步履式顶推系统及施工关键技术研究

刘显晖，张　毅，李海峰，伍柳毅，邓年春

（柳州欧维姆机械股份有限公司，广西柳州545006）

步履式顶推系统及施工关键技术研究

刘显晖，张毅，李海峰，伍柳毅，邓年春

（柳州欧维姆机械股份有限公司，广西柳州545006）

由于组合结构桥梁具有高综合性能，近几年来在我国桥梁建设中得到了广泛的应用，然而组合结构桥梁钢结构部分多为薄壁结构，其局部刚度较混凝土箱梁和闭口钢箱梁都要小得多，传统的拖拉式多点连续顶推设备已无法满足该类桥梁的顶推施工。通过研究和分析，研制出一种新型的适合于组合结构桥梁顶推的设备——步履式顶推系统，重点介绍了该顶推系统及其施工关键技术的研究。

组合结构桥梁；步履式；顶推系统；关键技术

组合结构桥梁因其合理的结构受力特性，已越来越多地应用于大跨径桥梁。顶推法施工自1959年在奥地利Ager桥首次应用以来，已在国内外广泛应用且工艺成熟，但对大跨径组合结构桥梁顶推施工技术应用较少。因组合结构桥梁钢结构部分多为薄壁结构，局部刚度较小，顶推过程中结构应力和线形控制难度大，传统顶推方式已无法满足施工要求。为确保顶推施工时结构安全和线形控制能满足设计要求，需对大跨径组合结构桥梁顶推施工设备及施工技术进行深入系统的研究。

1　对顶推设备及工艺的要求

组合结构桥梁整体顶推施工，结构受力复杂，施工控制要求高，因此顶推过程中需要顶推设备及顶推工艺满足以下要求：

（1）顶推系统需具有桥梁竖直方向上的顶升、纵桥方向上的水平顶推及横桥方向上的纠偏调位等三向姿态调整功能，以适应梁的变形要求。

（2）顶推为自平衡多点顶推工艺，不得给墩身产生过大顶推反力。

（3）顶推时不能直接在梁底部滑移，只能在设备内部相对滑动。

（4）顶推施工可设置临时墩和导梁，结构只允许腹板受力，不得在结构上焊设临时锚固件。

（5）顶推装置需采用模块化设计，以适应不同桥墩尺寸和桥梁的施工。

（6）顶推系统同桥墩两侧顶升和顶推同步精度为4mm，各桥墩顶升和顶推同步精度为5mm.

2　现有顶推施工设备介绍

拖拉式多点连续顶推是国内外最常用的顶推工艺，它是以液压千斤顶或卷扬机作为施力装置，以钢绞线或钢丝绳作为牵引绳，将分节段预制的混凝土梁段（或焊接钢梁段）连接成整体后，在设置的滑道上牵引滑移安装就位的方法。如图1所示。该方法虽然设备简单、操作方便，但顶推过程中存在墩身水平反力大、梁体局部应力集中、容易产生爬行现象等缺点。通过结构受力计算及工艺分析，该方法不能满足组合结构桥梁的顶推施工要求。

图1　拖拉式多点连续顶推结构图

通过改进，楔进式多点顶推设备提高了设备集成化和自动化，在法国米约大桥顶推施工中发挥了重要作用。该工艺基本原理是通过两块表面光滑的楔形滑块相对上升、前进、下降等循环过程而实现梁体的前移，它有效地解决了高支撑墩水平反力大、各墩身受力不均的难题，真正实现了自平衡顶推。但其下降搁置时受力大，对梁体底板受力要求高，同时摩擦面要求高，加工困难，价格昂贵，使其推广应用受到限制。楔进式顶推结构如图2所示。支撑千斤顶主要起承受竖向力和调节高程的作用；支撑架是千斤顶的固定架，也是顶推循环中落梁时的承重架；楔形块靠千斤顶提供动力，两块相对滑动，摩阻力在设备内部平衡。

