小半徑鋼-混組合梁步履式頂推施工技術應用分析

鐘華 黨思雨 婁夢雷 譚家科

作者簡介：鐘?華（1983—），高級工程師，主要從事公路工程施工技術管理工作。

文章以小半徑大坡度鋼-混組合梁匝道橋步履式頂推施工為工程依托，根據施工條件對比分析各施工方案的適用性，對步履式頂推施工的工藝技術及難點進行分析，并通過Midas Civil有限元軟件對結構進行計算，確認方案的可行性。通過將數值結果與實測結果進行對比，驗證了數值建模的合理性與計算的準確性，可為類似橋梁施工提供經驗參考。

鋼-混組合梁；小半徑；步履式頂推；有限元計算

U445.462A401424

0?引言

近年來，隨著我國高速公路的蓬勃發展，高速公路延伸到了地勢情況更加復雜的區域，施工難度越來越大。在橋梁建設過程中，跨越江川、河流以及現有交通的情況越來越常見，在這些特殊的建設場地中，常常伴隨著施工場地受限、危險性大、影響現行交通等問題。采用頂推技術對橋梁技術進行施工將有效避免此類問題。

陳鵬等［1］對鋼箱梁的頂推施工過程進行數值模擬，研究結構應力應變特性，預測了頂推過程中的變形和最大應力，計算了關鍵部位的局部穩定性。范曉震［2］對跨河大橋的步履式頂推施工工藝的控制要點進行探討，驗證了步履機加滑道的適用性，記錄了頂推過程中關鍵控制技術的應用。吳磊等［3］對鋼箱連續梁橋頂推施工的施工工藝技術及關鍵問題進行了研究，對局部受力進行了分析，驗算了構件的強度及穩定性。范鵬等［4］對橋梁頂推結構進行有限元建模，計算結構受力特性以滿足規范要求，針對導梁的扭轉變形進行了加固。宋顯銳等［5］對頂推支架進行數值分析，研究臨時支架的受力及變形，結果表明，頂推時支架頂部與底部較為薄弱，應對局部薄弱部位進行加強。

本文根據實際施工條件，對鋼-混組合梁架橋施工方案進行比選分析，并對步履式頂推施工技術進行說明以及對結構進行有限元計算，以闡述步履式頂推施工的技術應用。

1?工程概況及方案比選分析

1.1?工程概況

龍勝-峒中口岸公路龍勝芙蓉至縣城段雙洞互通C匝道橋第三聯為4×40.879 m鋼混組合梁，擬采用步履式頂推的方法進行施工。主梁采用“槽型鋼箱梁+混凝土橋面板”的組合結構，斷面采用雙主梁結構。總梁高2.25 m，高跨比約為1/17.8，混凝土橋面板寬9 m，主梁縱向節段5個。橋梁立面圖見圖1。

施工條件及施工難點：

（1）C匝道鋼混組合梁橋跨位于橋中，且上跨和平河，最大墩高約為35 m。

（2）轉彎半徑僅為150 m的彎道橋施工，橫坡為6%。

（3）C匝道橋貫穿項目的小構廠，緊鄰隧道、鋼筋加工場，且施工便道下穿C匝道橋。

1.2?方案比選分析

根據現場施工條件，對各橋梁施工方案進行比選分析，對比吊裝法、架橋機施工法、拖拉頂推施工法以及步履式頂推施工法的現場施工適用情況。比選分析如表1所示。由表1分析可知，在橋墩過高、施工場地受限且彎道半徑較小的施工條件下，同時能兼顧經濟性與安全性的施工方案為步履式頂推施工。

2?頂推施工準備[HJ1.1mm]

2.1?頂推原理及設備

利用步履式頂推設備機械系統“頂”“推”“降”“縮”的4個步驟交替進行，先將組合梁整體頂升托起；然后頂推油缸向前推送一個行程；再將鋼組合梁整體下降落于頂升油缸上；頂推油缸再縮缸到底；完成一個行程的頂推；繼續進行下一個循環，通過往復頂推步驟，最終將鋼組合梁頂推到設計位置。頂推設備立面圖見圖2。

圖2?頂推設備立面圖

本項目采用的是TJJ-3200型步履式頂推器，頂推油缸推力為60 t，行程為1 000 mm，頂升油缸頂升力為320 t，行程為250 mm。同時配備了液壓泵源系統和同步控制系統。

