無導梁鋼管矮塔斜拉整體頂推大跨度鋼梁成套施工技術及應用研究

王鏡越

（貴州省公路工程集團有限公司，貴州貴陽 550000）

0 引言

目前大跨度組合工字梁鋼橋的鋼主梁安裝施工多采用導梁連續頂推法、架橋機整孔安裝法、支架安裝法、大節段鋼梁提升安裝等施工方法。從常用施工方法在山區條件下的適用性對比可以看出，對于交通組織條件和地形條件相對不便的山區裝配化組合梁鋼橋施工而言，導梁頂推法和架橋機整孔安裝法的地形適用性和工期效率均良好；但當組合工字梁鋼橋的跨徑超過50m 后，由于架橋機租賃費用的快速上升，導梁頂推法的綜合經濟性會優于架橋機整孔安裝法。

針對傳統的導梁頂推施工法存在的弊端，開發一種能保證較大跨徑無須臨時落地支墩且無須設置導梁的頂推施工技術，將綜合性提高山區裝配化組合工字梁橋的施工經濟性、技術水平和管理水平。

1 無導梁鋼管矮塔斜拉整體頂推系統介紹

貴州省納雍至晴隆高速公路第T15 合同段牂牁江特大橋晴隆岸引橋上部構造位于2% 的下坡縱斷面上，分為鋼混組合梁和現澆箱梁兩部分。鋼混組合梁部分采用無導梁矮塔斜拉牽引式頂推工藝施工，從大樁號往小樁號方向頂推，頂推方向為上坡。此頂推施工采用拖拉式頂推方式，牽引點設置在鋼梁的前端，頂推千斤頂設置在晴隆岸橋塔的下橫梁支墩中跨側支架上。頂推平臺采用4m×2m 貝雷梁支架搭設，支架搭設完成后，在頂推平臺與各橋墩墩頂安裝滑道梁與側向限位裝置，然后在頂推平臺上逐段拼裝各節段鋼梁，安裝索塔、斜拉索、抗風索與牽引索。當斜拉索張拉至預定索力值且配重布置完成后，開始鋼梁的頂推施工[1-2]。

頂推系統由索塔系統、拖拉系統、滑道系統和平臺等部分組成。其中，頂推平臺設置在3×40m 現澆箱梁橋跨位置，采用墩頂托架+墩旁鋼管柱+4m×2m貝雷梁的形式，該平臺兼做箱梁現澆施工的支架系統。滑道布置在頂推平臺和永久墩（6～12#墩）上，頂推平臺上的滑道設置成離散式，縱向間距為10m，沿縱向共布置12 道（含13～15#墩）。現澆箱梁待鋼梁頂推到位后沿用頂推平臺改裝后作為支架進行箱梁現澆施工[3]。鋼梁總體施工順序為：鋼梁廠內加工完成并完成預拼裝，現場預制橋面板—鋼梁運至現場復拼場地—鋼梁2 片為一榀，安裝榀內和榀間橫撐—安裝各支點永久支座，逐孔頂推鋼梁—頂推到位后，第一次落梁—安裝預制橋面板—澆筑橋面板剪力釘槽口內混凝土及板間橫向濕接縫—澆筑縱向濕接縫—第二次同步落梁—安裝護欄—澆筑瀝青混凝土鋪裝施工—附屬設施—成橋[4-5]。

2 無導梁鋼管矮塔斜拉整體頂推施工方法

2.1 創新頂推工藝技術參數

第一，頂推跨徑：60m。

第二，頂推長度：60m×8 跨=480m。

第三，單幅鋼梁節段數：46。

第四，單幅最大頂推重量（已計入配重）：21695.052kN。

第五，單幅理論最大頂推力：3037.31kN。

第六，所需頂推裝置：每幅鋼梁需 2 臺DYSC350D-300 型頂推千斤頂。

第七，索塔：采用φ630×10 鋼管，按縱向2 列、橫向4 排布置，塔高15m。

第八，索塔斜拉索：按縱向4 列、橫向4 排布置，分別為T1～T4，采用5 束φs/15.2 鋼絞線，截面面積Ap=695mm2，彈性模量Ep=1.95×105MPa，抗拉強度標準值fpk=1860MPa，其初始張拉控制力分別為：TI=230kN，T2=228kN，T3=235kN，T4=275kN。

