钢桁梁顶推横向偏位控制方法研究

2021-11-05王海周

铁道建筑技术 2021年10期

王海周

（中铁十四局集团有限公司山东济南 250013）

1 工程概况

黄大铁路黄河特大桥主桥跨径布置为120＋4×180＋120 m，采用下承式明桥面连续钢桁梁，带竖杆三角形桁式，桁高18.0 m，节间长度10 m，主桁中心距 11.0 m［1－2］。

主梁采用顶推法施工，在114＃～115＃墩间120 m搭设支架，作为钢梁拼装平台。拼装平台处设2台龙门吊，用以拼装钢梁。在115＃～116＃墩跨中位置设置临时支墩，115＃～119＃5个主墩搭设墩旁托架［3］，作为顶推滑道梁支架，如图1所示。

图1 顶推大临设施布置

2 支垫及滑行结构

钢桁梁支撑点置于钢桁梁下弦杆大节点处，支撑结构从上到下分别为垫板、滑块、MGE板、复合钢板、滑道梁、支架、支架基础［4］。MGE栓接于滑块底，复合钢板焊接在滑道梁上，MGE板与复合钢板之间相对滑动，依靠垫板与梁底间摩擦力带动上部梁体前行，完成顶推施工。垫板还用于调整高度，适应不同节点的预拱度和不同支架高度，如图2所示。

图2 桥梁支撑系统

3 钢桁梁线形偏位分类

大跨度钢桁梁顶推施工的关键在于线形控制，偏位过大，容易造成前端导梁偏位过大无法上墩，整体线形控制不力会出现钢梁局部卡死，无法再向前顶推等严重且不易处理的后果［5］。

钢桁梁顶推偏位分为三类，即纵向偏位、横向偏位和竖向偏位。

（1）纵向偏位

纵向偏位即左右两片主桁沿线路方向前进不一致，一前一后。纵向偏位不加以控制，发展至一定程度，主桁中心线与线路中心线间出现较大夹角，钢梁将朝着偏离中心的方向前进，同时也会引起钢梁前段后端大的横向偏位［6］，如图3所示。

图3 纵向偏位示意

（2）横向偏位

横向偏位即在水平面内钢桁梁中心线上某点或多点偏离线路中心线位置，如图4所示。横向偏位需要控制在一定的范围之内，导梁、钢梁横向偏位过大会使滑块与限位钢板在滑动中接触，限位钢板与滑块非滑动面产生巨大摩擦力，额外增加了牵引千斤顶的牵引力，同时也增大了墩身所承受的水平反力，对墩身不利；若主梁横向偏位没有及时得到纠正，摩擦力进一步增大，限位钢板受损后刚度降低，限位钢板限位功能将失效。

图4 横向偏位示意

横向偏位控制不当还会使左右两台水平牵引千斤顶受力不一致，梁内产生扭曲，引起钢梁部分杆件改变原工作状态，出现应力异常，使钢梁在顶推中的状态趋于不安全；钢梁内部产生扭曲使各墩左右侧滑块支反力不一致，增大了临时支架单点的荷载，对下部滑道梁和临时支架造成隐患。若横向偏位没有及时纠正，多处累计值较大后，随即引起纵向偏位。

（3）竖向偏位

竖向偏位即顶推中的各平台或滑道梁标高发生变化。各临时支点标高发生变化后，各支点承受的钢桁梁的重力重新分配，若未能及时发现，部分支点竖向支反力大于原设计值，会给钢桁梁带来一定的附加应力，不利于钢梁顶推施工，如图5所示。

图5 竖向偏位示意

减小竖向偏位，临时支架的设计应趋于保守，适当加大安全系数，具有承担一定数值的偶然荷载能力；在施工中要保证支架基础、支架的搭设精度，完成后全面测量，对于超出允许偏差的位置，调整平面高度后再次复核，直至满足精度要求；合理组织顶推施工的各道工序，尽量避免顶推过程中出现单个支点受力过大；在施工过程中对支架及滑道梁进行周期性动态观测，及时发现竖向偏位问题，便于调整处理。

4 顶推横向偏位原因分析

顶推施工钢梁横向偏位原因复杂，根据东营黄大项目现场实践经验从施工角度对横向偏位原因进行总结。

（1）顶推系统同步千斤顶不同步

水平千斤顶顶进行程不一致是造成横向偏位最主要的原因，本项目顶推系统为分散连续顶推，在各墩主桁下均设置牵引千斤顶。尽管千斤顶进行周期性检验、维护、维修，各墩左右侧每个循环存在微小的不同步偏差在所难免。虽然单个循环千斤顶行程相差甚小，但较小行程差值长期累积后，即会引起横向偏位［7－8］。

（2）手动顶推人为因素干扰

顶推系统在自动顶推之前要先进行手动调整，调整至各墩牵引力满足顶推方案要求时的位置；在自动顶推阶段出现线形变化时，也将采取手动顶推调整的措施解决。在手动调整阶段，左右侧千斤顶同步性受人为因素干扰较大，并且干扰值不易被观测，不同步累积后首先造成纵向偏位，再由纵向偏位引起横向偏位。

（3）支架标高及几何形位偏差

滑道梁标高及几何形位偏差是造成钢梁横向偏位的另一个原因，尤其是左右滑道梁的标高偏差。在顶推过程中，滑道梁标高的差异会使钢梁向着标高低的一侧滑动，造成横向偏位。滑床板标高及几何形位偏差是由其下部结构高程变化造成，如支架立柱变形、滑道梁变形、支架下部基础沉降变形。

