步履式頂推系統及施工關鍵技術研究

劉顯暉，張　毅，李海峰，伍柳毅，鄧年春

（柳州歐維姆機械股份有限公司，廣西柳州545006）

步履式頂推系統及施工關鍵技術研究

劉顯暉，張毅，李海峰，伍柳毅，鄧年春

（柳州歐維姆機械股份有限公司，廣西柳州545006）

由于組合結構橋梁具有高綜合性能，近幾年來在我國橋梁建設中得到了廣泛的應用，然而組合結構橋梁鋼結構部分多為薄壁結構，其局部剛度較混凝土箱梁和閉口鋼箱梁都要小得多，傳統的拖拉式多點連續頂推設備已無法滿足該類橋梁的頂推施工。通過研究和分析，研制出一種新型的適合于組合結構橋梁頂推的設備——步履式頂推系統，重點介紹了該頂推系統及其施工關鍵技術的研究。

組合結構橋梁；步履式；頂推系統；關鍵技術

組合結構橋梁因其合理的結構受力特性，已越來越多地應用于大跨徑橋梁。頂推法施工自1959年在奧地利Ager橋首次應用以來，已在國內外廣泛應用且工藝成熟，但對大跨徑組合結構橋梁頂推施工技術應用較少。因組合結構橋梁鋼結構部分多為薄壁結構，局部剛度較小，頂推過程中結構應力和線形控制難度大，傳統頂推方式已無法滿足施工要求。為確保頂推施工時結構安全和線形控制能滿足設計要求，需對大跨徑組合結構橋梁頂推施工設備及施工技術進行深入系統的研究。

1　對頂推設備及工藝的要求

組合結構橋梁整體頂推施工，結構受力復雜，施工控制要求高，因此頂推過程中需要頂推設備及頂推工藝滿足以下要求：

（1）頂推系統需具有橋梁豎直方向上的頂升、縱橋方向上的水平頂推及橫橋方向上的糾偏調位等三向姿態調整功能，以適應梁的變形要求。

（2）頂推為自平衡多點頂推工藝，不得給墩身產生過大頂推反力。

（3）頂推時不能直接在梁底部滑移，只能在設備內部相對滑動。

（4）頂推施工可設置臨時墩和導梁，結構只允許腹板受力，不得在結構上焊設臨時錨固件。

（5）頂推裝置需采用模塊化設計，以適應不同橋墩尺寸和橋梁的施工。

（6）頂推系統同橋墩兩側頂升和頂推同步精度為4mm，各橋墩頂升和頂推同步精度為5mm.

2　現有頂推施工設備介紹

拖拉式多點連續頂推是國內外最常用的頂推工藝，它是以液壓千斤頂或卷揚機作為施力裝置，以鋼絞線或鋼絲繩作為牽引繩，將分節段預制的混凝土梁段（或焊接鋼梁段）連接成整體后，在設置的滑道上牽引滑移安裝就位的方法。如圖1所示。該方法雖然設備簡單、操作方便，但頂推過程中存在墩身水平反力大、梁體局部應力集中、容易產生爬行現象等缺點。通過結構受力計算及工藝分析，該方法不能滿足組合結構橋梁的頂推施工要求。

圖1　拖拉式多點連續頂推結構圖

通過改進，楔進式多點頂推設備提高了設備集成化和自動化，在法國米約大橋頂推施工中發揮了重要作用。該工藝基本原理是通過兩塊表面光滑的楔形滑塊相對上升、前進、下降等循環過程而實現梁體的前移，它有效地解決了高支撐墩水平反力大、各墩身受力不均的難題，真正實現了自平衡頂推。但其下降擱置時受力大，對梁體底板受力要求高，同時摩擦面要求高，加工困難，價格昂貴，使其推廣應用受到限制。楔進式頂推結構如圖2所示。支撐千斤頂主要起承受豎向力和調節高程的作用；支撐架是千斤頂的固定架，也是頂推循環中落梁時的承重架；楔形塊靠千斤頂提供動力，兩塊相對滑動，摩阻力在設備內部平衡。