第九，索塔抗風索：共設6 組抗風索，采用6×19+FC-1770MPaφ30mm 鋼絲繩，交叉布置，分別為K1～K6，與鋼梁前端布置間距分別為：K1=13m，K2=29m，K3=45m，K4=73m，K5=89m，K6=105m，馬鞍式繩卡錨固。抗風索的初始緊固力：K1=12kN、K2=9kN、K3=4kN、K4=8kN、K5=12kN、K6=14kN。

第十，牽引索：采用19 束（按12 束計算即可滿足要求）AS15.2 牽引鋼絞線，截面面積AP=695mm2，彈性模量EP=1.95×105MPa，抗拉強度標準值fpk=1860MPa，單根鋼絞線最大長度約580m，總用量為76根鋼絞線。

第十一，頂推平臺：設置在3×40m 現澆箱梁橋跨位置，采用墩頂托架+墩旁鋼管桁架墩+貝雷梁的形式，滑道梁布置在永久墩（6～12#墩）與頂推平臺上；頂推平臺上的滑道梁設置成離散式，縱向間距為10m，沿縱向共設置12 道（含13～15#墩）。

第十二，落梁裝置：每個落梁支點對稱設置4 臺150t 落梁千斤頂，全橋一幅一聯共需64 套，準備70套，6 套備用。

2.2 鋼梁拼裝平臺搭設

鋼梁拼裝平臺設置在3×40m 現澆箱梁橋跨位置，采用墩頂托架+墩旁鋼管桁架墩+貝雷梁的形式，貝雷梁為2×4m 加強型，實現大跨度無落地支架施工。此項目支架系統設計為拼裝平臺與現澆箱梁施工平臺合二為一。鋼梁拼裝及頂推施工時，平臺面層采用5mm 鋼板鋪設，作為人工操作平臺使用，當需要上汽車時，在墩柱軸線處單獨鋪設一條3.5m 寬2cm 厚鋼板通道作為汽車運輸通道。頂推施工結束后，拆除5mm 鋼板面層，采用10cm×10cm 方木作為分配梁，分配梁上鋪設12mm 厚竹膠板作為現澆箱梁施工底模。現澆箱梁施工預拱度采用方木分配梁進行調節，鋼梁拼裝平臺及現場頂推施工如圖1 所示。

圖1 鋼梁拼裝平臺及現場頂推施工

2.3 頂推臨時設施安裝

2.3.1 斜拉索塔

根據設計以及加工和拼裝的考慮，此項目采用無導梁斜拉矮塔牽引式頂推工藝，為保證鋼梁前端結構剛度，在第一跨鋼梁上端設計三角斜拉索塔進行加固。左右幅鋼梁各設一組斜拉索塔。斜拉索塔結構采用鋼管立柱矮塔作為支點支撐，梁端采用鋼絞線斜拉索進行張拉懸掛，前端長度53m，后端長度42m，高度15m。矮塔采用φ630 鋼管，按縱向2 列、橫向4 排布置，塔高15m；拉索按縱向4 列、橫向4 排布置，分別為T1～T4，采用5 束φs/15.2 鋼絞線，截面面積Ap=695mm2，彈性模量Ep=1.95×105MPa，抗拉強度標準值fpk=1860MPa，其初始張拉控制力分別為：T1=230kN，T2=228kN，T3=235kN，T4=275kN。另外，為加強鋼梁頂推抗風性能，在索塔與鋼梁間設置6 組抗風索，抗風索采用6×19+FC-1770MPaφ30mm 鋼絲繩，交叉布置，分別為K1～K6，與鋼梁前端布置間距分別為：K1=13m，K2=29m，K3=45m，K4=73m，K5=89m，K6=105m，采用馬鞍式繩卡錨固。抗風索的初始緊固力推薦 值：K1=12kN、K2=9kN、K3=4kN、K4=8kN、K5=12kN、K6=14kN。

