步履式頂推施工

李 勁

(黑龍江省高速公路服務中心，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 步履式頂推施工發展特點

1.1 步履式頂推施工原理

頂推施工法具有施工場地小、造價低、對橋下交通和通航影響小等優點，廣泛運用于跨越深谷、河流、公路、鐵路等橋梁施工中。受到法國米約橋楔進式頂推施工工藝啟發，我國自主研發了一套集頂升、頂進、橫向糾偏于一體的頂推設備，實現主梁的順橋向、豎向、橫橋向的移動，該工藝被稱為“步履式多點連續頂推”，本文簡稱“步履式頂推”。步履式頂推施工法是指梁體在橋臺背后布置預制場地，分節段或整體預制梁體，之后安裝導梁，將導梁和預制梁體連接形成一個整體，采用“頂”、“推”兩個步驟交替進行，將梁體向前頂進，直至橋梁頂推至預定位置。

1.2 頂推施工工藝對比

常見的頂推施工方法有步履式和拖拉式兩種，下面對這兩種施工方法的特點進行了總結見表1所示。

表1 步履式與拖拉式頂推施工法綜合對比

2 鋼箱梁局部受力分析

頂推施工法早期在預應力混凝土梁橋中應用廣泛，由于主梁和下部結構開裂問題突出，跨徑一般小于60 m，很難滿足現代橋梁建設的需求。隨著橋梁跨度和寬度的增大，采用構造復雜、跨度較大的鋼箱梁應運而生，其局部受力情況比預應力混凝土梁更為復雜。鋼箱梁頂推施工中，由于主梁設置預拱度和自重效應下產生的下撓，墊塊尾端易產生向上的“翹曲”，該現象將導致梁體底板與頂推設備接觸不充分，使得梁體局部受力復雜。許多學者對步履式頂推施工中鋼箱梁局部受力進行了分析，主要集中在墊塊參數、轉角位移、橫向偏位、頂升不同步、局部構件的加強等方面，其中轉角位移與墊塊剛度有直接關系，墊塊剛度的降低可有效緩解轉角位移導致的主梁局部應力集中，因此本節將不對轉角位移進行論述。

2.1 墊塊參數

步履式頂推施工中通常在頂推設備上布設墊塊，而墊塊的選擇往往根據工程經驗，既不能保證結構安全，還可能增加施工工期。墊塊的作用主要有兩點：(1)若干墊塊可以調整支點標高；(2)改善梁體局部受力狀況。李傳習等認為墊塊在設計面積條件下，其彈性模量降低至鋼材的60%時，支承位置處鋼箱梁局部受力改善顯著。謝祺認為選擇剛度較小的墊塊，可以有效改善支承處接觸不均勻的現象，墊塊長度越長對支承處的局部受力就越有利，墊塊寬度對局部應力無顯著影響。李興全等分析了4種不同剛度的墊塊，建議采用Ⅱ類橡膠墊塊或聚四氟乙烯板。目前，針對拖拉式窄橋的墊塊參數研究較多，而對于寬橋步履式的研究較少，并且系統性研究還未看到。

2.2 橫向偏位

頂推施工中，由于頂推設備系統、工藝及環境等眾多復雜因素，梁體軸線必然偏離設計軸線。導致步履式頂推施工偏位的因素主要包括：(1)水平頂推合力作用線與梁體重心線不重合；(2)梁體縱向重心與橋中線不重合；(3)水平千斤頂出力不同步、不均勻等。橫向偏位過大，將導致梁體偏離頂推路線、受力不平衡而產生局部受力過大等狀況。《公路橋涵施工技術規范》頂推施工中軸線偏位控制值為10 mm，過小的控制值會導致糾偏頻率增加，延長施工工期，增加施工成本。主梁發生偏位時，通常有兩種糾偏方式：一是移動主梁，通過步履式頂推的設備的橫向千斤頂調整主梁姿態；二是移動步履式頂推設備，使其中線與主梁頂推設計中線對齊來實現相對糾偏。

