跨江鋼箱梁頂推施工過程安全管理方法

摘 要：跨江鋼箱梁頂推施工技術(shù)在國內(nèi)較為成熟，但安全管理措施并不完善，致使施工質(zhì)量得不到提高。基于此，以某大跨鋼箱梁橋工程為例，采用梁前端撓度和主梁前端撓度為分析數(shù)值，得出彎矩弧度與應(yīng)力變化對(duì)頂推施工的影響。分析對(duì)比兩組主梁導(dǎo)聯(lián)梁截面應(yīng)力為20 m、30 m，進(jìn)行全面的周期監(jiān)測，科學(xué)分析計(jì)算結(jié)果，保留實(shí)測值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：主梁的20 m、30 m和68 m位置截面是頂推施工的核心管控截面。觀測主梁及導(dǎo)梁應(yīng)力變化情況，能有效提高橋梁頂推施工的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：大跨鋼箱梁橋；頂推法；施工安全；控制措施

中圖分類號(hào)：U448.213" " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " "文章編號(hào)：2096-6903（2025）02-0041-03

0 引言

在大型鋼箱梁橋的建設(shè)中，頂推施工技術(shù)被廣泛應(yīng)用，通過在橋梁全長設(shè)置預(yù)制場，逐段完成梁體的集成，以其高效便捷和縮短工期的優(yōu)勢(shì)占據(jù)主導(dǎo)。然而，橋梁主體和導(dǎo)梁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，包括撓度、應(yīng)力分布以及彎矩變異，對(duì)施工過程中的安全性至關(guān)重要。為了確保施工的質(zhì)量、安全與進(jìn)度并行推進(jìn)，精確掌握這些影響因素顯得尤為關(guān)鍵。

基于此，本研究以某工程項(xiàng)目為例，對(duì)先進(jìn)的MidasCivil有限元模型進(jìn)行了合理化的使用。在頂推施工時(shí)，針對(duì)鋼箱梁施工安全影響因素和結(jié)構(gòu)力學(xué)特性進(jìn)行了透徹的分析。通過對(duì)這些參數(shù)的動(dòng)態(tài)分析，實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)控，并在此基礎(chǔ)上提出了針對(duì)性的應(yīng)力管理和變形控制策略。這一系列工作旨在為大跨度鋼箱梁橋的施工安全提供堅(jiān)實(shí)的科學(xué)和技術(shù)支持。

1 工程概況

本次研究以某大型鋼箱梁橋建設(shè)項(xiàng)目為研究對(duì)象，主橋采用梁拱組合橋方案，梁拱之間采用網(wǎng)格吊桿連接，主橋跨度布置為（100+180+100）m。主拱設(shè)計(jì)為坦拱，主跨主拱矢高24.5m，矢跨比為1/7.3，邊跨主拱矢高11.5 m，矢跨比為1/8.7，非合理拱軸線，主橋?yàn)閺?qiáng)梁弱拱結(jié)構(gòu)，鋼箱梁為變高連續(xù)梁。

主橋平面位于直線上，整幅布置，標(biāo)準(zhǔn)橋?qū)挒?2 m，在中支點(diǎn)處設(shè)置觀景平臺(tái)，局部加寬至52 m。主體結(jié)構(gòu)選用Q345qD型及Q420qD型鋼材，但因其對(duì)環(huán)境溫度敏感，對(duì)施工工藝提出了特定要求。

橋梁建造過程中，采用了多點(diǎn)同步頂推技術(shù)進(jìn)行施工，這種技術(shù)對(duì)施工設(shè)備的協(xié)調(diào)性和精確度有著高要求。每個(gè)主墩處都設(shè)置了臨時(shí)支撐墊塊，并在兩側(cè)設(shè)置了臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)，這些臨時(shí)支撐上安裝了包括縱向和橫向千斤頂在內(nèi)的頂推設(shè)備。

橋梁承受的頂推質(zhì)量巨大，總計(jì)約9 000 t。頂推施工的距離也相當(dāng)可觀，總長度約為493.08 m，且考慮到跨徑問題，最大懸臂的實(shí)際長度接近55 m，遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)的最大頂推跨徑61 m。導(dǎo)梁的實(shí)際長度為30 m，僅為最大頂推跨徑的約50%。尤其在鋼箱梁底部，由于支承反力集中，局部可能會(huì)出現(xiàn)受壓的情況。因此，實(shí)施精確的頂推施工控制策略至關(guān)重要，以確保整個(gè)施工過程的安全順利進(jìn)行。