同步控制系統主要作用：

（1）通過計算機網絡集中、精準、高效地對各個頂推器進行控制，確保各頂推點的同步進行。

（2）通過傳感器接收各個支墩的支撐反力，監控支撐反力的變化，防止支撐反力過大產生安全隱患。

頂推具體步驟如下：

第一步：設備安裝就位，構件由置換支墩支承；

第二步：頂推油缸伸缸，構件向前推移一個行程；

第三步：頂升油缸伸缸頂起，結構自重轉移至頂升油缸；

第四步：頂推油缸縮缸，置換支墩拉回至起始位置；

第五步：頂升油缸縮缸，千斤頂回落，一個行程結束。

通過調節左右頂推油缸的速度，彎道外側速度高于彎道內側，使內外半徑始終保持在彎道橋的同一法線上。在頂推過程中時刻監測橫向偏位，出現過大偏位時，立即停止縱向頂推，啟用糾偏油缸進行糾偏，使橋梁中線與橋墩中線相對應。

2.2?導梁安裝

導梁的作用：

（1）通過設置高強度、低重量的導梁，防止在頂推過程中橋梁發生傾覆。

（2）通過設置變截面的導梁，防止橋梁懸挑產生下撓造成橋梁前端上墩高度不夠，可在導梁的輔助下銜接上墩。

導梁長度宜取最大懸臂長度的0.6～0.8倍，且應保證抗傾覆力矩為傾覆力矩的兩倍以上。依據上述分析，本案導梁最短長度約24 m，分兩段以直代曲，以更好地在彎道頂推中起到輔助作用。導梁與主梁之間采用熔透對接焊縫進行連接，保證頂推過程中整體結構的穩定。導梁結構如圖3所示。

2.3?臨時支架

2.3.1?拼裝臨時支架

由于組合梁橋墩高達35 m，組合梁階段拼裝需在臨時支架上進行。臨時支架立柱采用426 mm×8 mm圓管，支撐采用140×4圓管，柱頂設置HN400×200熱軋H型鋼分配梁，每節立柱之間采用法蘭盤連接。支架基礎為條形基礎，基礎施工時在混凝土頂部預埋16 mm鋼板，立柱鋼管與鋼板之間通過焊接連接。臨時支架立面及結構見下頁圖4～5。

2.3.2?頂推臨時支架

頂推臨時支架設置在蓋梁上，首先在蓋梁上打孔，然后采用混凝土將支架頂推位置調平，并在混凝土頂部預埋1.6 cm鋼板，鋼板與蓋梁混凝土之間采用膨脹螺栓連接，接著在鋼板上設置600×14鋼管支撐立柱，在立柱上設置HN800×300×14×26H型鋼橫梁，在橫梁上設置雙拼HM588×300×12×20H型鋼縱梁，在H型鋼上安裝步履式頂推設備。在頂推設備上設置HW400×400×13×21型鋼橫梁，左右箱體橫坡采用墊塊調平，整體結構如圖6所示。

2.4?頂推施工監控布置

由于鋼箱梁采用頂推施工法，每個節點坐標位置的變化與偏離都會影響最終成橋線形。為保證橋梁線形符合設計要求，必須在箱梁頂推施工過程中進行線形監測。線形監測主要內容包括：

（1）箱梁標高監測及軸線偏位監測；

（2）導梁標高監測及軸線偏位監測；

（3）橋墩變形監測；

（4）成橋線形測量。

3?頂推過程

3.1?頂推施工過程

鋼-混組合梁施工準備階段完成后，具體頂推流程如下：

第一步：搭設拼裝平臺支架，在蓋梁頂安裝步履式頂推設備；在拼裝支架上完成24 m導梁及4節鋼組合梁的拼裝。

第二步：調試完畢后將拼裝完成的結構整體頂推20 m。在推進過程中，注意梁體與臨時支撐的間距，確保梁體落在臨時支撐的中點。

第三步：在支架上拼裝后續2個節段的箱體。

第四步：重復第二、第三步直至所有箱體拼裝完成。

第五步：所有箱體拼裝完成后，繼續頂推，直至鋼混組合梁到達設計位置。

為實現彎道頂推過程中梁體的線型準確，避免梁體橫向位移過大，對內外半徑的頂推速度差進行調節，實現橋梁左右兩側均在彎道半徑的同一法線上，外半徑的頂推速度為0.2 cm/min，內半徑的頂推速度為0.188 cm/min。

