钢结构桥梁超重柔性钢梁大跨顶推施工技术应用研究

2022-05-20康继平

工程建设与设计 2022年6期

康继平

（中交世通（重庆）重工有限公司，重庆 402100）

1 引言

目前，顶推施工技术已经发展成熟，成为桥梁工程施工领域的一项关键技术。我国最早在钢结构桥梁施工中采用顶推施工法是1974年建设的狄家河铁路大桥，后续又在多项钢结构桥梁工程施工中实践了该施工方法。在此过程中，顶推器械也由传统卷扬机滑车组发展为现在的千斤顶以及步履式顶推，滑移面由最早的钢接触面发展为现在的四氟乙烯板[1]。在桥梁工程中采用顶推施工法最大的优势在于可以有效克服地形条件的限制，尤其是峡谷、大江大河、湖泊以及海洋等，可以保障工程顺利开展。

2 工程概况

某江大桥主梁结构设计为三跨双边梁体结构，主梁跨径设计为111 m+252 m+110 m，双边压重跨径设计为48 m+57 m，主梁总重超过7000 t。主梁采用钢筋混凝土结合梁，双边主梁采用预应力混凝土箱梁，桥体中心位置梁体高度为3.56 m，宽度为42.8 m，涵盖风嘴。由于该江属于Ⅱ-（3）级航道，要求项目施工期间必须保持通航，通过进行专业评估，要求航道宽度不低于84 m，因此，主梁架设施工不能使用支架施工法。同时，由于该江上其余桥梁净空有限，大型船舶无法通航，因此，也不能采用大型浮吊进行施工。此外，本项目中主梁采用的钢筋混凝土梁体抗扭转性能较差，并且刚度有限，属于柔性钢梁，必须采用特定的施工方法。最终经过综合分析论证，拟采用顶推施工法架设钢梁。

3 顶推施工法工作原理

顶推施工法的基本原理是利用千斤顶等器械对梁体施加水平推力，借助临时滑道或者临时滑块推动梁体平行移动。这种施工方法的优势在于临时滑道或者滑块的设计可以减小摩擦力，梁体在平行推进过程中不会产生冲击作用力，可以使梁体平稳就位[2]。在顶推施工过程中，安装采用的顶推装置数量可以分为单点顶推与多点顶推两种形式，其中，单点顶推多用于长度小、跨径小、直线型桥梁工程，此外，在桥梁工程施工中若水平方向上承载力过大或者后座对桥梁产生的反作用力较大时，也适用单点顶推施工法。其具体施工步骤如下：（1）搭建拼装平台或者可以直接将顶推装置安装在桥墩上；（2）在桥墩正前方位置安装滑动装置、支撑装置；（3）进行顶推施工，梁体在顶推装置作用下会沿滑动装置水平推进。多点顶推施工法多用于长度大、跨径大、结构复杂的桥梁工程中，顶推装置主要采用的是千斤顶，梁体滑动时所产生的摩擦力可借助于墩台的反作用力得到有效控制，从而使梁体保持平稳推进。多点顶推施工法的优势在于对桥墩要求相对较低，顶推施工过程中施加在桥墩上的承载力小，并且可以有效控制梁体顶推过程中的偏移度。

4 钢结构桥梁超重柔性钢梁大跨顶推施工技术的应用

4.1 顶推施工流程

本项目顶推施工基本流程如下：（1）搭建顶推作业平台，并在作业平台上完成前端钢导梁、上部背撑等临时措施的拼装工作；在岸上以及江中架设临时性支墩。（2）将钢导梁、背撑等临时措施向前顶推，空出顶推作业平台，开始拼装梁体节段，完成后将梁体与钢导梁连接，上部背撑与梁体和钢导梁连接。（3）将钢导梁、背撑以及梁体整体向前顶推，并在后方顶推作业平台上继续拼装梁体节段。（4）重复上述3个步骤，直到钢导梁到达对岸最后一个临时墩，确认没有问题后开始拆除背撑、钢导梁等临时措施。（5）拆除工作完成后，将梁体顶推到位，落梁后开始拼装合龙段。

4.2 施工前期准备

4.2.1 顶推作业平台选址

本项目中2个主塔位于防洪大堤旁，一侧塔柱的防洪挡墙长度为140 m，另一侧塔柱与防洪大堤的距离为50 m，从现场实际情况来看，前者堤内的区域条件相对较好，经过平整处理后，场地较为开阔、平坦，并且该区域内不存在居民区，具备设置顶推作业平台的基本条件，施工相关设备、材料以及器具可采用陆路运输。而后者区域条件较差，整体地势较陡，地表最大高差可达16 m，并且有两处坡度超过20°的陡坡，不适合搭建顶推作业平台。经过综合分析论证，确定选择前者作为搭建顶推作业平台的区域。

4.2.2 临时墩布设

本项目处于2个弯道间的过渡段，项目所处位置江水流速较缓，航道单一，然而桥梁距离上游弯道不足400 m，桥轴法线与江水交角过大，同时在顶推施工过程中，江中的3个临时墩需要占用部分航道水域。综合上述因素，为确保项目顺利推进且不影响正常通航，1#与2#临时墩的间距不能低于90 m。