图2　楔进式顶推结构图

3　步履式顶推系统的研究

受楔进式顶推施工工艺的启发，研究设计出先进的步履式顶推系统，通过系统各千斤顶同步平衡控制技术可保证组合结构桥梁钢结构可靠、受力均匀。

3.1步履式顶推系统总体结构确定

步履式顶推系统主要由顶推装置、液压及控制系统组成。如图3所示。每套顶推装置通过计算机控制和液压驱动来实现组合和顺序动作，以满足施工要求。

图3　步履式顶推系统总体结构图

3.1.1步履式顶推装置的研究

顶推装置如图4所示，由滑箱和滑道结构部分、顶升千斤顶、平移千斤顶及纠偏装置等几部分组成。滑箱是支撑梁体的受力结构，顶面放置5 cm厚橡胶垫，可以使梁体局部承载均衡，底面焊有不锈钢板，与滑道上的四氟板构成滑移面。四氟板表面做成蘑菇头形状，其间隙可藏硅油，以降低滑移面摩擦系数。滑道两侧布置带导向轮的纠偏装置，既可解决梁体顺桥向导向问题，又可解决横桥向的纠偏问题。滑道下部通过套筒形式安装顶升千斤顶，千斤顶活塞头部装有球头，可自适应小范围的坡度，同时也可通过单独调整顶升千斤顶的高度，来适应不同桥向大范围的坡度。平移千斤顶是梁体水平顶推的执行机构，它推动滑箱，滑箱带动梁体移动。

图4　顶推装置结构图

3.1.2液压系统的研究

液压系统是步履式顶推系统的动力源，通过泵站输出的液压动力去驱动顶升、平移及纠偏千斤顶工作，从而实现桥梁的顶升、移动及纠偏。为保证顶推过程的安全，顶升和平移动作不能同时进行。

液压泵站主要由电机泵组、比例控制阀组、顶升阀组、纠偏阀组、平移阀组、冷却和过滤等部分组成。

电机驱动负载敏感变量泵为系统提供压力油，油液经过比例多路阀组控制油液的流量大小及通断，分别进入顶升、平移和纠偏三个回路系统。其中顶升和纠偏系统共用一片比例换向阀，平移系统使用另一片比例换向阀。系统的安全压力由比例阀组上的安全阀设定，可通过压力表来显示。其液压原理如图5所示。

图5　液压原理图

3.1.3控制系统的研究

步履式顶推控制系统采用分布式计算机网络控制系统，由1个主控台、若干现场控制器、若干传感器、若干数据线及控制线组成。控制系统网络框图如图6所示。系统采用屏蔽双绞线作为Controller Link网络的通信介质，介质访问方式为令牌总线方式。每个现场控制器均可向主控台或其它现场控制器发送或接收数据。

图6　控制系统网络组成框图

主控计算机根据各种传感器采集到的位移、压力信号，按照一定的控制程序和算法，决定每台千斤顶的动作顺序，完成集群千斤顶的协调工作。可对每个现场控制器进行远程控制，从而控制泵站的起、停，调节泵站的流量和压力，同时可实时显示千斤顶的油压及位移。在联机状态下，所有的操作均由主控计算机自动完成，现场控制器只进行急停操作。系统具有数据保存和故障报警功能，在达到预先设定的位移或压力限制时自动停机。

（1）竖向顶升千斤顶控制策略。顶升千斤顶控制策略是以位移控制为主，压力控制为辅的同步控制。

同一桥墩上顶升同步控制：以1#顶为主动点及比较基准，2#顶为随动点并与1#顶比较。当2#顶位移量差超过设定值时，则减小2#顶比例阀的流量。反之则增大。

不同桥墩上顶升同步控制：以1#桥墩上的1#顶为主动点及比较基准，其余桥墩的1#顶与之比较。各墩1#顶位移量差超过设定值时则减小或增大相应的比例阀的流量。

顶升压力控制：每套装置的顶升千斤顶上安装一个压力传感器，以监测荷载变化。每套装置最高压力及不同桥墩上的最大压差可通过现场控制器或主控台设定，当荷载大于设定值时，系统会自动停机报警。计算机通过监测每台千斤顶荷载变化情况，准确地协调整个系统的载荷分配。