李向紅等對橫向偏移量進行了統計分析，結果表明：單次行程橫向偏移量具有隨機性，且呈正態分布；單次橫向偏移量和累積橫向偏移量有關。王金良等研究了橫向偏位對鋼桁梁內力的影響，結果表明：整個頂推進程的中后期，桿件應力對橫向偏位敏感程度較高。朱利明等認為滿足安全落梁的最大橫向偏位距離可視為梁體最大橫向偏位值，并提出將橫向偏位閾值放寬至此值。

2.3 頂升不同步

每套步履式頂推設備由一個或多個豎向千斤頂組成，單個千斤頂正常工作的概率容易得到保證，但多個豎向千斤頂同時正常工作的概率大大降低，當多套步履式頂推設備同時工作時，多支點豎向千斤頂頂升位移難以同步，并且步履式頂推設備對液壓和電氣的同步性的要求較高，頂推施工中很難達到理想的狀態。豎向千斤頂頂升位移不同步將導致頂升力在橫向上分配不合理，當頂升力超過合理范圍時，梁體在支承區域處可能產生應力集中現象。

趙凌志等以四滑道預應力混凝土梁橋為例，研究了支點高程對支點反力的影響，結果表明：中支點高程的降低，可以有效改善各支點反力的橫向分配。李傳習等認為支點標高的調整對反力影響較為敏感，支點標高的控制精度宜設置在5 mm內。

2.4 局部構件的加強

鋼箱梁在頂推過程中支承位置不斷變化，梁體支承區域局部受力也十分復雜，因此加強鋼箱梁局部構件有利于改善局部應力集中現象。

李新華通過改變主梁主要構件厚度對鋼箱梁局部受力進行研究，結果表明：增加橫隔板和腹板厚度，可以減小主梁局部最大等效應力，但此方法經濟性較差；增加支承處縱向加勁肋，改善效果不如前兩種，但是經濟性比較好；增大支承處橫肋和縱肋厚度，能有效改善鋼箱梁局部應力，同時也比較經濟。鄒宇認為單一加固方式不能滿足頂推施工要求，當同時增大角隅加勁、橫隔板及腹板厚度時，應力滿足頂推施工要求，但經濟性較差；使用混凝土進行局部加強時，能有效降低支承區域局部應力，是比較經濟可行的方案。

3 預應力混凝土梁受力分析

目前，國內外學者主要對預應力混凝土梁拖拉式頂推施工進行了研究，主要集中在以下幾個方面：(1)混凝土梁與導梁連接段，此處是頂推過程的薄弱環節；(2)混凝土開裂，應保證梁底接觸區域的高程，在預應力布置方面，不但要考慮永久預應力的布置還要考慮施工過程中的臨時預應力布置，以克服頂推過程中主梁正負彎矩不斷變化導致的拉應力。(3)箱梁的“爬行”；(4)混凝土梁的制造標高、模板底標高及臨時支座標高是否滿足施工精度要求，施工精度對梁體的結構尺寸、跨度設置、分段長度、經濟性的影響；(5)溫度變化、支座脫空、梁體偏移等情況的發生。

周飛以富翅門大橋為工程背景，對采用步履式頂推施工的預應力混凝土梁橋遇到的問題進行了分析，詳細制定了針對性措施并提出優化方案。

4 頂推施工控制

頂推施工控制是以設計成橋狀態為目標，對施工過程中受到的諸多確定因素(如梁體結構、施工精度、導梁參數等)和不定因素(如溫度、風荷載等)的影響，進行參數修正，確保整體結構滿足成橋后的結構狀態及主梁線形符合設計要求。頂推施工主要控制主梁線形、結構應力及頂推墩的穩定性，并以線形控制為主，應力和墩的穩定性控制為輔。

4.1 上部結構控制

主要控制梁體的線形和應力在合理的范圍內。線形的監測通常采用全站儀測量，能夠反映頂推過程中線形要求的影響因素有主梁標高和橫向偏位。應力的監測采用振弦式應變計，鋼箱梁多為粘貼式，預應力混凝土及混凝土梁一般為埋入式，安裝位置為梁體主要受力位置(即梁體頂板及底板)。

