4.3萬t鋼桁梁長距離多點同步頂推施工技術研究

王宏毅

(中鐵建大橋工程局集團第四工程有限公司 黑龍江哈爾濱 150000)

1 前言

由于國家交通建設及城市橋梁的快速發展，橋梁工程建設難度逐漸增大。對于基礎工程復雜、墩臺造價較高的大橋或特大橋，以及靠近城市、鐵路公路均較稠密而需建造鐵路橋和公路橋以聯接線路時，為了降低造價和縮短工期，可考慮建造公鐵兩用橋[1－2]。然而頂推施工對于多跨公鐵兩用大橋的順利建設具有重要作用[3－4]，因此需要研究多點連續頂推施工同步控制技術，以確保此類大橋的順利建成。

李艷哲[5]詳細介紹了成貴鐵路宜賓金沙江公鐵兩用橋主橋施工技術；冀偉等[6]以三跨等跨混凝土連續梁橋為例，構建主梁－雙導梁的計算簡化模型，以實橋數值算例為例，提出合理、嚴謹的導梁參數優化計算方法，獲得最優的導梁參數；李兆峰等[7－8]以石濟客運專線濟南黃河公鐵兩用橋頂推施工新技術為工程背景，采用2個尺度分步分析該鋼桁梁頂推過程中關鍵節點的應力狀態，并選取該橋施工中受力最大的典型節點進行現場應力試驗。左權勝等[9]以杭州一公路下承式三跨簡支鋼桁架橋為例，詳細介紹了施工中采用的步履式多點同步累積頂推技術；賀常松[10]基于拱上平臺的頂推施工法進行鋼梁支反力變化趨勢研究，發現由于頂推過程的重復性，頂推鋼梁的支反力變化趨勢呈現周期性的特點；翁方文等[11]依托跨漢洪高速公路高架橋，提出了大跨度連續鋼箱梁橋頂推施工全過程控制方法。陳江平[12]針對曲線形鋼箱梁，采用滑移施工很好地規避頂推施工的不利因素，以贛深南互通D匝道橋為例對曲線鋼箱梁滑移施工進行詳細介紹，采用3D3S軟件對各不同工況進行模擬分析。

綜上所述，現有頂推施工技術主要用于一般性公路橋梁施工中，對于建設難度較大的多跨公鐵兩用橋頂推研究成果較少。本文以三門峽公鐵兩用大橋鋼桁梁多點連續頂推施工為研究背景，詳細闡述多點連續頂推同步關鍵控制技術以及多跨鋼梁頂推糾偏控制技術，借助PLC現場總線控制系統，實現多點連續頂推同步關鍵控制；通過給鋼梁支撐滑塊增加“翅膀”的設計，解決邊頂推邊糾偏的技術難題，確保長距離、大重量鋼桁梁施工質量滿足設計要求，使三門峽黃河公鐵兩用大橋鋼梁頂推順利完成，以期為今后類似工程建設提供重要參考。

2 工程概況

2.1 設計概況

三門峽黃河公鐵兩用大橋主橋為11跨連續鋼桁結合梁橋，主梁位于6‰的單向縱坡上(三門峽至運城方向為下坡方向)，橋跨布置為(84＋9×108＋84)m，主橋全長1 142.5 m。主橋承受四線鐵路和六車道高速公路，其中下層為四線鐵路，分別為雙線“蒙西通道”(線間距4.0 m)、雙線“運三鐵路”(線間距4.2 m)，上層為六線公路。主桁采用三角形桁式，桁高15 m，橫向為3片桁架，中邊桁中心距13.6 m，上層公路橋面全寬32 m。主橋立面及橫斷面布置如圖1所示。

圖1 主橋立面及橫斷面布置

2.2 工程重難點分析

本工程的重難點主要有以下3點:

(1)鋼梁最大頂推重量達43 000 t(含高栓、剪力釘)，單片桁中、邊桁節點最大支反力分別達2 233 t和1 896 t，頂推最大懸臂長度達96 m，多點頂推系統設計及施工是本工程的重、難點，主橋鋼桁梁模型如圖2所示。

