单点顶推技术与多点顶推技术对比研究

吴笑雷

(中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081)

对于预应力混凝土连续梁桥，常见的施工方法[1]有满堂支架法、悬臂浇筑法、转体施工法、顶推施工法。满堂支架法[2]技术成熟，主梁质量易于保证，但需占用大量的支架和模板，受桥下施工环境的限制。悬臂浇筑法使桥梁跨越能力得到了很大的提升，机械化程度较高，减少了劳动力的投入，但不适用于跨越水源保护区域或者高速铁路的桥梁。转体施工法[3]将复杂的、技术性强的高空、水上或者跨线作业变为技术成熟的岸边或陆上作业，不影响交通，但技术性要求高，需要达到“转得动、转得稳、转得准”的目标。顶推施工法在台后或邻近墩设置浇筑平台，浇筑质量易于控制，占用桥下空间时间较短，但顶推过程中主梁内力连续变化，对施工、监控技术水平要求较高。

桥梁在跨越既有线路以及对环境有特殊保护要求的河域时，传统的施工方法往往难以满足线路运营和河道正常运营的要求，而顶推施工方法为此类问题的解决打开了广阔的空间。随着此类工程实践越来越多，顶推技术也呈现更多样化的发展。按顶推力分类可以分为单点顶推与多点顶推;按支撑系统可分为临时滑道支撑装置顶推施工和永久支撑兼用滑道的顶推施工;按顶推方向可以分为单向顶推和双向(相对)顶推;按动力装置可分为步距式顶推和连续顶推;按箱梁节段的成型方式可以分为预制组拼，分段顶推和逐段预制，逐段顶推[4-7]。北京轨道交通西郊线颐和园西门站—南门站区间预应力混凝土连续梁(16+24+16)m由于上跨南水北调明渠，为避免对水质产生影响，在2015年采用拖拽式单点顶推的施工方法成功完成桥梁架设。厦汕右联络线特大桥(48+48)m预应力混凝土连续箱梁上跨杭深高铁线，为降低对既有线运营的影响，于2018年1月采用步履式多点顶推方式顶推到位。本文结合2个工程实例从多方面把拖拽式单点顶推技术与步履式多点顶推技术进行对比研究，为后期其他类似工程提供参考。

1 顶推施工原理

1.1 拖拽式单点顶推

所谓拖拽式单点顶推，即水平顶推力的支撑集中于1个桥台或桥墩上，其他墩台上则只设置滑道支撑。水平千斤顶通过拉杆将顶推力施加在梁体尾端带动梁体前进，在顶推过程中，只有1个纵向施力点，见图1。目前国内在滑道上通过滑块的循环增进来代替传统的竖向千斤顶作用，极大增加了顶推效率。为减小梁体与滑道之间的摩擦力，通常采用四氟乙烯滑块，在不锈钢钢板和四氟乙烯滑块间涂抹硅脂油，动摩擦因数一般为0.04～0.06，静摩擦因数稍大一些。

图1 单点顶推示意

1.2 步履式多点顶推

所谓步履式多点顶推就是在每个桥墩上均设有三向千斤顶，顶推时通过竖向顶抬高梁体，通过水平顶推进。竖向顶在固定滑箱内前行带动箱梁向前移动，完成一个步距后竖向顶回落，将梁体放置在临时支垫上，水平顶回拉将竖向顶归位，依此循环。过程中通过横向千斤顶进行方向纠偏，每个步距的循环包括顶升、顶推、落梁、回拉4个步骤，见图2。该方法要求多点顶推同步运行，还要求每个墩上水平顶施力的大小应根据桥墩所受滑动摩擦力大小确定。千斤顶施力与摩擦阻力基本平衡，柔性桥墩基本不受水平力或水平力尽可能小，以减小对桥墩的反复冲击。

