鋼桁架橋頂推施工支點標高控制

徐 晗劉玉濤徐山山陳慧娜

1. 浙江中天恒筑鋼構有限公司 浙江 杭州 310008；2. 中天建設集團有限公司 浙江 杭州 310008

某工程跨河段主橋采用雙層鋼桁梁結構。桁架為三連跨，寬25 m，總高約6.8 m，全長約210 m，結構立面如圖1所示。4#—5#支墩間鋼橋采用原位拼裝，5#—7#間桁架由5#向7#樁頂推安裝。頂推施工中臨時支架出現了局部破壞。經復核，臨時支架的承載力能夠承受桁架橋的自重荷載。

圖1 桁架橋立面示意

1 臨時支架理論計算

1.1臨時支架布置與設計

沿順橋向布置10組共20榀臨時支架，見圖1。每組2榀支架沿橫橋向布置在桁架下弦桿底部，可分為上游和下游支架。支架設計規格統一，立面布置如圖2（a）～圖2（b）所示。為便于描述，沿頂推前進方向，支架立柱命名為前、后柱；沿河道流向，支架立柱命名為上、下柱；具體命名如圖2（c）所示。

圖2 臨時支架設計

4#—5#/6#—7#支墩間臨時支架采用混凝土基礎＋鋼管柱＋分配梁的形式；5#—6#支墩間臨時支架采用鋼管樁接柱＋分配梁的形式。

1.2頂推器構造及布置

頂推裝置為步履式頂推器[1]，如圖3所示。主要構造包括水平頂推油缸、豎向頂升油缸（前支點）和滑動支撐結構（后支點）。后支點標高在頂推過程中通過增減調節墊塊進行控制。

圖3 頂推器構造及關鍵標高控制點示意

頂推器安放在支架頂分配梁上，初始放置點為②～⑤組支架。隨著橋體的拼裝與頂推，逐步將②、③組支架的頂推器倒換至⑥、⑦組支架。全程需配置4組8套頂推器。

1.3頂推過程施工模擬

采用SAP2000V21.0.2對頂推過程進行模擬分析。桁架自身強度和剛度較大，在頂推全過程中應力都很小。因此，模擬分析的主要目標是獲得支架最大反力。

在桁架下弦對應支架中心處設置豎向彈簧約束，剛度為支架的豎向軸壓剛度。每個行程作為一個施工步。讀取施工步t時，支架i的反力，其最大值出現在頂推結構遠端剛跨越6#支墩但尚未落架，而近端即將離開第④組支架時，如圖4所示。

圖4 臨時支架在頂推過程中的最不利工況

計算求得④～⑦組頂推點最大反力設計值依次為750.7、2 339.6、1 083.9、4 238.5 kN。在實際施工中，⑦組頂升油缸最大壓力為3 750 kN，與理論最大值較為吻合。

1.4臨時支架驗算

根據施工模擬的最大反力，對支架靜力進行分析計算。一個頂推步中，支架受荷分為3種工況，如圖5所示。圖中，橫線代表支架頂上分配梁，左端和右端節點分別對應后柱和前柱中心線，中間節點對應支架中心線。

圖5 臨時支架荷載工況示意

工況1時頂升油缸頂起結構，支架前柱受豎向荷載；工況2時頂推油缸位于支架中心并啟動，支架中心受到水平慣性力和豎向力，水平力按經驗取豎向力的5%；工況3時頂推油缸移動到后柱中心并制動，后柱中心受到水平慣性力和豎向力。

支架驗算以受荷最大的⑦組支架為例進行。經計算，臨時支架構件最大應力比為：鋼柱0.671、分配梁0.803、斜撐0.988，頂部水平位移最大值為18.43 mm。結構整體穩定系數為6.23，滿足要求。

2 臨時支架局部破壞與加固

2.1施工過程測控

支架立柱采用DZJ150振動沉樁。沉樁后立柱出現對接點局部缺損、整體傾斜等不同程度的初始缺陷。為保證安全，每步頂推前都采用垂線法對支架整體傾斜進行復測，并采用全站儀對立柱沉降進行觀測。