（2）平移顶推千斤顶控制策略。平移千斤顶控制策略也是以位移控制为主，压力控制为辅的同步控制。其原理与顶升千斤顶控制相同。

（3）顶推过程中的动态纠偏策略。每个永久桥墩中间安装1套检测梁体轴线的光电开关，每个箱梁在制作时要求用通长黑色线标识出中轴线带。在梁体平移时，若光电开关检测不到黑色中轴线带，则说明梁体发生偏移，这时控制系统则发出信号驱动相应的横向调节千斤顶动作，直到光电开关能检测到中轴线带后停止该动作，从而实现横向动态纠偏。

（4）平衡度控制策略。每套顶推装置的滑箱上安装有1个用于检测梁体在X轴、Y轴方向倾斜角度的倾角传感器，通过设定每个倾角传感器在X轴、Y轴方向的最大倾斜角度，即可控制梁体的平衡度。平衡度的检测及控制贯穿在整个顶推过程中。

3.2步履式顶推系统的动作原理

步履式顶推动作原理是通过顶推装置顶升、平移、落梁和回程4个步骤不断地循环来进行桥梁顶推施工的。首先在支墩上布置顶推装置和施工临时垫梁，拼装好的梁体荷载通过垫梁传递到墩台上，垫梁位于顶推装置的前后或者两侧位置。然后顶推装置竖向顶升千斤顶同步顶起整体桥梁，脱离垫梁，桥梁由垫梁支撑转移到顶推装置支撑，如图7所示。接着平移千斤顶同步施力，克服滑移面摩阻，桥梁整体前移一个活塞长度，如图8所示。

图7　桥梁顶升

图8　桥梁平移

竖向顶升千斤顶同步缩缸，桥梁整体同步下落到垫梁，桥梁由顶推装置支撑转移到临时垫梁支撑，如图9所示。最后平移千斤顶缩缸，装置上部结构（滑箱）回归到原位，循环下一个工位施工，如图10所示。

图9　桥梁回落

图10　滑箱回位

以上4个动作步骤反复循环，最终将桥梁顶推到预定的设计位置。

3.3步履式顶推系统的特点

（1）采用平推滑动摩擦的结构形式，使整体结构变得更为紧凑，同时确保了运行过程中整个结构的稳定性和安全性。

（2）组合四氟板采用巧妙的可更换式结构设计，确保运行过程中出现破损或表面烧结碳化等故障时的可维护性。

（3）采用该顶推系统不需要对桥梁底面做任何临时结构，其摩擦滑动全部是在顶推装置内部进行，支墩基本不承受水平荷载。

（4）集成主动式中轴线监控系统，彻底解决了以往顶推过程中无法进行人工测量中轴线偏移和被动式纠偏不及时的难题。

（5）采用先进的电液比例控制技术，控制精度高。

（6）各种传感器、控制阀、电器插接件采用多重防水设计，能适应恶劣天气下的露天环境施工。

（7）系统采用模块化设计，更具有通用性。

4　工程应用

昆明南连接线高速公路工程跨南昆铁路线主桥为钢混结合梁，主桥位于R=16 000 m，T=304.246 m，E=2.892 m的竖曲线上，按双向6车道设计，左右幅分离（间距0.5m）错孔布置。跨南昆铁路线桥主桥位于直线上，全长230 m，如图11所示。主桥结合梁断面形式为：4.5 m高槽形钢梁，+0.3 m高钢混桥面板，桥面单面横坡2.0%，如图12所示。