图2 多点顶推示意

2 顶推过程中梁体应力对比分析

顶推施工前一般会进行仿真分析，通过模拟顶推过程分析梁体的受力。这样既可以判断梁体在顶推过程中是否处于安全状态，为补强优化措施提供依据，又可以为顶推过程中结构状态监测提供安全预警值。

从有限元角度分析，梁体的前移导致每个阶段需要重新定义结构状态，节点、单元、预应力束的坐标、边界条件一直在变化。通过边界条件的后移来模拟梁体的前进可以减少每个阶段需要改变的信息，约束的后移量值就等于每个阶段梁体前进的距离。在顶推过程中将每个阶段顶推前的支反力反向加在顶推后的结构上就能有效地模拟失去支撑的状态，同时将顶推后节点强制位移归零的方式可以有效的模拟获得支撑的状态[8]，见图3。其余荷载(自重、预应力、收缩徐变、温度力等)与一般有限元处理方法相同。

图3 顶推施工结构受力简图

仿真分析可以采用MIDAS/Civil 2015软件进行。由于软件限制，边界条件只能施加在节点位置，可以逐次变换施工阶段来模拟顶推过程。每个施工阶段代表梁体与钢导梁的一个支撑状态，同时边界条件采用软件中“变形前”“变形后”切换的方式来实现“获得支撑的地方消除变形，失去支撑的地方消除力”。“变形前”指该边界位置在成桥阶段模型中节点坐标位置，“变形后”指该边界位置在施工阶段产生变形后的节点坐标位置。“变形前”相当于把该节点在之前产生的累计变形强制消除，移到成桥阶段该节点的位置，如此相当于在此处输入了强制位移，进而影响到结构的受力。

仿真模拟不涉及顶推力的布局问题，无论单点顶推还是多点顶推，均只涉及支撑条件的变化。但单点顶推梁体的状态是连续的，而多点顶推涉及到顶梁与落梁的循环，千斤顶位置与支垫位置存在一定的距离，支撑位置的反复变化对梁体受力更为不利。在顶推过程中，梁体的应力状态与以下几个方面有关：

1)根据现场施工条件以及梁体相关参数(自重等)确定的支撑布局。北京西郊线连续梁场地条件较好，在预制平台上设置临时墩，共布置13对滑道，间距只有5 m，可以极大地减小梁尾部的悬臂长度，减小尾端最不利状况的应力。但由于梁体尾端脱离时不存在缓冲作用，自重产生的下坠加速度会增大梁体受力。厦汕右联络线连续梁桥墩较高，跨度较大，在永久墩之间增设5个临时墩，共采用18个三向千斤顶进行顶推。尾端脱离支撑时最大悬臂16.35 m，施工过程中将垫块设置在梁体前进的后方，通过竖向顶抬升梁体，前行至脱离该垫块的位置后，竖向顶缓慢下放至梁尾处于自然挠度状态，可以减小梁体的受力。

2)钢导梁长度与刚度的合理取值。导梁与主梁长度比以及导梁的刚度决定了导梁前端到达支点时梁体在邻近支点位置处的负弯矩。线质量比一定的情况下，若导梁太长，梁体最大负弯矩产生在导梁接收之后，较为不经济；若导梁太短，梁体前端悬臂太长，会产生较大的负弯矩，不利于梁体受力，导梁作用不能充分发挥。同理，若导梁刚度取值偏大，则导梁制作不经济;若刚度取值偏小，则导梁减小支点处梁体负弯矩的作用不明显。导梁的刚度同样影响着主梁与导梁结合部位的正弯矩受力，导梁刚度愈大，结合部位受力愈大;导梁刚度愈小，结合部位受力愈小。

