4.3万t钢桁梁长距离多点同步顶推施工技术研究

王宏毅

(中铁建大桥工程局集团第四工程有限公司 黑龙江哈尔滨 150000)

1 前言

由于国家交通建设及城市桥梁的快速发展，桥梁工程建设难度逐渐增大。对于基础工程复杂、墩台造价较高的大桥或特大桥，以及靠近城市、铁路公路均较稠密而需建造铁路桥和公路桥以联接线路时，为了降低造价和缩短工期，可考虑建造公铁两用桥[1－2]。然而顶推施工对于多跨公铁两用大桥的顺利建设具有重要作用[3－4]，因此需要研究多点连续顶推施工同步控制技术，以确保此类大桥的顺利建成。

李艳哲[5]详细介绍了成贵铁路宜宾金沙江公铁两用桥主桥施工技术；冀伟等[6]以三跨等跨混凝土连续梁桥为例，构建主梁－双导梁的计算简化模型，以实桥数值算例为例，提出合理、严谨的导梁参数优化计算方法，获得最优的导梁参数；李兆峰等[7－8]以石济客运专线济南黄河公铁两用桥顶推施工新技术为工程背景，采用2个尺度分步分析该钢桁梁顶推过程中关键节点的应力状态，并选取该桥施工中受力最大的典型节点进行现场应力试验。左权胜等[9]以杭州一公路下承式三跨简支钢桁架桥为例，详细介绍了施工中采用的步履式多点同步累积顶推技术；贺常松[10]基于拱上平台的顶推施工法进行钢梁支反力变化趋势研究，发现由于顶推过程的重复性，顶推钢梁的支反力变化趋势呈现周期性的特点；翁方文等[11]依托跨汉洪高速公路高架桥，提出了大跨度连续钢箱梁桥顶推施工全过程控制方法。陈江平[12]针对曲线形钢箱梁，采用滑移施工很好地规避顶推施工的不利因素，以赣深南互通D匝道桥为例对曲线钢箱梁滑移施工进行详细介绍，采用3D3S软件对各不同工况进行模拟分析。

综上所述，现有顶推施工技术主要用于一般性公路桥梁施工中，对于建设难度较大的多跨公铁两用桥顶推研究成果较少。本文以三门峡公铁两用大桥钢桁梁多点连续顶推施工为研究背景，详细阐述多点连续顶推同步关键控制技术以及多跨钢梁顶推纠偏控制技术，借助PLC现场总线控制系统，实现多点连续顶推同步关键控制；通过给钢梁支撑滑块增加“翅膀”的设计，解决边顶推边纠偏的技术难题，确保长距离、大重量钢桁梁施工质量满足设计要求，使三门峡黄河公铁两用大桥钢梁顶推顺利完成，以期为今后类似工程建设提供重要参考。

2 工程概况

2.1 设计概况

三门峡黄河公铁两用大桥主桥为11跨连续钢桁结合梁桥，主梁位于6‰的单向纵坡上(三门峡至运城方向为下坡方向)，桥跨布置为(84＋9×108＋84)m，主桥全长1 142.5 m。主桥承受四线铁路和六车道高速公路，其中下层为四线铁路，分别为双线“蒙西通道”(线间距4.0 m)、双线“运三铁路”(线间距4.2 m)，上层为六线公路。主桁采用三角形桁式，桁高15 m，横向为3片桁架，中边桁中心距13.6 m，上层公路桥面全宽32 m。主桥立面及横断面布置如图1所示。

图1 主桥立面及横断面布置

2.2 工程重难点分析

本工程的重难点主要有以下3点:

(1)钢梁最大顶推重量达43 000 t(含高栓、剪力钉)，单片桁中、边桁节点最大支反力分别达2 233 t和1 896 t，顶推最大悬臂长度达96 m，多点顶推系统设计及施工是本工程的重、难点，主桥钢桁梁模型如图2所示。

