的走行將沿圓曲線行走，能夠?qū)崿F(xiàn)梁體的自動(dòng)轉(zhuǎn)向。頂推走行原理如圖3所示。

圖3 頂推走行原理(單位:m)

頂推裝置設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)千斤頂同步伸出與縮回，梁體可以抬頭也可以低頭，可以左右轉(zhuǎn)彎也可以蟹行，實(shí)現(xiàn)了對(duì)梁體上下左右前后的全方位姿態(tài)控制。此頂推系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)。

2.4 總控—分控技術(shù)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是解決千斤頂同步性和安全性，針對(duì)兩大難點(diǎn)進(jìn)行了電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。首先進(jìn)行了總電路設(shè)計(jì)，根據(jù)總接線圖通過(guò)中央配電箱和中央控制箱實(shí)現(xiàn)頂推系統(tǒng)的遠(yuǎn)程中控和同步控制;再通過(guò)終端配電箱和終端控制箱的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)單個(gè)泵站系統(tǒng)的分控制，同時(shí)任何分控系統(tǒng)都可以急停所用控制系統(tǒng)，共設(shè)計(jì)了9個(gè)分控系統(tǒng)。對(duì)中央控制系統(tǒng)和終端控制系統(tǒng)的操作臺(tái)也進(jìn)行了設(shè)計(jì)，使操作簡(jiǎn)單方便。

總控箱可以控制全部豎向頂同步起落，控制所有水平頂同步前進(jìn)后退。分控箱只能控制相應(yīng)墩位的頂推裝置，總控動(dòng)作時(shí)，分控不起作用，以避免誤操作。不管何種工作狀態(tài)，在總控與任何一個(gè)分控控制箱位置均可以停止全部動(dòng)作，總控復(fù)位后才可以再次進(jìn)行作業(yè)，使推頂施工始終處于受控狀態(tài)。

2.5 梁體應(yīng)力控制研究

通過(guò)分析，找出一種最科學(xué)合理的方法——通過(guò)控制各支點(diǎn)的支反力來(lái)控制梁體、導(dǎo)梁的受力狀態(tài)，使梁體、導(dǎo)梁的應(yīng)力在可控范圍內(nèi)。通過(guò)利用Midas軟件對(duì)全過(guò)程進(jìn)行仿真分析，在建好的模型里不斷改變支反力以尋找出最合理的支反力組合;根據(jù)分析出的各支點(diǎn)支反力找出的最佳受力狀態(tài)支反力組合，可以在±500 kN范圍內(nèi)變化，對(duì)梁體應(yīng)力來(lái)說(shuō)是安全的。

3 幾點(diǎn)體會(huì)

1)目前國(guó)內(nèi)采用橋梁頂推的大部分為鋼桁梁或節(jié)段頂推，掌握高速鐵路曲線、大噸位、長(zhǎng)大混凝土橋梁頂推法施工技術(shù)，有助于提高橋梁施工中的相關(guān)技術(shù)水平及管理水平。

2)通過(guò)合理分析設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單有效的頂推方法，不僅節(jié)省了臨時(shí)設(shè)施的投入(節(jié)省鋼材數(shù)百?lài)?，最主要的是比原定工期提前完成，而且不會(huì)影響橋下既有鐵路正常運(yùn)營(yíng)，從而解決了施工、運(yùn)營(yíng)的相互干擾問(wèn)題。

3)鑒于在頂推施工糾偏過(guò)程中，水平千斤頂設(shè)置越多，糾偏越困難。今后的橋梁頂推施工，在滿(mǎn)足各結(jié)構(gòu)受力要求的前提下，可盡量使用大噸位水平千斤頂、盡量減少水平千斤頂數(shù)量。

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U445.462

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．07．05

1003-1995(2015)07-0016-03

2015-03-10;

2015-04-20

張勇(1978— )，男，陜西周至人，高級(jí)工程師。

(責(zé)任審編 孟慶伶)