圖2 主橋鋼桁梁模型

(2)主梁不帶混凝土橋面板頂推，整體剛度較弱，因此導梁設計及頂推、頂升設備、糾偏設備的選型、布置是本工程的重點。

(3)本工程最大頂推高度近72 m，屬高位頂推，水平頂推、豎向頂升及落梁的同步性控制為本工程的關鍵點。

本工程鋼梁全橋共有12個混凝土主墩，在頂推過程中，滑道與滑塊之間產生的水平摩擦力作用于各主墩頂面，對混凝土主墩整體產生巨大的偏心彎矩，如偏心彎矩過大，會對混凝土主墩造成結構上的破壞，因此需要通過嚴格控制作用在各混凝土主墩的水平摩擦力來保證偏心彎矩數值處于安全數值范圍內，使頂推過程中混凝土墩結構安全無誤。

為能做到對水平摩擦力的嚴格控制，就必須對頂推過程中各個墩上的水平頂推力進行嚴格控制，以便達到所有墩的均勻合理承載受力。同時在頂推過程中，當鋼梁偏離軸線時及時進行鋼梁的糾偏。因此需要對全橋11個墩上的頂推千斤頂進行多點連續頂推同步控制。

3 多點連續頂推同步控制技術

3.1 水平頂推主要設備

水平頂推系統主要由水平連續千斤頂、液壓泵站及控制系統組成。

(1)水平連續千斤頂前頂在頂推時后頂處于回程工況，后頂回程到位后前頂仍處在頂進狀態。當前頂頂進行程未滿前，后頂與前頂同時頂進。在前頂頂進到位后，前頂回程，此時后頂仍連續頂進，直至前頂回程到位。如此反復進行，整個頂推過程不間斷。0＃～11＃墩布置33臺ZLD3500-300型水平連續千斤頂，每墩3臺350 t級千斤頂可現場控制及遠程控制。水平連續千斤頂結構構造見圖3。

圖3 水平連續千斤頂結構構造

(2)液壓泵站采用LSDB105型液壓泵站，在1＃～11＃墩上各布置1臺液壓泵站。LSDB105型泵站采用了變量泵與比例閥組成的液壓系統，輸出的液壓動力油通過比例閥開口變化來實現流量的無級調節，同時液壓系統可根據千斤頂載荷的變化進行自動均衡調節，從而有效地提高液壓同步性能。

(3)LSDKC-16控制系統為網絡式遠程計算機控制系統，由主控單元、檢測單元、顯示單元及執行機構等組成。本工程主控系統采用分布式計算機網絡主控系統，由1個主控臺、11個泵站、11個現場控制柜、66套壓力位移傳感器、198個感應開關組成。本工程中的控制系統采用PLC現場總線控制系統，工程控制主機系統對頂推過程各墩分控系統收集的數據信息進行相應運算處理，從而確保頂推過程的安全及平穩進行。控制系統軟件包括上位機軟件及下位機軟件，原理圖如圖4所示。

圖4 主控系統原理

3.2 系統控制策略

在頂推過程中，對水平千斤頂的位移改變情況進行收集，利用閉環控制比例閥開口值與位移之間的協調配合，將比例閥開口值大小變化以及位移狀況作為相應的參考數據，合理地控制水平千斤頂改變速度，從而有效達到合理控制頂推速度。

本工程水平連續頂推千斤頂布置為每墩每桁各1臺，每墩3臺水平連續頂推千斤頂共用1臺液壓泵站、同一油路，以確保其頂推力基本一致。同一墩上3臺千斤頂有某臺伸缸較快，則通過電磁閥斷流調整頂伸缸速度。不同墩間連續頂推千斤頂間的快慢則通過液壓泵站的流量調整。若某臺液壓泵站伸缸較快，則控制該液壓泵站進油路減小，降低相應變量泵與比例閥開口值，從而減小流量；反之，則增加相應變量泵與比例閥開口值，從而增大流量。利用壓力傳感器提高構件的安全性，實時監測每個千斤頂的載荷變化情況。在頂推過程中，計算機通過壓力傳感器監測每臺千斤頂的載荷變化情況。如果千斤頂的載荷有異常的突變，計算機會自動停機，并報警示意。連續頂推同步控制流程如圖5所示。

圖5 連續頂推同步控制流程

3.3 頂推同步性措施

本工程中，采用壓力和位移交替控制來實現頂推的同步性，分兩步進行。即頂推分級加載預緊，然后再進行位移同步頂推。

將頂推時的頂推力分成5個等級，分別是30%、50%、70%、80%、85%，頂推時按等級加載。加載等級的壓力根據5個等級和千斤頂參數14 kN/MPa確定。

頂推工作就緒后，首先選擇手動模式，逐一將前后主頂的活塞回到行程開關位置后開始手動頂推。主控臺操作人員按下“前頂進”按鈕，觀察操作界面的壓力顯示，在30%、50%、70%、80%、85%牽引力狀態下，檢查各受力結構變形情況。檢查油泵、頂推頂、前后夾持器、前后監控器、壓力表、鋼絞線是否異常，如有異常立即報告。