為安裝矮塔拉索，需在鋼梁設置拉索錨固點，錨固點為三角錨箱結構，采用2cm 厚鋼板焊接成型，焊縫高度16mm，在鋼梁制造廠隨鋼梁一同加工制造出廠。立柱與鋼梁連接的上翼緣需作變寬度處理，兩側各加寬15cm，共加寬30cm。索塔拉索錨固端采用JYM15-5 P 型錨具，張拉端采用YJM15-5 錨具。斜拉矮塔采用13#、15#墩塔吊吊裝搭設，搭設時鋼管自下而上、逐根安裝，搭設一段鋼管立柱便及時安裝平聯、斜撐，嚴禁平聯、斜撐未安裝便升高立柱，連續頂推作業中斜拉矮塔在墩頂和跨中受力施工狀況圖見圖2。

圖2 連續頂推作業中斜拉矮塔在墩頂和跨中受力施工狀況圖

矮塔的水平位移為新工藝鋼梁頂推施工中的重要控制項目之一，表1 是部分頂推工況下，臨時矮塔的順橋向和橫橋向水平位移計算結果。

表1 臨時矮塔頂部的順橋向和橫橋向水平位移 單位：mm

2.3.2 連續頂推動力系統

此創新工藝采用超大型構件液壓同步頂推施工技術，具有以下特點：其一，通過頂推設備的擴展組合，頂推重量、跨度和面積不受限制。其二，頂推工藝相對安全，實施過程中可以對構件進行任意鎖定，并且頂推使用儀器可以進行單獨調節，具有高精度的調節能力，能夠確保鋼梁頂推過程的高效完成，并且過程可控。其三，斜拉鋼絞線相當于采用柔性軌道承重，具備合理的承重吊體系，實現了頂推過程中高度不受限制的效果。其四，使用的頂推設備體積小、重量輕，但承載力大，對類似工程的大型鋼結構的頂推作業非常適用。其五，使用的液壓動力頂推設備通過液壓回路驅動，其運行動作過程的加速度非常小，幾乎無附加動荷載（振動和沖擊），實現了設備和頂推鋼梁框架結構的高效工作。其六，項目動力設備的自動化程度非常高，不僅實現操作方便靈活、安全可靠，而且便于操作和推廣應用。其七，應用的液壓同步頂推，是通過計算機控制各頂推點的同步，在頂推實施過程中，鋼梁構件不僅始終能夠保持平穩的頂推姿態，而且同步控制精度高。其八，此創新工藝高效利用現場施工作業面，對項目總體工期控制非常有利。在該工程中，液壓頂推承重設備主要采用液壓數控連續千斤頂DYSC350D-300 型，其額定頂推重量為358.5t，及DYCP20-2D 型液壓數控泵站（見圖3）。

圖3 DYSC350D-300 型頂推器及DYCP20-2D 型液壓數控泵站

2.3.3 創新頂推同步控制策劃

此創新技術采用的控制系統能夠根據預先設定的精細化控制策略和系統算法，有效實現對整體頂推鋼梁架體的姿態控制和荷載控制。在頂推過程中，該創新工藝對以下安全性指標進行嚴格控制：首先，確保鋼梁各個頂推點所配置的液壓頂推設備的系數一致性；其次，確保鋼梁構架在頂推過程中的穩定性，確保頂推各個單元結構準確就位，同時保持鋼梁構架體各個吊點在上升或下降過程中的同步性（±20mm）。針對以上施工難點，采取以下管控措施：在索塔橫梁上設置的頂斜拖拉點的液壓頂推千斤頂通過液壓數控泵站進行串聯或并聯，每套液壓數控泵站設置2 臺泵機。

2.3.4 鋼梁頂推實施導向架制作、安裝

此創新工藝采用的液壓頂推千斤頂在施工中，會在頂部留有長出的鋼絞線。然而，需要注意預留的鋼絞線長度要適當。如果預留的鋼絞線過長，將對鋼梁頂推過程中鋼絞線的運行、液壓頂推器的天錨和上錨的鎖定以及打開產生較大影響。因此，每臺液壓千斤頂需要事先配置好導向架，以確保頂部多余的鋼絞線能夠順利導出。

