高速铁路曲线连续梁桥顶推施工关键技术研究

2015-09-05马宏亮

铁道建筑 2015年7期

关键词：导梁吨位梁体

张勇，马宏亮

(1．中国铁道科学研究院研究生部，北京 100081;2．济南铁路局建设管理处，山东济南 250001;3．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

高速铁路曲线连续梁桥顶推施工关键技术研究

张勇1，2，马宏亮3

(1．中国铁道科学研究院研究生部，北京 100081;2．济南铁路局建设管理处，山东济南 250001;3．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

通过分析桥梁顶推施工发展概况及现状，针对青(岛)荣(城)城际铁路101.2 m曲线预应力混凝土连续梁，在顶推施工中存在顶推力对梁体混凝土的应力影响较大，对临时墩及水平连接的要求高，顶推过程中走行纠偏难度大，千斤顶泵站建立及中控系统复杂、防止梁体混凝土开裂难度大等问题，研究提出了大吨位梁体步履式多点顶推方法、采用加强贝雷片做导梁和临时结构、大吨位梁体曲线走行技术，以及顶推液压操作系统中控同步技术。

高速铁路曲线连续梁桥顶推

1 顶推施工发展概况和研究现状

1.1 顶推施工发展概况

顶推法施工的构思来自于早期钢桥的拖拉法、导梁拖拉法、纵向连接拖拉法等，适用于中等跨径、等截面的直线或曲线桥梁。顶推法是二战时期出现的一种桥梁施工方法，在20世纪60年代被应用于混凝土桥梁的建设，并逐渐得到推广应用。顶推相比其他施工方法而言独具如下优点:将主要施工操作集中在施工平台完成，占地面积小，不影响桥下交通，对周围环境产生的影响较小。此外，采用顶推法还能缩短施工工期、节约建设费用。

1.2 大吨位曲线预应力混凝土梁顶推施工技术现状以及存在的问题

截至目前大吨位曲线桥梁顶推施工实践较少，国外有2004年竣工通车的法国米约大桥(钢箱梁);国内有1990年建成的山西平顺县曲线桥，在国内首次成功采用了曲线顶推施工。

目前虽然在混凝土桥的顶推施工方面，已经总结出了相对比较完善的施工体系和施工工艺，但是尚缺乏在高速铁路上进行大吨位曲线预应力混凝土梁顶推施工的关键技术。

在大吨位曲线预应力混凝土梁顶推施工中，存在以下难点:

1)导梁设计较为复杂，导梁长度、重量、刚度将影响顶推过程中各墩的支反力及水平顶推力，对梁体混凝土的应力应变情况影响较大。

2)顶推过程中主梁经过临时墩、普通墩、钢横梁时控制相邻墩位沉降量难度很大，对临时墩及水平连接的设计要求高。

3)连续梁体在圆曲线上顶推，顶推过程中走行纠偏难度大。

4)顶推过程中水平千斤顶要求同步，水平千斤顶行程更换时竖向千斤顶要求同步将梁顶起，否则会造成梁体局部应力过大使梁体破坏，千斤顶泵站建立及中控系统建立比较复杂。

5)顶推过程中需防止梁体任何部位出现拉应力，防止梁体混凝土开裂。

2 101.2 m曲线预应力混凝土连续梁顶推施工关键技术研究

连续梁位于青(岛)荣(城)城际铁路一高架桥上。该桥设计全长2 972.72 m，为双线客运专线桥梁，全桥孔跨布置顺序为43×32 m+1×24 m简支梁 +5×20 m连续梁 +1×24 m+43×32 m简支梁，共计93跨。上跨部分在蓝烟铁路特大桥44#墩～49#墩之间，采用5×20 m混凝土连续梁斜交跨越既有蓝烟铁路线(如图1所示)。连续梁位于R=5 500 m的圆曲线上，桥位纵坡－0.93%，连续梁布置为(20.05+20+20+20+20.05)m，支座中心线至梁端0.55 m，连续梁桥全长101.2 m，全梁桥采用等高截面，梁高2.0 m，截面采用单箱单室斜腹板形式，连续梁混凝土方量933 m3，质量约2 500 t。

图1 连续梁顶推设计位置示意

以往跨线施工多以悬灌(拼)和转体方法居多，即便是顶推也多采用钢梁集中拖拉或混凝土梁分段浇筑分段顶推。此次5×20 m连续箱梁的顶推施工，若采用集中拖拉对既有线影响很大，可能会影响到行车安全;采用逐段现浇逐段顶推的方法，又无法满足工期要求，作为青荣城际铁路的重要节点工程将会影响到后续铺轨架梁的工期，亦即，传统的两种方法通过分析均无法满足现场需要。通过方案比选采用旁位整体预制，一次性步履式多点顶推就位的施工方法，并对顶推施工关键技术进行研究，确保顶推施工后的桥梁标高、线位等参数满足高速铁路相关要求。