图11　跨南昆铁路线桥主桥

图12　主桥结合梁标准断面图

使用步履式顶推系统每幅分4个阶段将128 m长的结合梁顶推至设计位置。单幅桥顶推总重约1800 t.先进行右幅桥顶推施工，然后将顶推设备搬至左幅桥进行顶推施工；顶推完成后，利用顶推设备中的顶升千斤顶，进行右幅桥落梁施工；再进行左幅桥落梁施工。2013年12月正式顶推施工，历时1个月工程顺利完成。整个工程平均顶推速度达到3 m/h，达到了施工设计速度要求。图13、图14为现场顶推施工照片。

图13　施工中的步履式顶推系统

图14　跨越铁路的钢混结合梁

5　施工关键技术

整个施工的关键技术主要有：

（1）顶推设备安装时中心轴线与墩身轴线的偏差值不大于设计要求的梁体中心轴线与墩身轴线的偏差值。

（2）垫梁要有足够的长度和刚度，且与梁体底部完全接触（垫50mm厚橡胶垫），保证梁体腹板受力。

（3）当梁体上墩或脱墩时，根据梁体最前端或最后端距离垫梁的实际距离考虑设置水平顶推距离控制程序，避免梁体只压在垫梁极少面积上的情况发生。同时，由于桥梁前后两端最大挠度的存在，需在垫梁面上铺设钢板，放上MGE滑板，起到保护桥梁安全的作用。

（4）纠偏动作要求缓慢平稳，避免动作过快，以防事故的发生。

（5）为保证顶推过程的安全，顶推过程中必须对同步性进行严格控制：竖向顶升和水平顶推各墩同步精度控制在5mm内，同墩两侧控制在4mm内。

（6）如导梁由于自重悬臂的下挠量过大而无法上墩时，可通过相邻墩上的顶推装置将梁体顶起，以确保导梁架设到前方墩顶的顶推装置上。待运行平稳后，需及时将各墩梁体的标高调到规定的标高。

（7）在顶推过程中梁体的受力状态与成桥时受力状态完全不同，因此每轮顶推前依据监控指令，明确该轮顶推梁体所经墩台的竖曲线变化范围（即标高变化值）及梁体许用支反力（即墩台的许用压应力）变化范围。

（8）须在温度稳定的夜间进行顶推合拢施工，并仔细计算和测量，确保达到设计要求。最后一次顶推时应采用小位移点动，以便纠偏及平移到位。

6　结束语

相比于传统的利用钢绞线拖拉方式的顶推施工，步履式顶推系统具有安全性高、顶推平稳、轴线调整方便等特点。在整个顶推过程中，由于滑动面在顶推装置的滑箱与滑道之间，属设备之间的内力，这样就改善了桥梁与桥墩的结构受力，对结构几乎没有损伤，无需桥梁因顶推施工增加加劲数量，真正做到“自平衡多点顶推”，在组合结构桥梁的顶推施工中，具有很大的应用前景。

The Research ofWorking Incremental Launching System and Construction Key Technology

LIU Xian-hui，ZHANG Yi，LIHai-feng，WU Liu-yi，DENG Nian-chun
（Liuzhou OVM Machinery Co.，Ltd，Liuzhou Guangxi 545006，China）

Because the composite structure bridge has the high comprehensive performance，in recent years，it has been widely used in the bridge construction in China.However，the steel structure of the composite structure bridge ismostly thin-walled structure，the local stiffness ismuch smaller than the concrete box girder and closed steel box girder.Traditional Launching equipment has been unable tomeet the construction of this kind of bridge. Through research and analysis，a new kind of equipment which is suitable for the composite structure bridge is developed，this paper focuses on the research of the launching system and its key construction technology.

composite structure bridges；walking type；incremental launching system；key technology

TU74

B

1672-545X（2016）05-0153-05

2016-02-28

作者介绍：刘显晖（1972-），男，广西资源人，工学学士，高级工程师，研究方向为预应力产品、装备及其相关施工技术的研发。