導向架安裝在液壓千斤頂的后方（稍高），導向架的導出方向要便于安裝油管和傳感器，并且不影響鋼絞線自由下墜。導向架橫梁距離天錨的高度應大于1.5～2m，并且偏離液壓千斤頂的中心保持在5～10cm。導向架可以使用現場的角鋼或腳手管架進行臨時制作，但必須確保架體具有足夠的強度、剛度和穩定性。

2.3.5 牽引鋼絞線的安裝

在此工程中，采用19 束AS15.2 牽引鋼絞線。每根動力牽引鋼絞線的最大長度為580m。總共使用4臺液壓千斤頂，共計使用76 根鋼絞線。由于牽引動力鋼絞線較長，在穿鋼絞線時，技術員考慮采取以下步驟：首先，在拼裝平臺端放置索架，并通過架設牽引系統將鋼絞線牽引至千斤頂的上端；其次，當基本到位后，即可穿過連接錨具。在操作過程中，鋼絞線不可發生竄孔、打結或整體扭轉等情況。每束鋼絞線露出段應保持平齊，穿好的鋼絞線的上端通過夾頭和錨片進行固定。

2.3.6 逐級加載實施頂推

鋼梁框架的各構件在工廠加工完成后，被運輸到施工現場，并按照規范進行存放和驗收。在拼裝過程中，使用35t 龍門吊將鋼梁桿件進行散拼，然后進行整體縱橫向的組拼安裝。最后，進行頂推施工。頂推完成后，在平臺上繼續拼裝下一個鋼梁節段單元，并循環執行此過程。在液壓頂推系統檢測和試運行無誤之后，開始正式的頂推施工。在實施頂推之前，需要計算確定液壓千斤頂的伸缸壓力（考慮壓力損失）和縮缸壓力。試頂推開始時，液壓千斤頂的伸缸壓力必須逐漸上調。開始加載壓力設定為總壓值的20%、40%、50%。在確認一切正常后，繼續加載到60%、70%、80%、90%、95%、100%。試驗頂推結束后，必須再次全面檢查液壓頂推器、設備系統和結構系統。只有當確認整體結構的穩定性和安全性時，才能進行正式的頂推工作。

2.3.7 滑塊倒換與落梁

滑塊是滑道梁與鋼梁之間的摩擦面。每頂推一段距離后，需要對滑塊進行倒換。拼裝頂推平臺及各墩頂的滑塊倒換時機為滑塊即將滑出滑道梁的時刻，在操作時需保證每個滑道梁上至少2 塊滑塊，確保滑塊接觸處鋼梁的穩定性。頂推到位及橋面板施工完成后需要將鋼梁下落到支座上，落梁總高度約65cm。采用鋼板和墊塊抄墊，千斤頂下放的方式進行落梁，為保證落梁穩定性，每個落梁支點對稱設置4 臺150t落梁千斤頂，支墊塊與千斤頂交替受力完成落梁過程。操作過程中需在墩頂預埋鋼板，安裝落梁裝置時將立柱與預埋鋼板焊接在一起，或者直接通過植筋的方式用化學錨栓將整個落梁調平墊板進行固定。