4.2.3 顶推设备

顶推施工法目前已经形成较为成熟的技术体系，在顶推设备方面目前主要采用的是步履式与拖拉式两种顶推设备，步履式顶推设备的优势在于其在顶推施工过程中可保证同步性，对临时墩产生的水平作用力较小。顶推施工过程中对于梁体表面不会造成较大损伤，顶推过程稳定性好。其缺陷在于施工成本相对较高。拖拉式顶推设备的优势在于整体施工成本较低，其缺陷在于在顶推施工过程中难以保证同步性，对临时墩产生的水平作用力较大。顶推施工过程中对梁体表面会造成较大损伤，并且容易出现爬行情况。综合分析两种顶推设备的优缺点，同时结合本项目实际情况，决定采用步履式顶推设备。

4.3 顶推施工关键点

4.3.1 施工仿真模拟

由于本项目梁体属于柔性钢梁，同时，最大顶推跨度长达90 m，因此，施工难度较大，整体风险较高，通过对顶推施工过程进行仿真模拟可以有效控制施工风险，保障施工质量[3]。本项目采用Midas-civil软件仿真模拟顶推施工过程，共建立材料类型两种，截面类型13种，单元1533个，钢导梁、背撑以及主梁均采用梁单元建立，通过设置弹性连接与截面偏心实现各构件的连接。通过仿真模拟发现，顶推施工过程中主梁最大应力为117 MPa，最大挠度为139 cm，整个施工过程各项参数均处于正常范围。

4.3.2 顶推作业平台与临时墩设计

1）顶推作业平台

顶推作业平台主要用于拼装梁体节段，并且发挥其顶推支点的作用，由于本项目采用步履式顶推设备，拼装主梁节段时，步履式顶推设备处于落空状态，不受荷载作用；顶推梁体时，主梁在顶推设备作用下离开拼装胎架，因此，拼装胎架不受荷载作用。由此可知，在顶推施工过程中，拼装胎架和顶推支点所需刚度、强度不同，顶推支点需要承担梁体顶推时产生的荷载，对于强度、刚度的要求超过拼装胎架。基于此，本项目将顶推作业平台设计为顶推支点和拼装胎架分离的结构，如图1所示，这样不仅可以保障施工顺利进行，还能有效控制施工成本。

图1 顶推作业平台(单位：mm)

2）临时墩

在本项目中，由于桥梁跨度大、自重大，并且有3个临时墩位于江中，因此，进行临时墩设计时必须考虑到梁体自重、水流冲击力、水平作用力以及桥面质量等多方面因素。经过综合分析论证，同时，结合航运部门专业的航道评估报告，在本项目中临时墩设计如图2所示。

图2 临时墩（单位：mm）

4.3.3 钢导梁、背撑

由于本项目设计为双边主梁结构，相较于钢箱梁结构刚度较低，并且顶推施工最大跨度达90 m，因此，施工过程风险较高，仅采用钢导梁无法完成顶推施工。结合类似工程施工经验，本项目拟在梁体以及钢导梁上焊接临时性桁架背撑，以加强顶推整体刚度，控制最大悬臂状态下钢导梁挠度以及梁体内力峰值。经过现场测算，发现无背撑情况下梁体应力可达173 MPa，钢导梁挠度为117 cm，悬臂为90 m；焊接背撑的情况下梁体应力仅114 MPa，钢导梁挠度为58.5 cm，悬臂为90 m。由此可知，增加临时桁架背撑后钢导梁挠度以及梁体应力能够得到明显改善，有助于顺利完成顶推施工。

4.3.4 顶推控制

本项目中采用的是单向顶推，即有一侧江岸向另一侧江岸顶推，整个顶推施工过程为直线段—弧线段—直线段，因此，施工过程极为复杂，并且还要考虑到后续施工的便利性问题，这就要求必须做好线性控制。针对此问题，本项目施工中主要采取如下措施：（1）起始直线段顶推过程中，拼装平台与梁体拼装线性保持平行状态；（2）中间弧线段梁体拼装到一定程度时，末端线性与拼装平台交叉，二者不在保持平行状态，形成逐渐变化的夹角；（3）最终直线段顶推过程中，调整临时支点高程，使将要拼装的梁体线性处于拼装平台上方。

4.4 施工过程控制

4.4.1 柔性钢梁变形控制

本项目中，主梁属于柔性钢梁，相较于钢箱梁或者钢拱桥的扁平流线型设计，本桥梁体设计平面体系，整体刚度较小，在顶推施工过程中，若梁体自身下挠以及梁体局部应力过大都可能会导致梁体发生变形，因此，在顶推施工过程中必须重点监测梁体下挠以及局部应力变化情况，避免梁体出现较大变形，影响施工质量。

4.4.2 顶推过墩控制

本项目中由于该江属于Ⅱ-（3）级航道，要求项目施工期间必须保持通航，导致在临时墩设计上受到了较大的限制，1#墩和2#墩的间距达到了90 m，这在同类型桥梁项目中史无前例，在顶推施工过程中如何确保梁体顺利跨越90 m后过墩是关键控制点。针对此问题，本项目采用的做法是将梁体进行绕点刚性转动，从而使梁体前端翘起，在高度上超过临时墩，以确保梁体顺利实现过墩。

4.4.3 轴线精度控制

为保证工期本项目塔梁同步施工，进行顶推施工时塔身施工完毕，塔身净空为33.4 m，而梁体最大宽度为33.3 m，二者仅相差10 cm，这就意味着梁体和塔身净间距从理论上来说只有50 cm，因此，顶推施工过程中必须严格控制轴线精度，否则不仅会对塔身造成影响，还会影响顶推施工进展。