图2 主桥钢桁梁模型

(2)主梁不带混凝土桥面板顶推，整体刚度较弱，因此导梁设计及顶推、顶升设备、纠偏设备的选型、布置是本工程的重点。

(3)本工程最大顶推高度近72 m，属高位顶推，水平顶推、竖向顶升及落梁的同步性控制为本工程的关键点。

本工程钢梁全桥共有12个混凝土主墩，在顶推过程中，滑道与滑块之间产生的水平摩擦力作用于各主墩顶面，对混凝土主墩整体产生巨大的偏心弯矩，如偏心弯矩过大，会对混凝土主墩造成结构上的破坏，因此需要通过严格控制作用在各混凝土主墩的水平摩擦力来保证偏心弯矩数值处于安全数值范围内，使顶推过程中混凝土墩结构安全无误。

为能做到对水平摩擦力的严格控制，就必须对顶推过程中各个墩上的水平顶推力进行严格控制，以便达到所有墩的均匀合理承载受力。同时在顶推过程中，当钢梁偏离轴线时及时进行钢梁的纠偏。因此需要对全桥11个墩上的顶推千斤顶进行多点连续顶推同步控制。

3 多点连续顶推同步控制技术

3.1 水平顶推主要设备

水平顶推系统主要由水平连续千斤顶、液压泵站及控制系统组成。

(1)水平连续千斤顶前顶在顶推时后顶处于回程工况，后顶回程到位后前顶仍处在顶进状态。当前顶顶进行程未满前，后顶与前顶同时顶进。在前顶顶进到位后，前顶回程，此时后顶仍连续顶进，直至前顶回程到位。如此反复进行，整个顶推过程不间断。0＃～11＃墩布置33台ZLD3500-300型水平连续千斤顶，每墩3台350 t级千斤顶可现场控制及远程控制。水平连续千斤顶结构构造见图3。

图3 水平连续千斤顶结构构造

(2)液压泵站采用LSDB105型液压泵站，在1＃～11＃墩上各布置1台液压泵站。LSDB105型泵站采用了变量泵与比例阀组成的液压系统，输出的液压动力油通过比例阀开口变化来实现流量的无级调节，同时液压系统可根据千斤顶载荷的变化进行自动均衡调节，从而有效地提高液压同步性能。

(3)LSDKC-16控制系统为网络式远程计算机控制系统，由主控单元、检测单元、显示单元及执行机构等组成。本工程主控系统采用分布式计算机网络主控系统，由1个主控台、11个泵站、11个现场控制柜、66套压力位移传感器、198个感应开关组成。本工程中的控制系统采用PLC现场总线控制系统，工程控制主机系统对顶推过程各墩分控系统收集的数据信息进行相应运算处理，从而确保顶推过程的安全及平稳进行。控制系统软件包括上位机软件及下位机软件，原理图如图4所示。

图4 主控系统原理

3.2 系统控制策略

在顶推过程中，对水平千斤顶的位移改变情况进行收集，利用闭环控制比例阀开口值与位移之间的协调配合，将比例阀开口值大小变化以及位移状况作为相应的参考数据，合理地控制水平千斤顶改变速度，从而有效达到合理控制顶推速度。

本工程水平连续顶推千斤顶布置为每墩每桁各1台，每墩3台水平连续顶推千斤顶共用1台液压泵站、同一油路，以确保其顶推力基本一致。同一墩上3台千斤顶有某台伸缸较快，则通过电磁阀断流调整顶伸缸速度。不同墩间连续顶推千斤顶间的快慢则通过液压泵站的流量调整。若某台液压泵站伸缸较快，则控制该液压泵站进油路减小，降低相应变量泵与比例阀开口值，从而减小流量；反之，则增加相应变量泵与比例阀开口值，从而增大流量。利用压力传感器提高构件的安全性，实时监测每个千斤顶的载荷变化情况。在顶推过程中，计算机通过压力传感器监测每台千斤顶的载荷变化情况。如果千斤顶的载荷有异常的突变，计算机会自动停机，并报警示意。连续顶推同步控制流程如图5所示。

图5 连续顶推同步控制流程

3.3 顶推同步性措施

本工程中，采用压力和位移交替控制来实现顶推的同步性，分两步进行。即顶推分级加载预紧，然后再进行位移同步顶推。

将顶推时的顶推力分成5个等级，分别是30%、50%、70%、80%、85%，顶推时按等级加载。加载等级的压力根据5个等级和千斤顶参数14 kN/MPa确定。

顶推工作就绪后，首先选择手动模式，逐一将前后主顶的活塞回到行程开关位置后开始手动顶推。主控台操作人员按下“前顶进”按钮，观察操作界面的压力显示，在30%、50%、70%、80%、85%牵引力状态下，检查各受力结构变形情况。检查油泵、顶推顶、前后夹持器、前后监控器、压力表、钢绞线是否异常，如有异常立即报告。