3 無導梁大跨鋼梁連續頂推施工全過程受力安全分析

3.1 鋼主梁抗滑移驗算

鋼主梁大懸臂豎向變形會引起向外側的滑移水平分力和臨時斜拉索向外側的不平衡水平分力，這些會導致鋼主梁在頂推過程中產生滑移安全風險。

3.1.1 滑道頂支反力

針對各工況下支承滑道上最不利水平反力和豎向反力情況，驗算單個滑道的抗滑移安全系數。

從表2 可以看出，頂推工況CS30 會出現滑道中較大水平力和較小的豎向反力組合情況，此時鋼主梁在滑道上存在滑移風險（見圖4）。

表2 各支承滑道中最不利水平力和豎向反力數據 單位：kN

圖4 滑道及拼裝現場施工圖

3.1.2 抗滑移校核

考慮滑道梁頂與鋼主梁間設置了不銹鋼板，有潤滑的滑動摩擦系數可取為0.06，則滑道的抗滑移安全系數：

校核驗算結果表明，鋼主梁在頂推過程中，抗滑移安全性可以滿足控制要求。

3.2 鋼梁整體穩定性驗算

項目新工藝安全性校核的關鍵內容之一是驗證頂推過程中永久結構的整體穩定安全系數。由于項目采用無導梁頂推新工藝，其結構系統具有特殊性，傳統的一階屈曲分析無法得出合理的計算結果。因此，在該研究中采用Pushover 分析來進行結構的二階彈塑性極限點穩定分析。在合理設置鋼主梁的材料非線性特性的情況下，結合指定的加載模式，利用Pushover 分析可以準確計算結構極限點穩定的極限值。與屈曲分析相比，通過Pushover 分析得到的分支點和穩定的上限值更加可靠和精確。通過分析得到的全過程能力-位移曲線，可以根據初始塑性鉸出現時對應的穩定荷載來計算整體穩定安全系數（見表3）。

表3 各關鍵頂推工況下鋼主梁整體穩定安全系數值

通過對項目頂推過程中鋼主梁的靜力彈塑性分析，得到的頂推過程中鋼主梁的極值點整體穩定安全系數均超過4.0，說明頂推過程中鋼主梁的整體穩定能滿足安全性控制要求。

3.3 鋼主梁局部穩定驗算

無導梁頂推施工新工藝的核心是在鋼主梁上設置臨時扣塔，利用臨時斜拉索調整懸臂鋼梁段受力狀態。

頂推過程中，由于臨時斜拉索的索力不斷變化，臨時扣塔會承受較大的豎向力和彎矩作用，而臨時扣塔塔柱會將作用力傳遞給鋼主梁，對鋼主梁局部產生巨大的壓力和拉力。因此，必須對鋼主梁的局部穩定性進行安全性校核分析。在SAP2000 中建立前/后塔柱下局部鋼梁板殼三維模型，將塔柱軸壓力作為均布壓強作用在鋼梁頂翼緣。然后對鋼梁模型進行特征值屈曲分析，其中前塔柱下鋼梁局部精細建模分析的屈曲系數為21.6，后塔柱下鋼梁局部精細建模分析的屈曲系數為25.3。這些屈曲系數表明構件穩定性可以滿足安全性控制要求。

4 無導梁大跨鋼梁連續頂推施工抗風穩定性分析

由于風場的方向和切入角問題，在橋梁風荷載計算中，存在構件間風作用的遮擋。該仿真模擬針對計算風荷載全部作用于邊榀鋼主梁和協同分配到4 榀鋼主梁進行計算，評估風荷載傳遞時鋼主梁間側向支撐剛度問題。

從圖5 的分析結果可以看出，風荷載均勻施加在4榀鋼主梁上和施加在邊榀鋼主梁上，得到的側向變形差值很小，基本可忽略，說明各榀鋼主梁之間的支撐剛度較好，能夠滿足風荷載在各榀鋼主梁間協同分配的計算假定。

圖5 風荷載施加在不同位置上鋼主梁的側向變形結果情況

5 施工安全風險評估及監測預警

5.1 施工安全風險評估

鋼梁頂推施工中需要大型臨時結構和重型設備參與施工，且施工工序相對復雜，存在以下幾點施工安全風險：

其一，鋼梁施工中，鋼梁在拼裝平臺進行拼裝，如果拼裝施工控制不合理，產生質量問題，各梁段連接處存在強度缺陷，則有可能為此后的頂推施工工作埋下隱患，引發嚴重施工安全風險；