圖2　楔進式頂推結構圖

3　步履式頂推系統的研究

受楔進式頂推施工工藝的啟發，研究設計出先進的步履式頂推系統，通過系統各千斤頂同步平衡控制技術可保證組合結構橋梁鋼結構可靠、受力均勻。

3.1步履式頂推系統總體結構確定

步履式頂推系統主要由頂推裝置、液壓及控制系統組成。如圖3所示。每套頂推裝置通過計算機控制和液壓驅動來實現組合和順序動作，以滿足施工要求。

圖3　步履式頂推系統總體結構圖

3.1.1步履式頂推裝置的研究

頂推裝置如圖4所示，由滑箱和滑道結構部分、頂升千斤頂、平移千斤頂及糾偏裝置等幾部分組成。滑箱是支撐梁體的受力結構，頂面放置5 cm厚橡膠墊，可以使梁體局部承載均衡，底面焊有不銹鋼板，與滑道上的四氟板構成滑移面。四氟板表面做成蘑菇頭形狀，其間隙可藏硅油，以降低滑移面摩擦系數。滑道兩側布置帶導向輪的糾偏裝置，既可解決梁體順橋向導向問題，又可解決橫橋向的糾偏問題。滑道下部通過套筒形式安裝頂升千斤頂，千斤頂活塞頭部裝有球頭，可自適應小范圍的坡度，同時也可通過單獨調整頂升千斤頂的高度，來適應不同橋向大范圍的坡度。平移千斤頂是梁體水平頂推的執行機構，它推動滑箱，滑箱帶動梁體移動。

圖4　頂推裝置結構圖

3.1.2液壓系統的研究

液壓系統是步履式頂推系統的動力源，通過泵站輸出的液壓動力去驅動頂升、平移及糾偏千斤頂工作，從而實現橋梁的頂升、移動及糾偏。為保證頂推過程的安全，頂升和平移動作不能同時進行。

液壓泵站主要由電機泵組、比例控制閥組、頂升閥組、糾偏閥組、平移閥組、冷卻和過濾等部分組成。

電機驅動負載敏感變量泵為系統提供壓力油，油液經過比例多路閥組控制油液的流量大小及通斷，分別進入頂升、平移和糾偏三個回路系統。其中頂升和糾偏系統共用一片比例換向閥，平移系統使用另一片比例換向閥。系統的安全壓力由比例閥組上的安全閥設定，可通過壓力表來顯示。其液壓原理如圖5所示。

圖5　液壓原理圖

3.1.3控制系統的研究

步履式頂推控制系統采用分布式計算機網絡控制系統，由1個主控臺、若干現場控制器、若干傳感器、若干數據線及控制線組成。控制系統網絡框圖如圖6所示。系統采用屏蔽雙絞線作為Controller Link網絡的通信介質，介質訪問方式為令牌總線方式。每個現場控制器均可向主控臺或其它現場控制器發送或接收數據。

圖6　控制系統網絡組成框圖

主控計算機根據各種傳感器采集到的位移、壓力信號，按照一定的控制程序和算法，決定每臺千斤頂的動作順序，完成集群千斤頂的協調工作。可對每個現場控制器進行遠程控制，從而控制泵站的起、停，調節泵站的流量和壓力，同時可實時顯示千斤頂的油壓及位移。在聯機狀態下，所有的操作均由主控計算機自動完成，現場控制器只進行急停操作。系統具有數據保存和故障報警功能，在達到預先設定的位移或壓力限制時自動停機。

（1）豎向頂升千斤頂控制策略。頂升千斤頂控制策略是以位移控制為主，壓力控制為輔的同步控制。

同一橋墩上頂升同步控制：以1#頂為主動點及比較基準，2#頂為隨動點并與1#頂比較。當2#頂位移量差超過設定值時，則減小2#頂比例閥的流量。反之則增大。

不同橋墩上頂升同步控制：以1#橋墩上的1#頂為主動點及比較基準，其余橋墩的1#頂與之比較。各墩1#頂位移量差超過設定值時則減小或增大相應的比例閥的流量。

頂升壓力控制：每套裝置的頂升千斤頂上安裝一個壓力傳感器，以監測荷載變化。每套裝置最高壓力及不同橋墩上的最大壓差可通過現場控制器或主控臺設定，當荷載大于設定值時，系統會自動停機報警。計算機通過監測每臺千斤頂荷載變化情況，準確地協調整個系統的載荷分配。