加載85%后，各水平千斤頂的受力均一致，轉換至自動運行模式，以位移控制下進行自動連續頂推。各墩分控系統收集水平千斤頂位移信號加以運算，并發送至工程控制主機系統；主控機對數據分析后再下令各墩分控系統執行相應的指令，在此過程中，主控機和各墩分控系統不斷地收集信號、運算、執行相應指令，形成一種閉環控制。

在位移控制頂推過程中，頂推壓力作為輔助控制，各墩液壓泵站均有壓力限定裝置，分控系統有壓力監控措施，主控機上顯示所有分控監控措施。滑塊跟滑道的摩擦力變化時，頂推壓力也相應變動，在壓力不超過一定范圍值內，系統不報警。當超壓時，分控系統會報警，并在顯示上體現出來，液壓泵站限壓裝置啟用，使水平千斤頂壓力不再升高，頂推力不會增大，保護鋼梁和主墩安全。當墩頂上突然停電時，主控機上監控立即顯示停電分控系統，并下令其他分控系統停止執行當前指令，防止其他水平千斤頂壓力超壓，保護鋼梁和所有主墩的安全。主控機發出指令給各分控系統執行是同步性的，即主控機同時對各分控系統發出指令，各分控系統同時執行指令，各墩的水平千斤頂同時動作，使得主墩受到較小的水平力，保護主墩安全。

3.4 頂推過程控制措施

(1)頂推力的確定

在倒換滑塊起頂時，可確定各個墩頂的支反力，按照實測滑塊的靜摩擦系數計算出摩阻力，再根據摩阻力來確定千斤頂需施加的頂推力。滑塊和滑槽的相對位置采用自動加黃油的裝置，確保頂推過程中同步性和減少摩擦力。剛開始頂推時，拼裝平臺水平千斤頂加載至85%，1＃～10＃橋墩水平千斤頂加載至70%，再同步頂推；頂推走完6 m之后，停止頂推，放鋼絞線使滑塊不受力再重新加載，拼裝平臺水平千斤頂加載至70%，1＃～10＃橋墩水平千斤頂加載至85%，再次同步頂推至12 m。主梁頂推過程中監控測量鋼梁的應力，一旦出現異常，則立即停工，查找原因，并予以調整。處理完問題后再繼續頂推。

(2)頂推過程中橋墩受力及變形控制

根據結構的受豎向支反力可知，在橋墩受最大支反力作用時，橋墩受最大彎矩為260 040 kN·m，假設滑塊摩擦系數為0.05，橋墩受最大縱向水平力為43 340×0.05＝2 167 kN。由最大彎矩引起的縱向位移為0.013 7×260 040/1 000＝3.6 cm；由最大縱向水平力引起的縱向位移為0.7×2 167/1 000＝1.5 cm；最不利縱向為兩者疊加，為5.1 cm，所以要求墩頂縱向位移不能超過5 cm，如頂推能達到多點同步，墩頂縱向位移不超過4 cm。

在主墩墩頂進行線形監測，將監測數據和實際理論數據對比。當超出預警值，立即停止頂推工作，通過增加或減少水平力、抄墊，進行糾偏等辦法解決后再進行下一步工作。

4 多跨鋼梁頂推糾偏控制技術

4.1 糾偏工法的選擇

頂推施工過程中的糾偏工法主要包含靜態糾偏法和動態糾偏法。本工程中混凝土主墩高度近72 m，糾偏時產生的水平力將作用于主墩頂面，對混凝土主墩整體產生巨大的偏心彎矩，如偏心彎矩過大，會對混凝土主墩造成結構上的破壞，所以需要通過嚴格控制作用在各混凝土主墩的水平糾偏力來保證偏心彎矩數值處于安全數值范圍內，使混凝土墩結構處于安全狀態。