加载85%后，各水平千斤顶的受力均一致，转换至自动运行模式，以位移控制下进行自动连续顶推。各墩分控系统收集水平千斤顶位移信号加以运算，并发送至工程控制主机系统；主控机对数据分析后再下令各墩分控系统执行相应的指令，在此过程中，主控机和各墩分控系统不断地收集信号、运算、执行相应指令，形成一种闭环控制。

在位移控制顶推过程中，顶推压力作为辅助控制，各墩液压泵站均有压力限定装置，分控系统有压力监控措施，主控机上显示所有分控监控措施。滑块跟滑道的摩擦力变化时，顶推压力也相应变动，在压力不超过一定范围值内，系统不报警。当超压时，分控系统会报警，并在显示上体现出来，液压泵站限压装置启用，使水平千斤顶压力不再升高，顶推力不会增大，保护钢梁和主墩安全。当墩顶上突然停电时，主控机上监控立即显示停电分控系统，并下令其他分控系统停止执行当前指令，防止其他水平千斤顶压力超压，保护钢梁和所有主墩的安全。主控机发出指令给各分控系统执行是同步性的，即主控机同时对各分控系统发出指令，各分控系统同时执行指令，各墩的水平千斤顶同时动作，使得主墩受到较小的水平力，保护主墩安全。

3.4 顶推过程控制措施

(1)顶推力的确定

在倒换滑块起顶时，可确定各个墩顶的支反力，按照实测滑块的静摩擦系数计算出摩阻力，再根据摩阻力来确定千斤顶需施加的顶推力。滑块和滑槽的相对位置采用自动加黄油的装置，确保顶推过程中同步性和减少摩擦力。刚开始顶推时，拼装平台水平千斤顶加载至85%，1＃～10＃桥墩水平千斤顶加载至70%，再同步顶推；顶推走完6 m之后，停止顶推，放钢绞线使滑块不受力再重新加载，拼装平台水平千斤顶加载至70%，1＃～10＃桥墩水平千斤顶加载至85%，再次同步顶推至12 m。主梁顶推过程中监控测量钢梁的应力，一旦出现异常，则立即停工，查找原因，并予以调整。处理完问题后再继续顶推。

(2)顶推过程中桥墩受力及变形控制

根据结构的受竖向支反力可知，在桥墩受最大支反力作用时，桥墩受最大弯矩为260 040 kN·m，假设滑块摩擦系数为0.05，桥墩受最大纵向水平力为43 340×0.05＝2 167 kN。由最大弯矩引起的纵向位移为0.013 7×260 040/1 000＝3.6 cm；由最大纵向水平力引起的纵向位移为0.7×2 167/1 000＝1.5 cm；最不利纵向为两者叠加，为5.1 cm，所以要求墩顶纵向位移不能超过5 cm，如顶推能达到多点同步，墩顶纵向位移不超过4 cm。

在主墩墩顶进行线形监测，将监测数据和实际理论数据对比。当超出预警值，立即停止顶推工作，通过增加或减少水平力、抄垫，进行纠偏等办法解决后再进行下一步工作。

4 多跨钢梁顶推纠偏控制技术

4.1 纠偏工法的选择

顶推施工过程中的纠偏工法主要包含静态纠偏法和动态纠偏法。本工程中混凝土主墩高度近72 m，纠偏时产生的水平力将作用于主墩顶面，对混凝土主墩整体产生巨大的偏心弯矩，如偏心弯矩过大，会对混凝土主墩造成结构上的破坏，所以需要通过严格控制作用在各混凝土主墩的水平纠偏力来保证偏心弯矩数值处于安全数值范围内，使混凝土墩结构处于安全状态。