（2）平移頂推千斤頂控制策略。平移千斤頂控制策略也是以位移控制為主，壓力控制為輔的同步控制。其原理與頂升千斤頂控制相同。

（3）頂推過程中的動態糾偏策略。每個永久橋墩中間安裝1套檢測梁體軸線的光電開關，每個箱梁在制作時要求用通長黑色線標識出中軸線帶。在梁體平移時，若光電開關檢測不到黑色中軸線帶，則說明梁體發生偏移，這時控制系統則發出信號驅動相應的橫向調節千斤頂動作，直到光電開關能檢測到中軸線帶后停止該動作，從而實現橫向動態糾偏。

（4）平衡度控制策略。每套頂推裝置的滑箱上安裝有1個用于檢測梁體在X軸、Y軸方向傾斜角度的傾角傳感器，通過設定每個傾角傳感器在X軸、Y軸方向的最大傾斜角度，即可控制梁體的平衡度。平衡度的檢測及控制貫穿在整個頂推過程中。

3.2步履式頂推系統的動作原理

步履式頂推動作原理是通過頂推裝置頂升、平移、落梁和回程4個步驟不斷地循環來進行橋梁頂推施工的。首先在支墩上布置頂推裝置和施工臨時墊梁，拼裝好的梁體荷載通過墊梁傳遞到墩臺上，墊梁位于頂推裝置的前后或者兩側位置。然后頂推裝置豎向頂升千斤頂同步頂起整體橋梁，脫離墊梁，橋梁由墊梁支撐轉移到頂推裝置支撐，如圖7所示。接著平移千斤頂同步施力，克服滑移面摩阻，橋梁整體前移一個活塞長度，如圖8所示。

圖7　橋梁頂升

圖8　橋梁平移

豎向頂升千斤頂同步縮缸，橋梁整體同步下落到墊梁，橋梁由頂推裝置支撐轉移到臨時墊梁支撐，如圖9所示。最后平移千斤頂縮缸，裝置上部結構（滑箱）回歸到原位，循環下一個工位施工，如圖10所示。

圖9　橋梁回落

圖10　滑箱回位

以上4個動作步驟反復循環，最終將橋梁頂推到預定的設計位置。

3.3步履式頂推系統的特點

（1）采用平推滑動摩擦的結構形式，使整體結構變得更為緊湊，同時確保了運行過程中整個結構的穩定性和安全性。

（2）組合四氟板采用巧妙的可更換式結構設計，確保運行過程中出現破損或表面燒結碳化等故障時的可維護性。

（3）采用該頂推系統不需要對橋梁底面做任何臨時結構，其摩擦滑動全部是在頂推裝置內部進行，支墩基本不承受水平荷載。

（4）集成主動式中軸線監控系統，徹底解決了以往頂推過程中無法進行人工測量中軸線偏移和被動式糾偏不及時的難題。

（5）采用先進的電液比例控制技術，控制精度高。

（6）各種傳感器、控制閥、電器插接件采用多重防水設計，能適應惡劣天氣下的露天環境施工。

（7）系統采用模塊化設計，更具有通用性。

4　工程應用

昆明南連接線高速公路工程跨南昆鐵路線主橋為鋼混結合梁，主橋位于R=16 000 m，T=304.246 m，E=2.892 m的豎曲線上，按雙向6車道設計，左右幅分離（間距0.5m）錯孔布置。跨南昆鐵路線橋主橋位于直線上，全長230 m，如圖11所示。主橋結合梁斷面形式為：4.5 m高槽形鋼梁，+0.3 m高鋼混橋面板，橋面單面橫坡2.0%，如圖12所示。

