鋼桁梁橋步履頂推施工技術研究

金明

武橋重工集團股份有限公司 湖北 武漢 430000

由于鋼桁梁橋結構特點，受弦桿節點受力要求的限制，如采用頂推安裝一般都選用傳統的托拉法頂推施工。即通過在橋墩和臨時墩上設置拼裝平臺、足夠長度和數量的滑道、滑塊、水平千斤頂等裝備，通過水平千斤頂施力，借助滑道、滑塊將鋼桁梁向前推進，推到設計位置后進行落梁，完成鋼桁梁橋的頂推安裝工作。該方法需要做大量的準備工作，效率低、材料設備投入大，且在施工過程中受滑道平面精度、滑塊摩擦力不均、水平千斤頂無法絕對同步等影響而可能出現滑移面內應力增大或突然釋放造成結構移動不穩定和橫向偏位等質量安全隱患。

1 工程簡介及研究背景

浩吉鐵路張家灣聯絡線貨車聯右線大橋為64m跨簡支鋼桁梁橋，采用無豎桿三角桁結構形式，結構總重473.5t。該橋上跨隴海鐵路和浩吉鐵路兩條既有正線鐵路，鐵路上方布置有接觸網，且往返列車通過頻繁。介于此橋地理位置、施工環境和要求，采用頂推法安裝最為適宜。為方便施工，減少投入，提高效率，確定采用步履式頂推施工進行安裝，為驗證此方案的可行性進行了深入研究和分析[1]。

2 總體施工方案

鋼桁梁在橋位一側路塹位置進行鋼導梁和主橋鋼梁的拼裝作業，采用6臺320t步履機進行頂推施工，逐步將其主橋鋼桁梁頂推至橋位處。其主要施工流程如下：

場地平整，搭設臨時支架。根據地理環境，地基承載力及頂推水平推力等要求臨時支采用樁基和擴大基礎兩種。在支架立柱設置頂推設備，頂推設備相對位置在鋼桁梁下弦桿腹板下方。

鋼桁梁桿件在工廠制造完成后，運輸至現場，通過龍門吊機及汽車吊進行43.5m導梁與64m鋼桁梁組裝架設。

復測各節點標高（預拱度）、橋軸線形及節段間距等外形尺寸，無誤后調試步履機千斤頂及油路、電路管線和操作監控系統。

整體向前頂推105m到達設計位置。

進行落梁施工，拆除臨時支架。

3 步履機的選型及工作行程

根據理論計算結果，單節點反力最大為241.6t，只考慮兩臺設備提供推力，則單臺設備所需的最大水平力為21.85t。頂推選用6臺SLBLJ-320型步履機進行施工。

步履式頂推主要由步履機提供頂推時的起頂、前移、橫向糾偏的三個方向動力。頂推以滑道梁、滑塊為輔助滑移裝置，主要利用步履機與鋼桁梁下弦之間的摩擦力帶動整體鋼梁前移[2]。頂推過程中是一個自平衡的頂推動作過程，具體安裝及施工步驟如下：

安裝步履機及平臺→頂升鋼桁梁下弦桿（限壓）→利用摩擦力頂推鋼桁梁→頂升頂回程完成力系轉換→頂推頂回程行程結束（如圖1）。

圖1 步履機脫離圖

4 施工場地布置

鋼桁梁拼裝場地及頂推平臺設置在橋址小里程側線路路基上。此頂推方式不用設置通長的頂推滑道，僅在步履機位置設置一個節段長度的滑道即可。根據現場情況及施工要求，在路基上設置4個混凝土滑道，1#橋臺前兩側各設置一組臨時支架和鋼滑道梁。在鋼桁梁節點位置設置混凝土支墩，確保鋼桁梁安裝中節點受力不下沉（如圖2）。

圖2 頂推支架布置立面圖

滑道及滑道梁均為Z字形結構，頂面設置滑道，凹處放置步履機。為克服頂推過程中的水平推力，支架基礎采用擴大及挖孔樁基礎[3]。

5 頂推施工步驟

此次頂推采用步履式滑移頂推施工方式，最多同時采用6臺步履機進行頂推。其頂推流程如下所示：

步驟一：施工頂推臨時墩、拼裝胎架和滑道梁，安裝步履機、滑塊。

步驟二：在拼裝區域安裝64m鋼桁梁與43.5m鋼導梁。

步驟三：利用步履機與滑塊將鋼桁梁整體向前頂推4個節間長度，每推出一個節間，利用步履機將鋼桁梁頂起，將滑塊移至后方節點處（如圖3）。

圖3 步履機即將脫離圖

步驟四：繼續整體向前頂推4個節間長度，同樣利用步履機將鋼桁梁頂起，將滑塊移至后方節點處。此時鋼桁梁尾端脫離1#步履機后，將1#步履機轉至前方4#支架上。（如圖4）