其二，頂推施工時如不能保證鋼梁運動的連續性，造成鋼梁的“爬行”運動現象，對高墩會造成反復沖擊，引發嚴重施工安全風險；

對多次點爐、拆開回火器和燒嘴，利用廢布在爐口燃燒實驗等措施進行分析，發現造成綠色、紫色回火器炸裂的主因是C排以上形成“鍋蓋”，爐內燃燒氣氛上行受阻，導致回火器和防爆片炸裂；而“鍋蓋”成因主要是C5水冷套管內部有3個砂眼漏水，停爐后吹掃過程中，由于被汽化的水蒸汽比空氣的比熱大，冷卻過程中帶走熱量更多，散熱速度快，C排以上一些已熔化的銅在吹風時下落，下落至C排以上立即凝固，因此堵塞氣體上行的縫隙，加之爐內上部電銅的重力作用，使得C排以上電銅形成一層密封嚴實的電銅塊，即形成“鍋蓋”；點爐過程中，將易燃的廢布、木塊丟進爐口后，未見明顯火焰、氣流上升，則說明爐內氣氛上升受阻。

其三，若頂推不同步，會產生負載集中的現象，加重先啟動千斤頂的負擔，墩水平受力異常增大，鋼箱梁橫向偏移、都會使高墩發生過大偏移，甚至超出其允許值，同時導致頂推過程中梁出現中線偏離、各高墩墩頂偏位超出設計要求的問題，引起的施工安全風險；

其四，當鋼梁底部預制不夠平整，滑道頂面不夠光潔，滑道及支座存在標高誤差時，則可能造成鋼梁底板應力集中，增加頂推的摩阻力，影響頂推的順利進行，從而引發安全風險。

5.2 監測技術研究

5.2.1 應變監測方案

（1）頂推過程中高墩底部混凝土的應變測試。

測試部位：選取兩個受力較大的高墩，在高墩底部四個面布置測點，具體位置見圖6。

圖6 高墩應變測點布置圖

測點數量：16 個測點。

測試設備：DH3819 無線靜態應變測試儀（采樣頻率60Hz）。

監測項目：高墩底部混凝土的彎曲應力情況。

測試頻率：頂推施工時連續測量。

（2）頂推過程中臨時扣塔的應變測試。

測試部位：選取臨時扣塔邊柱和相鄰的鋼柱進行測量，選取應力測點布置在臨時扣塔的鋼柱底部橫橋向及順橋向位置。具體位置見圖7。

圖7 臨時扣塔應變測點布置圖

測點數量：8 個測點。

測試設備：DH3819 無線靜態應變測試儀（采樣頻率60Hz）。

監測項目：頂推施工過程中臨時扣塔在斜拉索及纜風繩的作用下底部應力變化情況。

測試頻率：頂推施工時連續測量。

（3）變形監測方案

變形監測是頂推施工中主要測試項目之一，變形監測主要針對鋼梁懸臂端附近的變形和臨時扣塔頂部水平變形監測。

測試部位：在頂推施工過程中進行測試，其中鋼梁前段2 個監測點，臨時扣塔4 個監測點，鋼梁最大脫空處2 個監測點，T2斜拉索位置2 個監測點，共10 個監測點，具體位置見圖8。

圖8 鋼梁變形測點布置圖

測試設備：精密數值水準儀、數字全站儀。

監測項目：頂推過程中臨時扣塔頂端及鋼梁懸臂端變形情況。

監測頻率：頂推施工及橋面板安裝施工時連續測量。

6 結語

無導梁大跨鋼梁連續頂推施工新工藝的核心在于引入輔助臨時施工裝置，如臨時鋼管矮扣塔和臨時斜拉索，并應用2×4m 加強型無落地支架設置方法。通過在貴州省納雍至晴隆高速公路第T15 合同段牂牁江特大橋晴隆岸引橋上的應用過程中進行研究和實施，取得顯著的效果。這項工藝減少大型臨時結構的總用鋼量26t，降低材料采購和制作費用24 萬元，縮短引橋施工工期35 天（2 聯），減少高空作業工班55個，并產生直接經濟效益125 萬元。通過優化無導梁頂推施工工藝，可以降低頂推平臺約20%的設計豎向荷載，節省施工支架措施費用約12 萬元；同時，通過優化墩旁托架設計，還可以節約材料采購和制作費用約4 萬元。綜上分析，此創新頂推工藝結合裝配式組合鋼管矮扣塔的定型化和標準化施工，應用于此項目中可產生約140 萬元/橋的直接經濟效益。如果將此項目研究成果未來應用于其他橋梁建造中，將產生更加豐厚的經濟效益。