钢桁架桥顶推施工支点标高控制

2021-09-14晗刘玉涛徐山山陈慧娜

建筑施工 2021年12期

徐晗刘玉涛徐山山陈慧娜

1. 浙江中天恒筑钢构有限公司浙江杭州 310008；2. 中天建设集团有限公司浙江杭州 310008

某工程跨河段主桥采用双层钢桁梁结构。桁架为三连跨，宽25 m，总高约6.8 m，全长约210 m，结构立面如图1所示。4#—5#支墩间钢桥采用原位拼装，5#—7#间桁架由5#向7#桩顶推安装。顶推施工中临时支架出现了局部破坏。经复核，临时支架的承载力能够承受桁架桥的自重荷载。

图1 桁架桥立面示意

1 临时支架理论计算

1.1临时支架布置与设计

沿顺桥向布置10组共20榀临时支架，见图1。每组2榀支架沿横桥向布置在桁架下弦杆底部，可分为上游和下游支架。支架设计规格统一，立面布置如图2（a）～图2（b）所示。为便于描述，沿顶推前进方向，支架立柱命名为前、后柱；沿河道流向，支架立柱命名为上、下柱；具体命名如图2（c）所示。

图2 临时支架设计

4#—5#/6#—7#支墩间临时支架采用混凝土基础＋钢管柱＋分配梁的形式；5#—6#支墩间临时支架采用钢管桩接柱＋分配梁的形式。

1.2顶推器构造及布置

顶推装置为步履式顶推器[1]，如图3所示。主要构造包括水平顶推油缸、竖向顶升油缸（前支点）和滑动支撑结构（后支点）。后支点标高在顶推过程中通过增减调节垫块进行控制。

图3 顶推器构造及关键标高控制点示意

顶推器安放在支架顶分配梁上，初始放置点为②～⑤组支架。随着桥体的拼装与顶推，逐步将②、③组支架的顶推器倒换至⑥、⑦组支架。全程需配置4组8套顶推器。

1.3顶推过程施工模拟

采用SAP2000V21.0.2对顶推过程进行模拟分析。桁架自身强度和刚度较大，在顶推全过程中应力都很小。因此，模拟分析的主要目标是获得支架最大反力。

在桁架下弦对应支架中心处设置竖向弹簧约束，刚度为支架的竖向轴压刚度。每个行程作为一个施工步。读取施工步t时，支架i的反力，其最大值出现在顶推结构远端刚跨越6#支墩但尚未落架，而近端即将离开第④组支架时，如图4所示。

图4 临时支架在顶推过程中的最不利工况

计算求得④～⑦组顶推点最大反力设计值依次为750.7、2 339.6、1 083.9、4 238.5 kN。在实际施工中，⑦组顶升油缸最大压力为3 750 kN，与理论最大值较为吻合。

1.4临时支架验算

根据施工模拟的最大反力，对支架静力进行分析计算。一个顶推步中，支架受荷分为3种工况，如图5所示。图中，横线代表支架顶上分配梁，左端和右端节点分别对应后柱和前柱中心线，中间节点对应支架中心线。

图5 临时支架荷载工况示意

工况1时顶升油缸顶起结构，支架前柱受竖向荷载；工况2时顶推油缸位于支架中心并启动，支架中心受到水平惯性力和竖向力，水平力按经验取竖向力的5%；工况3时顶推油缸移动到后柱中心并制动，后柱中心受到水平惯性力和竖向力。

支架验算以受荷最大的⑦组支架为例进行。经计算，临时支架构件最大应力比为：钢柱0.671、分配梁0.803、斜撑0.988，顶部水平位移最大值为18.43 mm。结构整体稳定系数为6.23，满足要求。

2 临时支架局部破坏与加固

2.1施工过程测控

支架立柱采用DZJ150振动沉桩。沉桩后立柱出现对接点局部缺损、整体倾斜等不同程度的初始缺陷。为保证安全，每步顶推前都采用垂线法对支架整体倾斜进行复测，并采用全站仪对立柱沉降进行观测。