3.2?落梁體系轉換

頂推完成后，進行結構落梁卸載工序，落梁步驟如下：

（1）鋼混組合梁頂推到位后，步履設備頂升，在原設計橋墩上放置墊塊，步履頂推設備縮缸落位，將結構荷載轉移至臨時墊塊上。

（2）拆除步履頂推設備，布置卸載頂升油缸和墊塊，升缸250 mm，將結構荷載轉移至頂升油缸上，抽掉一塊臨時墊塊。

（3）縮缸，將結構荷載轉移至臨時墊塊上，拆除頂升油缸下方墊塊，再次升缸，將結構荷載置換至頂升油缸上，抽掉一塊臨時墊塊；重復上述流程。

（4）落梁高度至1 m左右，放置永久支座，并將步履頂推設備放置在鋼組合梁橫聯位置，確保拆除步履頂推設備時，有足夠的操作空間，繼續落梁施工。

（5）在落梁高度剩余50 cm時，啟用頂推設備的糾偏油缸，對橋梁進行橫向糾偏。糾偏結束后，利用頂升油缸將組合梁升起2 cm，拆除臨時支撐墊塊，頂升油缸回縮，將組合梁下放到永久支座上，設置梁體和永久支座之間的連接，完成落梁及體系轉換工序。見圖7。

落梁時，一共有五個落點，由于路線縱坡為2.44%，遵循先高后低的順序，在落梁施工時，先落高的11#、10#、9#墩，再落低的8#、7#墩，交替進行。縱坡示意圖見圖8。

3.3?鋼-混組合梁頂推施工有限元計算

以實際橋梁施工為參考依據，通過Midas Civil軟件對鋼-混組合梁結構進行數值建模，對匝道橋4×40.879 m跨進行結構計算，以驗證結構在頂推工況下受自重作用的安全性及穩定性。數值模型見圖9。

3.3.2?計算結果

3.3.2.1?數值結果與實際工程對比

取各階段工況下前導梁的數值計算最大撓度與相同工況下實際頂推施工的撓度值進行對比，見圖10。

由圖10對比分析可知，各工況下的數值計算結果與實際施工的數值計算結果變化趨勢基本一致，實際工程施工產生的撓度值均高于數值計算撓度。

在工況二前部最大懸臂時與工況六主箱最大懸臂撓度出現峰值，數值計算撓度峰值分別為245.3 mm、269.1 mm，實際工程施工撓度峰值分別為261 mm、285.5 mm，對比數值計算與實際工程的撓度值誤差分別為6%、8.3%。二者對比結果誤差均＜10%，較為吻合，驗證了數值模擬建模的合理性與計算結果的準確性。

3.3.2.2?結構驗算

經過計算，頂推最大反力為762 kN，配置320 t步履千斤頂，可滿足要求。頂推導梁強度在工況二下的最大組合應力和剪應力分別為52.99 MPa和4.17 MPa，箱梁強度在工況二下的最大組合應力和剪應力分別為102.6 MPa和2.9 MPa，符合組合應力容許值215 MPa和剪應力容許值125 MPa。頂推剛度在工況四下的導梁最大撓度為261.9 mm，縱移時高程預抬150 mm，滿足上墩要求。

由計算可知橋梁最大重量為530.9 t，橋梁總長為163.354 m。可得鋼混組合梁單位重量為3.25 t/m，則此時頂推結構的抗傾覆力矩為：

W抗=3.25×40.995×40.9952=2 730.96 kN·m

傾覆力矩為：

W傾=3.25×16×162+29×（16+242）=1 228 kN·m

此結構的抗傾覆系數為W抗/W傾=2.22，＞1.5，滿足規范要求。

4?結語

本文以鋼-混組合梁步履式頂推法施工為工程背景，得到了以下研究結論：

（1）根據現場實際施工條件及難點，對各施工方案的優缺點進行了比選分析，確定了步履式頂推法施工的最優適用性。

（2）對步履式頂推施工的工藝技術進行了總結，并指出了彎道頂推施工的控制要點。

（3）通過Midas Civil軟件對頂推過程結構進行計算，驗算結果滿足規范；將數值結果與實測結果進行對比，二者較為吻合，驗證了建模的合理性和準確性。

本文中關于步履式頂推施工的方案選擇、工藝、技術關鍵及計算內容，可為類似的工程施工提供一定的經驗參考。

參考文獻

［1］陳?鵬，劉?月，李?璇，等.鋼箱梁步履式頂推施工力學行為分析［J］.國防交通工程與技術，2023，21（6）：35-39，68.

［2］范曉震.跨河大橋鋼桁梁步履式頂推施工控制探討［J］.中國水運，2023（11）：146-148.

［3］吳?磊，楊建鋒.曲線鋼箱連續梁橋頂推施工技術［J］.公路，2023，68（11）：153-158.

［4］范?鵬，李志成.鋼箱梁頂推施工中導梁結構受力分析［J］.科技資訊，2023，21（22）：125-128.

［5］宋顯銳，魏瑩瑩，方磊磊，等.大跨鋼箱梁橋頂推臨時支架結構受力分析［J］.結構工程師，2023，39（5）：17-24.