(1)靜態糾偏法

本工程中桁節點最大支反力達2 233 t，邊桁1 896 t，按靜摩擦系數為0.1考慮，該混凝土墩墩頂面將承受水平反力為:(2 233＋1 896×2)×0.1＝603 t。該水平反力較大，對混凝土主墩整體產生的偏心彎矩也較大，混凝土墩結構安全存在較大風險。同時，靜態糾偏時，鋼梁必須處于停止頂推狀態，各墩支撐滑塊安裝糾偏反力座裝置，需投入大量的人員、材料，糾偏作業的時間也較長，影響主線工期。

(2)動態糾偏法

動態糾偏法即在頂推的同時進行糾偏作業。根據監測的軸線數據，通過安裝在鋼梁支持滑塊上的主動糾偏裝置，在鋼梁頂推行進的同時調整鋼梁的軸線，確保鋼梁和混凝土主墩的動態結構安全。動態糾偏的混凝土墩墩頂面將承受水平反力為:(2 233＋1 896×2)×0.06＝362 t。由于動摩擦系數遠小于靜摩擦系數，水平反力較小，所以對混凝土主墩整體產生的偏心彎矩也較小，混凝土墩結構安全風險較低。糾偏作業與頂推作業是同時進行的，大大減少了人員、材料的投入，縮短主線工期，提高施工效率。

通過對比，最終選擇采用動態糾偏法施工。

4.2 多跨動態糾偏裝置

目前，常規施工主要采取靜態糾偏的方式來實現鋼桁梁的線形調整，即當梁體靜止時通過在下部滑道預埋強力反力牛腿，再利用千斤頂將糾偏力施加于牛腿與梁體之間，從而實現鋼桁梁整體偏移糾正，但此種方式無法在頂推過程中使用，須在頂推完成后梁體處于靜止狀態時進行，不能及時地對梁體線形進行調整，鋼桁梁在頂推過程中線形不受控。本工程中，采用液壓千斤頂為糾偏動力源，與鋼梁支撐滑塊融合一體的方案。通過給鋼梁支撐滑塊增加“翅膀”的設計，解決了邊頂推邊糾偏的技術難題。多跨動態糾偏裝置如圖6所示。

圖6 多跨動態糾偏裝置

4.3 多跨動態糾偏過程控制

(1)動態糾偏力的確定

在糾偏前，根據監控測量數據給出的各墩各桁支反力N的大小，通過計算(F＝N×0.06)得到動態糾偏力的數值。

(2)動態糾偏過程中受力及線形控制

頂推、糾偏工作就緒后，首先選擇手動模式，逐一將糾偏千斤頂的活塞伸缸貼合滑道梁側面反力板。根據控制指令，操作人員在鋼梁頂推行進過程中繼續增加糾偏千斤頂的壓力。分別按50%、80%、90%、100%逐步加載，在其逐步加載狀態下，檢查各受力結構變形情況。檢查油泵、糾偏千斤頂、糾偏鋼結構螺絲、滾輪，如有異常立即報告。

加載80%后，如果鋼梁支撐滑塊已經開始緩慢橫向偏移，應停止進一步加壓，維持現壓力，以便盡量減小糾偏反力，減小糾偏對混凝土墩的影響。

根據監控測量數據，作好鋼梁支撐滑塊在糾偏前的初始位置，明確糾偏的方向和橫向偏移量；當滑塊橫向偏移接近預先設定數值時，應該逐步減小糾偏千斤頂的壓力，減慢滑塊橫移的速度，保證不出現糾偏過量的情況。

5 結束語

針對長距離、大重量三門峽公鐵兩用大橋鋼桁梁頂推施工，通過設置一臺線纜型令牌總線模式遠程計算機控制系統及11套現場控制系統，成果實現實現集中管理、分散控制，所有數據傳送到計算機通過軟件分析后下達指令至各個千斤頂，首先分級加載預緊，然后再進行位移同步頂推，可以保證鋼桁梁頂推精度及同步性。各墩的水平千斤頂同時動作，使所有墩均勻合理承載受力，保護了主墩墩身安全。通過在鋼桁梁頂推支墊滑塊上設置動態糾偏裝置，成功實現在運動過程中用最小的糾偏力實現糾偏效果，可及時有效地對鋼桁梁線形進行調整，保障了施工質量。所采用的多點連續頂推施工同步控制技術使三門峽黃河公鐵兩用大橋鋼梁頂推順利完成，創造出目前連續頂推距離最長、頂推重量最重的公鐵兩用橋梁世界第一，為今后類似工程建設提供重要參考。