頂推施工中，梁體線形分為兩種：(1)梁底線形呈直線；(2)控制點標高處在不同曲率上。預拱度的設置、環境影響及施工精度等因素使得對橋梁的線形控制更為嚴格。董創文等提出無應力線形基準與即時相位的概念，基于相位變化及高程偏差，提出了梁底標高的計算方法并給出具體公式。林建平等在頂推施工中，基于傳遞矩陣法對梁體線形進行預測與控制，取得了較好的效果。李傳習等基于相位變換，提出確定梁體無應力線形的方法。結果表明：頂推就位的理論線形與實測線形契合較好。目前，在頂推施工中梁體線形的控制研究，主要針對某一橋型，通用性不強。

應力監測也是頂推施工中重要項目之一，它既可以評估施工過程中梁體實際受力情況，也能起到安全預警的作用。在不利工況下，各控制截面應力是否與理論值相吻合，結構是否處于安全狀態，都是施工控制的關鍵。

4.2 下部結構控制

下部結構的穩定性直接影響上部結構安全，從頂推施工控制角度來看，橋梁下部結構監控主要集中在：(1)頂推墩支反力；(2)墩頂位移；(3)不均勻沉降。其中頂推墩支反力的監測主要有：(1)通過步履式頂推設備的表顯壓力換算出頂推墩支反力；(2)設置壓力傳感器，直接測出頂推墩支反力；(3)頂推墩粘貼應變傳感器，通過應變增量計算出頂推墩支反力。目前最常用的方法為前兩種，可以有效反映頂推墩支反力。頂推墩位移的監測一般采用全站儀和百分表，全站儀可以很好的對頂推墩的位移進行監測，如果頂推墩數量較多且障礙物遮擋可視點時，可采用百分表。

4.3 多參數容限動態控制

僅對單一參數進行施工控制已經不能全面反映整個頂推過程中所遇到的復雜情況，而影響鋼箱梁安全的主要參數包括：橫向偏位；頂升不同步；頂推墩支反力；墩頂位移等。影響預應力混凝土梁或混凝土梁安全的主要參數包括：(1)橫向偏位；(2)頂升不同步；(3)溫度等。如何對這些參數進行關聯性研究，提出頂推過程中多參數容限動態控制限值范圍，以指導整個鋼箱頂推施工，確保整個頂推施工過程中結構安全，還未看到相關研究。

5 結 論

(1)簡要總結了步履式頂推施工的特點，通過對步履式與拖拉式進行對比，認為從設備的性能、可控性、梁體結構的安全以及頂推墩受力等方面優于拖拉式，但拖拉式在施工成本和進度方面優于步履式，兩種施工工藝的選擇應根據具體工程特點綜合考慮。針對步履式頂推設備進行了綜述，步履式頂推設備機械化程度比較高，同時對千斤頂正常工作的分布概率也提出了更高要求，這涉及交叉學科，還需在該方面開展相關研究。

(2)2010年步履式頂推法首次在杭州九堡大橋運用，也是首次在鋼箱梁施工中運用。近幾年逐步投入到鋼混結合梁、預應力混凝土梁的建設中，而鋼箱梁的局部受力和穩定性是頂推施工中需要重點考慮的關鍵問題，隨著我國步履式頂推施工研究的深入，鋼箱梁的局部受力分析取得了一定成果。但受限于鋼箱梁細部結構形式、頂推施工工藝、材料的參數、環境因素以及施工精度等的不同，鋼箱梁的局部受力狀態的分析也有著較大的差異，以后可展開該方向相關的研究工作。目前也看到少量關于預應力混凝土橋步履式頂推的案例，但實際效果還有待進一步研究和驗證。

(3)現有研究文獻與工程案例中，關于步履式頂推施工控制，對所涉及的重要參數進行關聯性研究，提出多參數動態容限控制，還未看到相關文獻資料及成果，是當前施工控制的一個重要研究方向。