2.1 拼装式导梁设计

导梁刚度影响顶推过程中各墩的支反力及水平顶推力，对梁体混凝土的受力影响较大。一般顶推施工采用导梁为钢箱导梁或者桁架导梁，钢箱导梁不仅造价高而且笨重，桁架导梁虽轻巧，但是导梁均为一次性投入，钢材浪费严重。针对导梁均为一次性投入、造价高、浪费材料等弊病，进行分析论证、现场勘查及软件模拟试验，最终决定采用可重复利用的贝雷片组装钢导梁(导梁结构示意如图2)。因为贝雷片为可租赁标准件，组装钢导梁不仅不会有材料损耗，而且拆卸后可以重复利用。通过采用贝雷梁拼装变刚度导梁，利用支反力控制技术，解决了导梁销接间隙带来的挠度问题。所以选择贝雷片组装钢导梁不仅轻便实用，而且具有提高功效、节约成本的优点，为以后临时结构方法选用提供新的思路。

图2 导梁结构示意(单位:mm)

2.2 临时墩及水平连接的设计

对于临时墩的设计，国内类似工程采用钢桁架或钢筋混凝土结构。因临时墩为一次性结构，若采用钢桁架结构，当工程完工后钢桁架其他用途有限，并且钢材用量大;若采用钢筋混凝土结构，则混凝土材料浪费较大。通过分析比较，本项目设计选用贝雷片组装临时墩。

顶推法施工中最为重要的一个要素是动力的反力来源。集中拖拉和以往的顶推大多有提供反力的结构物，本项目设计的顶推方法主要是利用力偶作用，即利用了顶推系统的内力解决动力问题。就单个顶推装置分析(不考虑梁体将多个顶推装置相连的情况下)，顶推动力是不向支撑结构物传递的，但是由于100 m梁将多个顶推装置连接成多点顶推系统，这时工况变得极为复杂，各顶推装置的动力通过梁体互相传递，引起顶推力向支撑墩传递。而这个向支撑墩传递的水平力究竟多大随着工况的变化变得非常复杂，难以具体分析清楚。因此为了确保支撑墩和临时支墩的安全，本项目设计了纵向连接系统，使水平力由全部的支墩共同承担，保证了结构物的安全。

经研究设计采用标准贝雷梁拼装成临时墩、水平方向采用精轧螺纹钢筋进行连接，通过对全桥的有限元分析确保各墩的安全，使软连接得以应用，有效地降低了施工成本。

2.3 顶推装置的设计

顶推过程中，由于临时墩、梁体以及滑道的施工误差，导致连续梁在每个滑道上所受摩擦力不会绝对相同;又由于本项目中连续梁位于5 500 m半径的圆曲线上，所以顶推过程走行线路是一条全长100.7 m，半径5 500 m的圆曲线，若按直线行走将偏离桥梁中心92 cm。为确保连续梁准确顶推到设计位置，必须在顶推过程中进行梁体走行控制。

设计采用走行圆曲线的方式进行施工。主要利用转向原理，即水平千斤顶按曲线的切线方向布置，千斤顶与梁体不产生相对滑动，梁体的走行将沿圆曲线行走，能够实现梁体的自动转向。顶推走行原理如图3所示。

图3 顶推走行原理(单位:m)

顶推装置设计实现千斤顶同步伸出与缩回，梁体可以抬头也可以低头，可以左右转弯也可以蟹行，实现了对梁体上下左右前后的全方位姿态控制。此顶推系统具有结构简单、操作方便、经济实用的优点。

2.4 总控—分控技术设计

控制系统的设计主要是解决千斤顶同步性和安全性，针对两大难点进行了电控系统的设计。首先进行了总电路设计，根据总接线图通过中央配电箱和中央控制箱实现顶推系统的远程中控和同步控制;再通过终端配电箱和终端控制箱的设计实现单个泵站系统的分控制，同时任何分控系统都可以急停所用控制系统，共设计了9个分控系统。对中央控制系统和终端控制系统的操作台也进行了设计，使操作简单方便。

总控箱可以控制全部竖向顶同步起落，控制所有水平顶同步前进后退。分控箱只能控制相应墩位的顶推装置，总控动作时，分控不起作用，以避免误操作。不管何种工作状态，在总控与任何一个分控控制箱位置均可以停止全部动作，总控复位后才可以再次进行作业，使推顶施工始终处于受控状态。

2.5 梁体应力控制研究

通过分析，找出一种最科学合理的方法——通过控制各支点的支反力来控制梁体、导梁的受力状态，使梁体、导梁的应力在可控范围内。通过利用Midas软件对全过程进行仿真分析，在建好的模型里不断改变支反力以寻找出最合理的支反力组合;根据分析出的各支点支反力找出的最佳受力状态支反力组合，可以在±500 kN范围内变化，对梁体应力来说是安全的。