經實測，各頂推工況中，各支架頂部最大平移幅度為40 mm（不計初始傾斜），與理論值36.32 mm（17.89 mm＋18.43 mm）較為吻合。

同一支架不同工況下，前后柱沉降差異顯著，最大值20 mm。不同組支架相同位置立柱同一施工步的最大沉降差15 mm。

2.2支架局部破壞

當結構頂推過⑦組支架約16.5 m時，在頂推工況2—工況3的過程中，依次發生⑥組下游支架局部斜撐屈曲和⑦組下游支架前上柱拼接點局部屈曲。

2.3支架加固方案

破壞發生后，停止頂推并調整頂推油缸的位置和頂升油缸的高度，使⑦組支點反力降低，⑥組支點反力適當增大，并使各支架前后柱受力接近，然后更換破壞的次構件。

⑦組下游支架為主構件破壞。考慮到后續頂推時，該組支點反力還將增大，且原構件初始缺陷難以全面排查，故增加新立柱作為額外加固措施。

2.4破壞機理分析

經分析，破壞由3個方面的因素造成。

1）作為臨時結構，部分支架多次反復使用，存在較為顯著的初始缺陷。構件安全余量不足，容易發生破壞。

2）在各頂推中，后支點標高通過墊板調整，但未考慮桁架結構預拱度線形的影響，造成頂推過程中后支點存在豎向強迫位移，改變了各組支架的反力分布情況[2]。

3）跨河段支架未采用整體基礎，前后立柱沉降差異較大，令次構件受力增大。不同支架間的沉降差異進一步增大了支點間的反力分布差。

當橋體擱置于后支點進行頂推時，其反力無法讀取，可能遠比在前支點時更大，造成結構破壞。

因此，在頂推過程中，應精確計算后支點標高，通過增減調節墊板及時調整，并嚴格按規范要求對臨時支架進行驗收。

3 頂推點標高控制理論研究

3.1標高控制對支架反力影響的分析

頂推前成橋拼裝時，應做好線形控制。以預拼裝為基礎，對預拼角進行計算和控制[3]，做好符合線形要求的拼裝胎架[4]。頂推過程中，以無應力線形標高[5]為基準，對支點標高和反力進行控制。

任意頂推步t時，橋體線形如圖6所示。支點反力與位移的關系如式1所示：

圖6 臨時支架荷載工況示意

施工過程中，因頂推作業和不均勻沉降，各支點標高存在偏差，故易引起附加反力，如式（2）所示：

在實際工程中，求出每個荷載步的K(t)(U)顯然不現實。當各支架規格相同時，可取最不利頂推步的K(t)(U)做包絡設計。

3.2橋梁曲率對標高控制的影響

3.3立柱不均勻沉降的補償

各支點反力不同，支架存在沉降差，進而造成支點位移偏差，產生支架附加反力。

3.4調節墊板的標高控制

各支架鋼柱的軸壓力不盡相同，其壓縮變形也會對支點標高產生影響，但鋼柱軸力隨頂推步不斷變化，嚴格通過計算來確定鋼柱壓縮值在實際應用中較為困難。可采取的簡便做法是將沉降觀測點設置在靠近柱頂位置，則其觀測到的沉降值將同時包含鋼柱壓縮值和基礎沉降值。此時，頂推步t的后支點標高可按式（5）確定：

4 標高控制管理流程

步履式頂推法較適用于整體平緩或曲率一致的橋梁。當橋梁的剛度較大時，有必要對每一步頂推的標高進行嚴格控制，避免結構出現較大的初應力，也避免臨時支架出現過大的附加反力。其施工管理可按如下流程展開：給定全橋成形時支點預設標高→給定各頂推步支點預設標高→頂升油缸施壓，前支點達預設標高→觀測、記錄前支點沉降變形數值→由式（6）、式（7）計算后支點標高，選用墊板→通過式（7）選用后支點墊板，完成一次頂推。

實際施工中，因偏差造成預設標高無法達到時，應根據式（2）計算支架附加反力，對臨時支架進行復核。若承載力不滿足時，應返工調整支架標高。

5 結語

該項目頂推施工所用的臨時支架在理論上滿足設計承載力要求，但實際使用中卻發生破壞，為類似工程實踐敲響警鐘。通過對該案例的深入分析和研究，得到以下結論：

1）鋼桁橋頂推施工中，需要不斷調整各支點標高，避免因結構預拱度造成支點豎向強迫位移，進而導致支點反力增大。

2）水中支架常采用鋼管樁接柱的形式，在頂推過程中支柱容易發生不均勻沉降，需要對支點標高進行補償。

3）受場地條件限制，水中鋼管樁采用振動錘施工，容易產生初始缺陷，且臨時支架經多次反復使用后存在初始損傷，設計時應當留足安全余量。

4）綜合考慮橋梁曲率、立柱不均勻沉降和軸壓變形，計算各頂推步各支點的設計標高，并通過調節墊板進行標高控制。