3)顶推前预应力束张拉的选择。预应力混凝土梁在顶推过程中极易发生开裂，在顶推前张拉一定的预应力可以有效改善在顶推过程中梁体的应力，可以选择增设体外临时预应力束来改善梁体应力分布。西郊线连续梁共16束预应力束，顶推前全部张拉有效地减小了顶推过程中上下缘的拉应力。厦汕右联络线连续梁共29束预应力束，考虑到顶推过程中悬臂较大，最大悬臂时支点处截面上缘拉应力过大会导致梁体开裂，顶推前选择张拉全部顶板束以及部分腹板束，增加梁体上缘的压应力储备。

西郊线桥梁将顶推系统布置在桥台，通过拉杆将力施加在梁尾带动梁体前移。根据应力监测结果发现左右侧腹板受力较为均匀，但实测截面受力规律与理论计算结果存在一定差异，见图4(选取第三跨跨中截面应力变化)，该差异主要与梁体与滑道之间存在脱空有关。脱空使梁与支垫的面接触变为点接触，增大了梁体支撑间跨度。梁体刚度较大，不均匀支撑使得梁体实际受力状态偏离了理论计算值，这也是单点顶推技术难点之一。顶推前，滑道标高需要严格控制，与设计标高控制在±1 mm以内，同时保证梁体底板足够平整，避免梁底局部与滑道单点接触。

图4 西郊线跨中截面上下缘应变随行程变化关系

图5 联络线最大悬臂截面上下缘应变随行程变化关系

厦汕右联络线连续梁在天窗点内施工，顶推经历较长周期。在顶推过程中，关键点是控制梁体同步顶升与同步落梁。首先将竖向顶升力控制在2 MPa，保证每个竖向顶与梁底充分接触，然后将梁体同时抬升10 cm后水平顶同步顶推，使梁体前移，完成一个步距后同步落梁，千斤顶回拉。控制系统及顶推千斤顶的行程误差采用超声波位移传感器测试，在各行程中进行控制比较，在每个行程中可以同步进行纠偏，误差在±2 mm以内。顶推过程中应力监测发现梁体左右侧受力较为不均匀，受力大小也与理论计算结果存在一定的差异，见图5(选取最大悬臂控制截面顶升时的应力变化)。这主要是由于千斤顶顶升位移很难精确控制同步，预应力混凝土梁刚度大，不均匀位移会产生较大的内力。另外梁体本身的自重就是不均匀分配到各个顶，临时墩与永久墩的刚度差异较大，也会产生不均匀的压缩变形。在顶推过程中还发现当受力测试截面位于千斤顶与梁体接触位置时，梁体底板会突然增加100×10-6左右的压应变，当测试截面离开千斤顶或垫块支撑时，梁体底板受力恢复正常，可见多点顶推时受局部应力影响较大。

从梁体受力角度看，单点顶推梁体受力与滑道是否平整有较大的关系，在顶推过程中，应更加注重对滑道标高的精确控制。梁体的位移轨迹靠滑道布置来控制，并配合左右的纠偏千斤顶使之到达设计位置。此外，尾端脱离时较为突然，对梁体受力较为不利。多点顶推将顶推力分散，可以通过调整局部顶力与位移来控制梁体的内力变化。但是控制点较多，比较难以做到联动与同步性，不均匀位移会产生较大的内力。此外，由于顶升与落梁的支点位置转换，梁体受到的是反复的内力，对结构的危害更大。

3 顶推过程中桥墩的受力对比分析

采用单点顶推的连续梁，顶推系统布置的桥台承受较大的水平力，以此来提供梁体前移的动力。其他支撑位置所承受的水平力主要包括自重的水平分力以及支反力对应的摩擦力，当梁体前行方向为上坡时两者同向，当梁体前行方向为下坡时两者反向。

对于多点顶推的连续梁，顶推时各墩台所承受的水平力较为分散，主要包括自重的水平分力、支反力对应的摩擦力以及纵向千斤顶的顶推力。通过分析与控制，可以将摩擦力与顶推力平衡，使各墩台不受水平力或水平力尽可能小。