经实测，各顶推工况中，各支架顶部最大平移幅度为40 mm（不计初始倾斜），与理论值36.32 mm（17.89 mm＋18.43 mm）较为吻合。

同一支架不同工况下，前后柱沉降差异显著，最大值20 mm。不同组支架相同位置立柱同一施工步的最大沉降差15 mm。

2.2支架局部破坏

当结构顶推过⑦组支架约16.5 m时，在顶推工况2—工况3的过程中，依次发生⑥组下游支架局部斜撑屈曲和⑦组下游支架前上柱拼接点局部屈曲。

2.3支架加固方案

破坏发生后，停止顶推并调整顶推油缸的位置和顶升油缸的高度，使⑦组支点反力降低，⑥组支点反力适当增大，并使各支架前后柱受力接近，然后更换破坏的次构件。

⑦组下游支架为主构件破坏。考虑到后续顶推时，该组支点反力还将增大，且原构件初始缺陷难以全面排查，故增加新立柱作为额外加固措施。

2.4破坏机理分析

经分析，破坏由3个方面的因素造成。

1）作为临时结构，部分支架多次反复使用，存在较为显著的初始缺陷。构件安全余量不足，容易发生破坏。

2）在各顶推中，后支点标高通过垫板调整，但未考虑桁架结构预拱度线形的影响，造成顶推过程中后支点存在竖向强迫位移，改变了各组支架的反力分布情况[2]。

3）跨河段支架未采用整体基础，前后立柱沉降差异较大，令次构件受力增大。不同支架间的沉降差异进一步增大了支点间的反力分布差。

当桥体搁置于后支点进行顶推时，其反力无法读取，可能远比在前支点时更大，造成结构破坏。

因此，在顶推过程中，应精确计算后支点标高，通过增减调节垫板及时调整，并严格按规范要求对临时支架进行验收。

3 顶推点标高控制理论研究

3.1标高控制对支架反力影响的分析

顶推前成桥拼装时，应做好线形控制。以预拼装为基础，对预拼角进行计算和控制[3]，做好符合线形要求的拼装胎架[4]。顶推过程中，以无应力线形标高[5]为基准，对支点标高和反力进行控制。

任意顶推步t时，桥体线形如图6所示。支点反力与位移的关系如式1所示：

图6 临时支架荷载工况示意

施工过程中，因顶推作业和不均匀沉降，各支点标高存在偏差，故易引起附加反力，如式（2）所示：

在实际工程中，求出每个荷载步的K(t)(U)显然不现实。当各支架规格相同时，可取最不利顶推步的K(t)(U)做包络设计。

3.2桥梁曲率对标高控制的影响

3.3立柱不均匀沉降的补偿

各支点反力不同，支架存在沉降差，进而造成支点位移偏差，产生支架附加反力。

3.4调节垫板的标高控制

各支架钢柱的轴压力不尽相同，其压缩变形也会对支点标高产生影响，但钢柱轴力随顶推步不断变化，严格通过计算来确定钢柱压缩值在实际应用中较为困难。可采取的简便做法是将沉降观测点设置在靠近柱顶位置，则其观测到的沉降值将同时包含钢柱压缩值和基础沉降值。此时，顶推步t的后支点标高可按式（5）确定：

4 标高控制管理流程

步履式顶推法较适用于整体平缓或曲率一致的桥梁。当桥梁的刚度较大时，有必要对每一步顶推的标高进行严格控制，避免结构出现较大的初应力，也避免临时支架出现过大的附加反力。其施工管理可按如下流程展开：给定全桥成形时支点预设标高→给定各顶推步支点预设标高→顶升油缸施压，前支点达预设标高→观测、记录前支点沉降变形数值→由式（6）、式（7）计算后支点标高，选用垫板→通过式（7）选用后支点垫板，完成一次顶推。

实际施工中，因偏差造成预设标高无法达到时，应根据式（2）计算支架附加反力，对临时支架进行复核。若承载力不满足时，应返工调整支架标高。