2 鋼箱梁頂推

2.1 導(dǎo)向裝置

鑒于兩臺(tái)履帶機(jī)的最大間距達(dá)到了43 m，導(dǎo)向裝置的長度被設(shè)定為32 m，分為3個(gè)11 m的節(jié)段，橫向配置了2根。導(dǎo)向梁由焊接到一起的工字型鋼板構(gòu)建，中心部分通過鋼管桁架連接，總質(zhì)量為68.05 t。

2.2 臨時(shí)支撐墩

所有支撐墩的立柱都采用Φ1 000 mm×12 mm規(guī)格，立柱間以Φ426 mm×6 mm的鋼管整合。墩頂?shù)臋M向使用HM588雙拼結(jié)構(gòu)作為荷載分散梁，縱向則采用HN800×300的四拼結(jié)構(gòu)作為此功能。支撐墩上設(shè)置了荷載分散梁、600 t的步進(jìn)式千斤頂、墊塊以及橫向調(diào)節(jié)梁。步進(jìn)式頂推裝置在4個(gè)角落布置，荷載分散梁將墩頂受到的壓力均勻傳遞到下部混凝土基礎(chǔ)上，墊塊用于在頂推過程中調(diào)整墩頂高度和落梁作業(yè)。這種步進(jìn)式頂推系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)鋼梁的步履式平移推進(jìn)。

2.3 頂推施工程序

本次施工采取步履式頂推方法，應(yīng)用多點(diǎn)整體頂推技術(shù)。先在組裝場組裝鋼箱梁，隨后進(jìn)行雙向頂推合攏，直至完成整個(gè)頂推工程。

2.4 下落操作

在安裝好支座后，啟動(dòng)線性調(diào)整和下落程序。頂推設(shè)備下降以后，在兩側(cè)臨時(shí)墊梁上放置鋼箱梁，對(duì)頂推設(shè)備上層超平鋼板進(jìn)行移除。設(shè)備升起，移除墊梁上的墊塊。重復(fù)此過程，直到鋼箱梁完全落在永久支座上，整個(gè)落梁任務(wù)即告完成。

3 有限元模型的構(gòu)建

在對(duì)MidasCivil有限元模型進(jìn)行創(chuàng)建的過程中，需要對(duì)大跨鋼箱梁橋頂推施工難點(diǎn)和施工流程做到高效的掌握，科學(xué)規(guī)劃施工段。

以橋梁實(shí)際施工建設(shè)情況為依托來完成相關(guān)的計(jì)算工作，并對(duì)施工現(xiàn)場使用的各類設(shè)備的頂推能力給予合理化的使用。以頂推施工過程中的計(jì)算精度、力學(xué)特征和結(jié)構(gòu)形式等為依托，使用MidasCivil有限元模型來對(duì)鋼導(dǎo)梁、支撐體系和鋼箱梁等結(jié)構(gòu)的頂推施工進(jìn)行模擬[1]。

在整個(gè)模型里，針對(duì)鋼箱梁的鋼材類型開展了全面的分析工作，在施加橫隔板的荷載時(shí)，需要以節(jié)點(diǎn)為核心來完成相關(guān)的操作。

4 頂推安全風(fēng)險(xiǎn)控制措施

4.1 設(shè)置鋼箱梁加勁板

在履帶推力操作中，因承受壓力過重，可能導(dǎo)致履帶機(jī)核心板穩(wěn)定性下降。因此，考慮在履帶機(jī)上方對(duì)應(yīng)的鋼梁框架內(nèi)側(cè)或支架兩側(cè)增設(shè)橫向加強(qiáng)肋，并使其在支架兩側(cè)錯(cuò)開布設(shè)。

依據(jù)鋼梁結(jié)構(gòu)特性和規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，選用的加強(qiáng)肋是梯形截面，厚度為16 mm，上寬200 mm，下寬300 mm，高度500 mm。鑒于滑動(dòng)箱的長度為860 mm，加強(qiáng)肋間的間距應(yīng)設(shè)定為300 mm。這些鋼板間的T型接口全部采用焊接工藝，焊縫深度不得少于8 mm，確保焊接質(zhì)量完整，無裂紋或咬邊缺陷。

4.2 設(shè)置鋼管柱加勁肋

針對(duì)鋼管支柱的強(qiáng)化設(shè)計(jì)，立柱頂部承載著主要的負(fù)載，因此在支柱頂端內(nèi)嵌入加固腹板至關(guān)重要。腹板需緊密配合上部法蘭并與縱梁中心腹板對(duì)齊，以增強(qiáng)局部抗壓能力。