西郊线连续梁顶推设备布置在邻近预制场的桥台处，梁体总重按 9 000 kN 考虑，静摩擦因数按0.17考虑，则顶推点需提供 1 500 kN 的反力。通过仿真计算可以得到其他墩的最大支反力为 4 526 kN,动摩擦因数按0.1计，承受的最大纵向水平力约为453 kN。该桥竖向曲率半径较大，自重的水平分力可以忽略不计。在实际顶推过程中，考虑到中间墩承受较大的水平力，为防止墩柱产生较大的水平位移导致下部结构开裂或梁体发生倾覆现象，在中间墩与承载能力较大的桥台之间设置临时钢管，将水平力传递到桥台。监测结果表明中间墩最大纵向偏位为2 mm，而且在整个过程中呈现纵向的反复变形，顶推到位后墩柱变形基本恢复到初始状态，见图6。可见，墩柱间建立连接效果较好。

图6 中间墩纵向偏位随行程变化关系

厦汕右联络线连续梁通过顶举与试顶推试验测得梁重 23 324 kN，动摩擦因数为 0.025 4，全桥水平顶推力总共约600 kN。在顶推过程中控制梁体保持水平顶推，可以将自重的水平分力忽略不计，由于梁体是匀速前进，纵向顶推力与动摩擦力相互抵消，墩柱理论上不受力。在实际工程中将主墩与临时墩纵向串联桁架梁钢管焊接在一起，极大地增加了墩柱的纵向刚度，实测的墩柱底部在整个顶推过程中产生的最大拉应变为16×10-6。

从墩柱受力上看，单点顶推各墩柱均会承受较大的水平力，尤其是布置顶推设备的墩台，需要提供较大的顶推反力，可以通过刚性连接或设置临时拉索的方式将水平力重新分配。多点顶推方式在顶推过程中产生的水平力较小，在每个步距顶推开始时克服静摩擦力产生的水平力由所有的墩柱分配。

4 顶推过程中钢导梁受力对比研究

钢导梁作为顶推过程中改善梁体受力的重要元件，其强度与稳定性对保证顶推施工安全十分重要。钢导梁在顶推过程中受到极大的弯矩与剪力作用，当导梁前端到达接收墩时，需要通过千斤顶将前端抬升至设计高度以通过垫块。在之后的过程中，随着梁体的前移，导梁支撑的反力逐渐增大，导梁根部的弯矩及剪力逐渐增大。当支撑到达导梁中部左右时，导梁根部的弯矩达到最大，当支撑到达导梁根部时，剪力达到最大。在顶推前一般根据仿真计算结果模拟最不利工况对钢导梁进行加载试验，考虑到顶推过程中会出现钢导梁两侧受力不均匀的现象，加载试验时将荷载值适当增大。

单点顶推导梁前端滑道的标高一般是确定不变的，在顶推过程中导梁两侧的刚度差异以及滑道横向的高差会导致钢导梁两侧受力不均匀。西郊线连续梁顶推过程中通过应力监控发现左右侧钢导梁受力整体趋势一致但受力不均衡。实测受力较大侧钢导梁根部下缘最大拉应变为495×10-6，换算钢材应力为99 MPa，接近理论计算的110 MPa最不利受力状态。现场在另一侧钢导梁底部加塞垫板，增加标高，增大了支撑的反力，使导梁根部两侧的弯矩重新分配，受力趋于均匀，确保了钢导梁处于平衡状态。

多点顶推将导梁前端的顶升千斤顶纳入顶推系统，在顶推过程中，结合实时监测结果，可以随时调整导梁前端千斤顶的顶升力。顶升力的大小由多方面控制，顶升力在支点处产生的负弯矩要能抵消梁体前端悬臂时自重产生的正弯矩，从而避免梁体开裂。但顶升力不能太大，提供的负弯矩一般不超过钢导梁试验最不利状况下达到的最大弯矩。此外，导梁前端的抬升高度要使钢导梁能顺利通过垫块，当前端下挠过多时可以通过抬升其他位置的千斤顶来减小前端需要施加的顶力。厦汕右联络线连续梁在顶推过程中，实测钢导梁根部下缘最大拉应变为973×10-6，换算钢材应力198 MPa，超过理论计算的177 MPa，但小于钢导梁试验时最不利状态的212 MPa。现场测得最不利时两侧钢导梁应变相差256×10-6，通过及时调整千斤顶的顶力使两侧达到平衡状态。