（4）间歇型“爬行”线形

在顶推过程中由于钢绞线的弹性和摩擦面摩擦状态的转变，滑块与滑床板之间的滑动不能连续匀速进行，经常出现间歇性“爬行”现象，每次线形回归正常都需克服巨大的静摩擦力，并在静摩擦与动摩擦两种状态下交替转换［9］，对滑床板、滑道梁、支架产生较大的水平冲击，造成其几何形位发生变化。

（5）风荷载影响

当导梁悬臂过长时，容易受到风荷载的影响，导梁前端出现左右摆动，引起后端钢梁偏离纵向中心线。

5 横向偏位模型分析

本节建立横向偏位模型，对比分析实际水平纠偏千斤顶纠偏效果与理论值的关系，并得出相关结论。

本文以导梁上117＃墩后140 m工况为例，模拟在116＃墩上使用水平千斤顶分别纠偏5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm、40 mm、50 mm 需要施加的荷载。

建立Midas模型，导梁及钢桁梁杆件使用梁单元模拟，材料属性按照设计所给材料的性能考虑，荷载仅考虑导梁及已拼装主桁自重，模型荷载中1.35倍自重系数能够含拼接板、隔板、节点局部加强及横向联接系的重量，水平纠偏力等效为强制位移。115＃墩约束方式假定为固定支座，116＃墩、118＃墩、拼装平台、1＃临时墩均假定为活动支座。几何模型如图6所示［10］。

图6 钢梁模型

纠偏0 mm、5 mm、10 mm的组合应力结果由上至下如图7所示。

图7 纠偏0 mm、5 mm、10 mm组合应力

纠偏15 mm、20 mm、25 mm的组合应力结果由上至下如图8所示。

图8 纠偏15 mm、20 mm、25 mm组合应力

分别纠偏30 mm、40 mm、50 mm的组合应力结果由上至下如图9所示。

图9 纠偏30 mm、40 mm、50 mm组合应力

根据组合应力计算结果可知，在116＃墩位置上纠偏5 mm，对主桁杆件应力影响极小，杆件应力分布状态基本没有变化，杆件应力仍然受其自身重力控制。因此，5 mm以内的横向纠偏不会对导梁及主梁杆件造成太大影响。但一次横向纠偏值不能太大，仍应按照化整为零的原则，将较大的横向偏位，分次多点进行纠偏消除。

纠偏量提高至5 cm时，应力分布仍没有明显变化，主桁弦杆应力有所增大，由176 MPa增大到192 MPa，但未超出允许应力。所以，采用横向纠偏千斤顶横顶纠偏具有可行性。

纠偏需要克服的是钢梁和滑道之间的静摩擦力，根据统计顶推数据，顶推过程中的实际静摩擦系数在0.08～0.1之间，模型计算静摩擦系数取较高值0.1。对比分析理论弯曲纠偏力、模型计算支反力、实际纠偏力，见表1。

表1 理论弯曲纠偏力、支反力及实际纠偏力汇总

本项目水平纠偏千斤顶顶力为250 t，最大行程5 cm，纠偏量5～50 mm，现场实际纠偏力从84.6 t到86.9 t，纠偏力未见明显变化。通过对比分析，实际纠偏力与理论弯曲纠偏力、需摩擦力关系不大，顶推过程中的横向纠偏力不受弯曲应力控制，而是由静摩擦力控制。

现场纠偏力从纠偏5 mm至50 mm变化没有明显增大，说明在大跨度钢桁梁顶推施工横向纠偏中，纠偏力主要受静摩擦力控制。在选用水平纠偏千斤顶规格时主要考虑静摩擦系数。

6 横向纠偏措施及效果

横向纠偏要以精确的动态监测数据为基础，在保证钢桁梁位置的前提下，以可推动滑块和垫板的位置作为纠偏千斤顶作用点，如图10所示。

图10 支撑系统

（1）限位钢板

限位钢板作为顶推过程中滑块限位的基本约束，顶推过程中，若滑块出现与一侧限位钢板顶紧现象，则将主梁起顶，调整滑块位置，使其居于滑床板中部。滑块与限位钢板顶紧状态下，会增加水平牵引力，临时支架、墩身的水平反力也随之增加，不利于安全［11］。

在很多钢桁梁顶推施工中，使用角钢作为限位钢板并不合理，角钢一般用作拉压二力杆，而限位钢板受较大水平推力（剪力），角钢抵抗能力较差，而且角钢板厚较薄，限位工作面狭小，不具备限位功能。在个别工程中已有角钢限位失败的案例，黄大铁路东营黄河特大桥项目已经成功地采用钢板加加劲肋方式完成限位约束功能，建议使用板厚较厚的钢板辅以同等厚度的加劲肋作为限位装置。

（2）单点单动

顶推过程中，若发现导梁前端监测点发生左右偏移，即纵向偏位，可单独使用偏向一侧的牵引千斤顶工作，另一侧千斤顶不动，进行分次纠偏，一次纠偏量控制在5 cm，纠偏一次复测一次，直至导梁回归正位。单点单动容易引起主梁后端位置偏差，在纠偏过程中应严密观测后端滑块与限位钢板的相对位置，避免因导梁前端盲目纠偏引起主梁后端偏位［12］。

（3）横向千斤顶纠偏

根据第5章节分析可知，纠偏千斤顶并不是克服钢桁梁弯曲应力而是克服静摩擦力进行纠偏。对于本工程，相对于180 m跨度，钢桁梁柔性较大，很小的力就可以对其纠偏5 cm。纠偏分次分点进行，逐级将钢桁梁和导梁产生的横向弯曲应力释放掉。

（4）前端牵引

导梁上墩前悬臂较大时，采用钢丝绳与前端墩身连接，并对钢丝绳施加一定的牵引力，避免因异常大风天气造成导梁悬臂左右摆动，也是控制导梁前端横向偏位的一种辅助措施。