圖4 步履機工作行程圖

步驟五：每次向前頂推1個節間長度，當導梁頂過4#步履機2個節間長度后，拆除前方2個節間范圍內的導梁，當整體向前頂推2個節間長度后，鋼桁梁到達設計位置。

步驟六：拆除剩余導梁后整體落梁完成頂推。

6 應力分析及驗證

6.1 頂推工況應力分析

此次計算采用 Midas Civil 2017 進行頂推模擬。鋼梁整體重量473.5t，導梁整體重量100t，鋼桁梁整體均布荷載按7.4t/m考慮，導梁均布荷載按3t/m考慮。

根據頂推施工步驟，取其中十一個工況來對此次頂推流程進行分析計算。

根據工況分析可知，單臺步履機所受最大反力為241.6t，鋼桁梁所受最大應力為109.1MPa，導梁所受最大應力為147.4MPa，最大剪應力為19.4MPa。導梁前端最大懸挑撓度為7.2cm。

工況匯總如下：

Q345鋼材的抗彎允許強度為200MPa，抗剪允許強度為120MPa。因此鋼梁及導梁的最大應力均在允許應力范圍之內，強度滿足要求。

表1 工況匯總

6.2 頂推摩擦力分析計算

320t步履機將鋼梁起頂，在鋼梁節點下放置滑塊，鋼梁重量主要由滑塊承受，每套步履機豎向頂泄壓至提供最大160t豎向力，縱向水平頂再施加水平力，利用步履機與鋼梁底部的摩檫力將鋼梁向前頂推。

6.2.1 縱坡頂推可行性分析

由于鋼桁梁頂推存在1.3%的縱坡，頂推路線也是按1.3%的縱坡進行布置的，為保證鋼桁梁在頂推時不向后滑動，需保證鋼梁在1.3%縱坡時的摩擦力大于下滑分力。鋼梁頂推總重量473.5t，導梁重量取100t，整體重量按573.5t計。鋼梁整體在1.3%縱坡時的摩擦力為17.2t（摩擦系數按0.03計算，摩擦介質按鋼與MGE板計算），后滑力為7.5t＜17.2t，故鋼桁梁在此縱坡下不會發生后滑。

6.2.2 縱向頂推力分析

縱向頂推力須克服鋼梁滑塊與滑道梁之間摩擦力與后滑力的合力。滑塊下墊MGE板與滑道梁頂鋼板之間摩阻系數取無潤滑時的0.05，則總頂推力需＞573.5×0.05=28.7t，頂推力按兩臺步履機考慮，單臺需提供28.7/2=14.35t水平力，需克服的總水平力為14.35+7.5=21.85t＜30t，故縱向水平頂滿足要求。

6.2.3 步履機與鋼梁之間摩阻力分析

縱向頂推力是通過步履機頂上分配梁與鋼梁之間摩擦力實現的，如果按兩臺步履機提供摩擦力考慮，單臺步履機至少需要提供21.85t的水平力，分配梁與鋼梁之間的摩阻系數取0.15，則單臺步履機所需的最小豎向反力為21.85÷0.15=145.7t。

6.3 鋼桁梁下弦節點中部受力計算

由工況計算可知，單臺步履機需提供的最大豎向力為160t，即鋼桁梁下弦中部所受最大頂力為160t，考慮下弦桿節間中部受力，節間長度按最大長度5.3m考慮。下弦計算采用1000×520×20×20mm的矩形結構，計算其跨中彎矩為2141.5KN·m，剪力為814.0KN。

根據《鋼結構設計規范》，對與同時受較大正應力與剪應力的梁，按下式進行該處應力折算：

由上述算式可知，鋼桁梁下弦節間中部彎曲應力、剪應力、局部壓應力皆在許可應力范圍之內，且折算后的復核應力也在規范允許范圍之內，故鋼桁梁下弦強度滿足頂推施工要求。

6.4 鋼桁梁下弦局部承壓受力計算

由工況計算可知，單個支點最大豎向反力為241.6t，即鋼桁梁下弦節點所受最大反力為241.6t。

由《鋼結構設計標準》中關于局部承壓強度的計算公式可得：

下弦局部承壓強度為：

故鋼桁梁下弦節點處局部承壓強度滿足要求。

7 結論

張家灣聯絡線貨車聯右線大橋64m鋼桁梁采用6臺320 t步履機進行同步頂推的施工方案，并借助Midas Civil進行不同工況的鋼桁梁頂推模擬,分析鋼桁梁下弦桿、鋼梁和導梁腹桿等構件的受力性能,確保整個頂推過程中鋼桁梁的穩定性。大大節約了頂推施工成本，縮短鋼桁梁頂推施工時間,保障頂推施工安全，也進一步驗證了鋼桁梁橋步履式頂推施工的可行性，為同類鋼桁梁橋步履頂推施工總結經驗并提供技術參考。