5 导梁与主梁锚固方式对比研究

钢导梁与混凝土梁的连接部位一直是顶推施工过程中的薄弱环节，导梁前端接收之后，受力主要由弯矩与剪力控制。在过去的顶推过程中，“十顶九裂”也基本始于这个部位。实践证明，针对钢导梁与箱梁的连接采取一些优化加固措施可以有效改善开裂问题。例如将钢导梁上、下翼缘部分埋入箱梁内，下翼板与箱梁利用纵向预应力连接，形成钢导梁内的隐形连接。顶、底板预应力尽量靠近腹板布设，使预应力较为均匀地分布，同时该处普通钢筋可以加密布置。设置精轧螺纹钢筋将导梁与混凝土梁通过预施应力加强连接，在宽度和长度方面均考虑错位锚固，避免同一断面预应力集中。因锚固区空间构造复杂，精轧螺纹钢筋一般采用无黏结筋，取消压浆管，保证锚固区混凝土浇筑密实。待预应力张拉以后，在锚固断面加焊水平加劲钢板，将应力扩散到导梁的腹板上。加强连接区混凝土振捣，保证混凝土密实。按要求严格控制连接精轧螺纹钢的张拉，减少预应力损失，保证了实际预应力效果[9-10]。

西郊线连续梁在混凝土内预埋工字型钢导梁构件，待混凝土强度达到设计要求后，将精轧螺纹钢筋张拉至306 kN，加强钢构件与混凝土主梁的连接，并在端横隔板内形成预压应力。在实际顶推过程中，应力监测结果表明该部位所受应力较小，最大拉应变为5×10-6，顶推就位后未发现裂缝，钢混连接状况较好，预压应力储备充足。

厦汕右联络线连续梁钢导梁锚固深度为2.6 m。浇筑前对预埋件进行精确定位，浇筑后初凝前对钢导梁进行复测，一旦发现偏差过大，采用千斤顶进行调整，避免两侧的高差造成梁体受力不均衡。浇筑后张拉预应力粗钢筋，保证销子、保险卡、螺栓全部安装到位，加强导梁与主梁的连接。在实际顶推过程中，由于顶梁与落梁的循环，该连接部位受到的反复应力较小，梁体未出现裂缝。

6 结语

本文对西郊线连续梁拖拽式单点顶推施工与厦汕右联络线连续梁步履式多点顶推施工进行了总结和对比研究。主要结论如下：

1)梁体顶推施工过程仿真模拟均只涉及支撑条件的变化，但单点顶推过程是连续的，多点顶推涉及顶梁与落梁的循环引起的支撑位置变化，梁体受到反复的内力；梁体所受内力与支撑的布局、钢导梁的长度和刚度以及预应力钢束的张拉有关，单点顶推时滑道的不均匀高差对梁体受力不利，梁体尾端脱离较为突然；多点顶推时千斤顶的同步性影响梁体的受力。

2)单点顶推墩台承受较大水平力，尤其是提供顶推反力的墩台，在施工过程中可以通过纵向刚性连接等措施减小墩台的水平位移；多点顶推产生的水平力较小，适用于高墩与柔性墩上梁体的顶推。

3)顶推施工时均存在钢导梁受力不均匀的现象，单点顶推施工时通过加塞垫块予以调整，多点顶推通过调整顶升力的大小来平衡钢导梁受力。

4)顶推施工均可通过优化加固措施改善钢导梁与主梁连接部位的受力状况，有效解决开裂的问题。