圖11　跨南昆鐵路線橋主橋

圖12　主橋結合梁標準斷面圖

使用步履式頂推系統每幅分4個階段將128 m長的結合梁頂推至設計位置。單幅橋頂推總重約1800 t.先進行右幅橋頂推施工，然后將頂推設備搬至左幅橋進行頂推施工；頂推完成后，利用頂推設備中的頂升千斤頂，進行右幅橋落梁施工；再進行左幅橋落梁施工。2013年12月正式頂推施工，歷時1個月工程順利完成。整個工程平均頂推速度達到3 m/h，達到了施工設計速度要求。圖13、圖14為現場頂推施工照片。

圖13　施工中的步履式頂推系統

圖14　跨越鐵路的鋼混結合梁

5　施工關鍵技術

整個施工的關鍵技術主要有：

（1）頂推設備安裝時中心軸線與墩身軸線的偏差值不大于設計要求的梁體中心軸線與墩身軸線的偏差值。

（2）墊梁要有足夠的長度和剛度，且與梁體底部完全接觸（墊50mm厚橡膠墊），保證梁體腹板受力。

（3）當梁體上墩或脫墩時，根據梁體最前端或最后端距離墊梁的實際距離考慮設置水平頂推距離控制程序，避免梁體只壓在墊梁極少面積上的情況發生。同時，由于橋梁前后兩端最大撓度的存在，需在墊梁面上鋪設鋼板，放上MGE滑板，起到保護橋梁安全的作用。

（4）糾偏動作要求緩慢平穩，避免動作過快，以防事故的發生。

（5）為保證頂推過程的安全，頂推過程中必須對同步性進行嚴格控制：豎向頂升和水平頂推各墩同步精度控制在5mm內，同墩兩側控制在4mm內。

（6）如導梁由于自重懸臂的下撓量過大而無法上墩時，可通過相鄰墩上的頂推裝置將梁體頂起，以確保導梁架設到前方墩頂的頂推裝置上。待運行平穩后，需及時將各墩梁體的標高調到規定的標高。

（7）在頂推過程中梁體的受力狀態與成橋時受力狀態完全不同，因此每輪頂推前依據監控指令，明確該輪頂推梁體所經墩臺的豎曲線變化范圍（即標高變化值）及梁體許用支反力（即墩臺的許用壓應力）變化范圍。

（8）須在溫度穩定的夜間進行頂推合攏施工，并仔細計算和測量，確保達到設計要求。最后一次頂推時應采用小位移點動，以便糾偏及平移到位。

6　結束語

相比于傳統的利用鋼絞線拖拉方式的頂推施工，步履式頂推系統具有安全性高、頂推平穩、軸線調整方便等特點。在整個頂推過程中，由于滑動面在頂推裝置的滑箱與滑道之間，屬設備之間的內力，這樣就改善了橋梁與橋墩的結構受力，對結構幾乎沒有損傷，無需橋梁因頂推施工增加加勁數量，真正做到“自平衡多點頂推”，在組合結構橋梁的頂推施工中，具有很大的應用前景。

The Research ofWorking Incremental Launching System and Construction Key Technology

LIU Xian-hui，ZHANG Yi，LIHai-feng，WU Liu-yi，DENG Nian-chun
（Liuzhou OVM Machinery Co.，Ltd，Liuzhou Guangxi 545006，China）

Because the composite structure bridge has the high comprehensive performance，in recent years，it has been widely used in the bridge construction in China.However，the steel structure of the composite structure bridge ismostly thin-walled structure，the local stiffness ismuch smaller than the concrete box girder and closed steel box girder.Traditional Launching equipment has been unable tomeet the construction of this kind of bridge. Through research and analysis，a new kind of equipment which is suitable for the composite structure bridge is developed，this paper focuses on the research of the launching system and its key construction technology.

composite structure bridges；walking type；incremental launching system；key technology

TU74

B

1672-545X（2016）05-0153-05

2016-02-28

作者介紹：劉顯暉（1972-），男，廣西資源人，工學學士，高級工程師，研究方向為預應力產品、裝備及其相關施工技術的研發。