(1)静态纠偏法

本工程中桁节点最大支反力达2 233 t，边桁1 896 t，按静摩擦系数为0.1考虑，该混凝土墩墩顶面将承受水平反力为:(2 233＋1 896×2)×0.1＝603 t。该水平反力较大，对混凝土主墩整体产生的偏心弯矩也较大，混凝土墩结构安全存在较大风险。同时，静态纠偏时，钢梁必须处于停止顶推状态，各墩支撑滑块安装纠偏反力座装置，需投入大量的人员、材料，纠偏作业的时间也较长，影响主线工期。

(2)动态纠偏法

动态纠偏法即在顶推的同时进行纠偏作业。根据监测的轴线数据，通过安装在钢梁支持滑块上的主动纠偏装置，在钢梁顶推行进的同时调整钢梁的轴线，确保钢梁和混凝土主墩的动态结构安全。动态纠偏的混凝土墩墩顶面将承受水平反力为:(2 233＋1 896×2)×0.06＝362 t。由于动摩擦系数远小于静摩擦系数，水平反力较小，所以对混凝土主墩整体产生的偏心弯矩也较小，混凝土墩结构安全风险较低。纠偏作业与顶推作业是同时进行的，大大减少了人员、材料的投入，缩短主线工期，提高施工效率。

通过对比，最终选择采用动态纠偏法施工。

4.2 多跨动态纠偏装置

目前，常规施工主要采取静态纠偏的方式来实现钢桁梁的线形调整，即当梁体静止时通过在下部滑道预埋强力反力牛腿，再利用千斤顶将纠偏力施加于牛腿与梁体之间，从而实现钢桁梁整体偏移纠正，但此种方式无法在顶推过程中使用，须在顶推完成后梁体处于静止状态时进行，不能及时地对梁体线形进行调整，钢桁梁在顶推过程中线形不受控。本工程中，采用液压千斤顶为纠偏动力源，与钢梁支撑滑块融合一体的方案。通过给钢梁支撑滑块增加“翅膀”的设计，解决了边顶推边纠偏的技术难题。多跨动态纠偏装置如图6所示。

图6 多跨动态纠偏装置

4.3 多跨动态纠偏过程控制

(1)动态纠偏力的确定

在纠偏前，根据监控测量数据给出的各墩各桁支反力N的大小，通过计算(F＝N×0.06)得到动态纠偏力的数值。

(2)动态纠偏过程中受力及线形控制

顶推、纠偏工作就绪后，首先选择手动模式，逐一将纠偏千斤顶的活塞伸缸贴合滑道梁侧面反力板。根据控制指令，操作人员在钢梁顶推行进过程中继续增加纠偏千斤顶的压力。分别按50%、80%、90%、100%逐步加载，在其逐步加载状态下，检查各受力结构变形情况。检查油泵、纠偏千斤顶、纠偏钢结构螺丝、滚轮，如有异常立即报告。

加载80%后，如果钢梁支撑滑块已经开始缓慢横向偏移，应停止进一步加压，维持现压力，以便尽量减小纠偏反力，减小纠偏对混凝土墩的影响。

根据监控测量数据，作好钢梁支撑滑块在纠偏前的初始位置，明确纠偏的方向和横向偏移量；当滑块横向偏移接近预先设定数值时，应该逐步减小纠偏千斤顶的压力，减慢滑块横移的速度，保证不出现纠偏过量的情况。

5 结束语

针对长距离、大重量三门峡公铁两用大桥钢桁梁顶推施工，通过设置一台线缆型令牌总线模式远程计算机控制系统及11套现场控制系统，成果实现实现集中管理、分散控制，所有数据传送到计算机通过软件分析后下达指令至各个千斤顶，首先分级加载预紧，然后再进行位移同步顶推，可以保证钢桁梁顶推精度及同步性。各墩的水平千斤顶同时动作，使所有墩均匀合理承载受力，保护了主墩墩身安全。通过在钢桁梁顶推支垫滑块上设置动态纠偏装置，成功实现在运动过程中用最小的纠偏力实现纠偏效果，可及时有效地对钢桁梁线形进行调整，保障了施工质量。所采用的多点连续顶推施工同步控制技术使三门峡黄河公铁两用大桥钢梁顶推顺利完成，创造出目前连续顶推距离最长、顶推重量最重的公铁两用桥梁世界第一，为今后类似工程建设提供重要参考。