在制造過程中，先將腹板與法蘭焊接，確保接觸面光滑，以保證法蘭表面平整。然后將腹板嵌入鋼管立柱，再將腹板與立柱壁進(jìn)行焊接連接。

4.3 措施頂推同步控制

頂推過程中的同步管理措施，關(guān)鍵在于多點(diǎn)同步操作的協(xié)調(diào)。通過精確的控制系統(tǒng)，提升行程傳感器實(shí)時(shí)反饋各液壓缸的工作狀態(tài)。系統(tǒng)據(jù)此調(diào)整比例閥，控制油缸的升降和回收速度，確保同步推進(jìn)、頂升和降梁動(dòng)作的無縫銜接，以此反復(fù)，直至鋼箱梁順利到達(dá)預(yù)定位置。

4.4 措施頂推線形控制

頂推過程中的線性控制策略同樣重要。在鋼箱梁頂推施工期間，嚴(yán)格監(jiān)控其線性變化。水平方向的線性調(diào)整依賴于橫向油缸，垂直方向則由頂推設(shè)備中的豎向千斤頂執(zhí)行。為了保持鋼箱梁直線性，預(yù)設(shè)的弧度需符合設(shè)計(jì)規(guī)格。各節(jié)段在胎架上預(yù)先設(shè)定適當(dāng)預(yù)拱度，一端沿基準(zhǔn)線縱向組裝，另一端則根據(jù)對(duì)準(zhǔn)進(jìn)行切割。

在安裝和頂推過程中，實(shí)施持續(xù)監(jiān)控，如有偏差，需要使用校正裝置調(diào)整箱梁的橫向位置。對(duì)比實(shí)際測得的試塊應(yīng)力與計(jì)算值，以確保施工過程中應(yīng)力在安全范圍內(nèi)，防止?jié)撛趩栴}的發(fā)生。

4.5 頂推施工監(jiān)測及控制

大跨鋼箱梁橋的頂推建造監(jiān)控與管理需在前期規(guī)劃階段設(shè)定清晰，施工安全管控目標(biāo)、預(yù)警界限和許可范圍。以工程項(xiàng)目施工建設(shè)的特點(diǎn)和施工環(huán)境為依據(jù)，做好預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置工作，綜合分析工程項(xiàng)目施工建設(shè)的歷史數(shù)據(jù)信息，借助轉(zhuǎn)換系數(shù)和允許范圍來完成相關(guān)的設(shè)置工作。

在大跨鋼箱梁施工建設(shè)時(shí)，施工過程中出現(xiàn)的微調(diào)和施工管理工作是核心管控要點(diǎn)。如果最終獲得監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息比較預(yù)警值大，要第一時(shí)間告知承包商，施工管理者也要積極開展預(yù)警響應(yīng)計(jì)劃的制定工作，做好相關(guān)內(nèi)容的管控工作，使得安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)被控制到最低，為頂推施工作業(yè)的平穩(wěn)運(yùn)行做好充分的準(zhǔn)備工作。如果檢測所得數(shù)據(jù)信息比許可值大，要將各項(xiàng)工作全部停止，找到出現(xiàn)問題的癥結(jié)，在今后施工中，使用高效的措施予以處理。

積極開展施工響應(yīng)工作，顯著提升施工記錄信息的完整性和信息反饋的及時(shí)性，確保橋梁結(jié)構(gòu)更加的可靠、安全。頂推施工安全控制目標(biāo)如表1所示。頂推施工控制主要通過調(diào)整滑梁標(biāo)高、橫向側(cè)移等結(jié)構(gòu)線形，從而保證橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力、線形滿足技術(shù)要求[2]。

4.5.1 應(yīng)力管理

在橋梁工程項(xiàng)目頂推施工時(shí)，要采用切實(shí)可行的措施來全過程管控導(dǎo)梁和主梁等核心施工位置。通過嚴(yán)格的施工控制策略和步驟，實(shí)時(shí)監(jiān)控并調(diào)控整個(gè)施工進(jìn)程，并比較了實(shí)際測量和計(jì)算得出的頂板和底板應(yīng)力值?，F(xiàn)場管理團(tuán)隊(duì)迅速響應(yīng)，確保了主梁的實(shí)際應(yīng)力數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果高度吻合，誤差符合表1的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。由此可以確認(rèn)，此次頂推施工期間，大跨度鋼箱梁橋的結(jié)構(gòu)承載能力得到了充分保障，確保了其受力安全。

4.5.2 形變管控

在頂推施工時(shí)，對(duì)主梁和導(dǎo)梁前端的撓度變化情況高度重視。橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受撓度大小的直接影響，如果撓度過大，不僅會(huì)影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，還會(huì)給工程項(xiàng)目的施工進(jìn)度帶來一定的負(fù)面影響。

在頂推施工完成以后，要及時(shí)開展撓度的整合工作。在最大懸臂狀態(tài)，鋼箱梁橋的結(jié)構(gòu)撓度最大值為210 mm，與模擬計(jì)算值間有一定的差別，其主要原因?yàn)榄h(huán)境溫度變換和結(jié)構(gòu)拼接誤差[3]。對(duì)照表1中的限制值進(jìn)行評(píng)估后，確認(rèn)該橋在頂推施工過程中的撓度參數(shù)符合安全施工的技術(shù)規(guī)范。

5 頂推施工中存在的安全風(fēng)險(xiǎn)及控制措施

5.1 梁體失穩(wěn)

鋼箱梁的頂推施工中，梁體失穩(wěn)是一種比較常見的情況，原因是梁體質(zhì)量大，而且在頂推過程中會(huì)受到各種外力的影響。這時(shí)需要采取以下的控制措施：①增加固定支撐。在頂推的過程中，應(yīng)該設(shè)置多個(gè)固定支撐，以保證梁體的穩(wěn)定性。②加強(qiáng)現(xiàn)場管控。在現(xiàn)場施工過程中，應(yīng)該對(duì)所有的工人進(jìn)行培訓(xùn)，增加工人的安全意識(shí)，減少安全隱患的出現(xiàn)。

5.2 墩身移位

安裝鋼箱梁的時(shí)候，墩子的質(zhì)量和位置保持穩(wěn)定是保障施工安全穩(wěn)定的重要因素，如果發(fā)生墩子移位現(xiàn)象，將會(huì)對(duì)梁體施工產(chǎn)生不良影響。為此，需要采取以下的控制措施：①加強(qiáng)墩子支架。在頂推過程中，墩子下方應(yīng)該設(shè)置多個(gè)支架，保證墩子不會(huì)發(fā)生移位的情況。②定期加固并檢測。對(duì)于有墩子移位隱患的項(xiàng)目，需要定期進(jìn)行墩子加固和檢測，確保施工過程中的穩(wěn)定性。③增加固定支撐。在頂推的過程中，增加了多個(gè)固定支撐，以保證施工過程的穩(wěn)定性。④加強(qiáng)現(xiàn)場管控。在現(xiàn)場施工過程中，增加了工人的安全培訓(xùn)，增強(qiáng)了工人的安全意識(shí)。⑤提前預(yù)警。采用現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)，對(duì)施工過程中出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行提前預(yù)警，及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施。

6 結(jié)束語

鋼箱梁頂推施工能夠得到廣泛應(yīng)用，主要是基于該施工方法的便利性，采用頂推法施工所需設(shè)備相對(duì)輕便，無需依賴大型吊運(yùn)設(shè)備，頂推施工設(shè)備尺寸相對(duì)較小，尤其適合不利于大型吊裝設(shè)備進(jìn)入的淺水和深谷的施工現(xiàn)場。頂推法對(duì)周圍環(huán)境影響小，對(duì)通車和通航無影響，受周圍環(huán)境的影響也小，便于標(biāo)準(zhǔn)化管理。鋼箱梁頂推施工應(yīng)注意自身加勁板布置、臨時(shí)支撐加勁肋布置、頂推同步性、頂推線形等安全風(fēng)險(xiǎn)因素的控制。

鋼箱梁頂推作業(yè)施工，準(zhǔn)備工作是關(guān)鍵，只有做好了相應(yīng)的施工前準(zhǔn)備，對(duì)臨時(shí)支護(hù)設(shè)施做好相應(yīng)的驗(yàn)算，保證整個(gè)體系安全穩(wěn)固，才能保證頂推過程連續(xù)、安全的實(shí)施，頂推過程中全員協(xié)調(diào)管理，操作作業(yè)一致統(tǒng)一指揮才能確保頂推施工無誤，以提高鋼箱梁頂推施工的整體質(zhì)量。綜合分析頂推施工中的應(yīng)力與形變監(jiān)控，根據(jù)預(yù)設(shè)的調(diào)控路徑和目標(biāo)進(jìn)行操作，確保了這座大跨度鋼箱梁橋施工的順利進(jìn)行和安全穩(wěn)定性。

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