双层钢桁梁桥节点跟随式步履顶推技术研究*

2022-10-10贺红星邓运生陈严良

施工技术(中英文) 2022年17期

贺红星，谢卫，邓运生，袁达，陈严良，田浩，龚政，董义

(中建三局集团公司，湖北武汉 430064)

0 引言

顶推施工在国内已有40多年的发展历史，经过不断完善和拓展，工艺技术逐渐成熟，施工方式也逐渐多样化。发展初期常见的顶推方式为拖拉式，利用牵引装置带动千斤顶向前循环往复顶推施工。近些年，受法国米约桥楔进式顶推施工工艺的启发，我国自主研发集顶升、顶进、横向纠偏于一体的顶推设备，实现主梁顺桥向、竖向、横桥向移动，该工艺被称为步履式顶推，指在桥台背后布置预制场地，分节段或整体预制梁体，之后安装导梁，将导梁和预制梁体连接成整体，顶、推交替进行，将梁体向前顶进，直至桥梁顶推至预定位置[1]。

常见的拖拉式顶推和步履式顶推方法更适用于箱形或槽形桥梁。钢桁梁由于自身特性，施工过程中的支撑点必须在节点位置。施工过程中校核及调整拖拉式顶推较困难，节点位置控制难度大、精确度低。步履式顶推在顶推过程中移动及预顶时，千斤顶位于非节点处，结构存在变形风险。如何保证钢桁梁在顶推过程中受力点始终位于节点位置及有效调整偏差，是使钢桁梁顶推能够保质保量完成的前提。节点跟随式步履顶推技术可优化常见顶推方式的不足，针对性地解决钢桁梁顶推过程中存在的问题，保证钢桁梁顶推施工质量、安全、经济。

1 工程概况

赣州市蟠龙大桥是连接赣州市经开区与蓉江新区之间的重要通道，主桥长396m，为三塔单索面连续钢桁梁矮塔斜拉桥结构形式，跨径布置(54+63+108+108+63)m，采用钢柱式索塔，拉索为单索面形式，主梁采用3道腹杆钢桁架断面，为双层桥面设计，上层桥面为机动车道，下层桥面为行人和非机动车道。纵断面为单向坡，坡度-0.5%，纵坡顶点位于P14墩顶。蟠龙大桥立面布置如图1所示。

图1 蟠龙大桥立面布置

主桥范围桥梁总宽26.5m，上层桥面宽26.5m，下层桥面宽13.5m。主桥桁架结构如图2所示。钢桁梁沿桥纵向分为44个节段，标准节间距为9m。主桥桁架采用2片三角桁，上弦杆中心线横向间距为17.545m，下弦杆中心线横向间距为15m，斜腹杆为空间杆件，斜腹杆在断面上外倾15°，桁架理论高度为4.75m。

图2 主桥桁架结构示意

2 钢桁梁总体施工工艺研究

综合考虑桥位环境和施工经济性，设计推荐采用顶推法施工主桥钢桁梁，拟在拼装区组拼钢桁梁和索塔后由小桩号向大桩号方向逐节顶推到位。顶推跨度组合为(36+45+5×54+36)m，在P11～P15号墩设置176m×40m的存梁和拼装区，钢梁前端设置29m长导梁，全桥顶推重约8 400t[2](见图3)。

图3 蟠龙大桥顶推跨度布置

顶推法是将桥梁设计成若干节段，在工厂内制造完成，并利用车辆或船舶运抵现场装配组拼，再使用多点顶推设备将组拼完成的梁体结构逐节向前推移或拖拉的桥梁装配化施工方法。目前广泛应用于水深、墩高和跨越既有线等情况的桥梁施工[3]。钢桁梁顶推施工有别于常规钢箱梁或槽梁连续顶推施工，由于钢桁梁自身结构特点，顶推支撑面必须在节点位置。目前国内钢桁梁顶推通常采用拖拉法和步履式顶推法。

2.1 拖拉式多点顶推法

拖拉式多点顶推法是利用千斤顶通过钢绞线拖拉支撑，对钢桁梁节点处的滑块施加作用力，钢桁梁在临时墩滑道上滑移，实现结构在空间位置上的水平移动。

拖拉法工艺存在如下缺陷：①对支撑临时墩产生的水平力大，启动水平力可达到支撑反力的12%～15%[4]，导致临时墩措施量较大；②钢桁梁节点随滑块在滑道上前移，由于钢桁梁刚度大，对位移量敏感，局部支点高度突变易损伤桥梁结构，对滑道平整度和临时墩沉降量控制要求极高；③拖拉设备集成度不高，无法实时调整钢桁梁顶推过程的位姿，同步性较差；顶推到位后的桥梁精确调位效率低，线形适应性较差，控制难度大[5]。

2.2 步履式顶推设备+滑块顶推法

步履式顶推设备+滑块顶推工艺原理是在临时墩顶面设置滑道，步履式顶推设备固定于临时墩两端，钢桁梁节点支撑于滑道滑块上。步履式顶推设备起升顶在钢桁梁下弦杆，加载至设定预顶力后，推进油缸向前推动，由于顶推设备与下弦杆间静摩擦力大于节点位置滑道与滑块摩擦力，故推动钢桁梁前移[6]。该工艺与拖拉法相比较，墩顶水平力更小，同时顶推1个节间后，可通过顶推设备纠偏和调位钢桁梁，技术上更具优势。

步履式顶推设备+滑块顶推工艺本质上是拖拉法的优化，钢桁梁顶推过程靠支撑滑块在滑道上滑动前移，推进动力由拖拉式千斤顶提供变为步履式顶推设备。与拖拉法类似，同样存在对滑道和沉降控制要求高的缺点，并无法实时纠偏，且顶推设备预顶在下弦杆非节点位置，存在一定的结构变形风险。

2.3 节点跟随式步履顶推法

结合以上工艺特点，提出基于步履式顶推设备的钢桁梁节点跟随式步履顶推工艺。此工艺在下承式步履式顶推设备外部设置移动转换柱，移动转换柱支撑钢桁梁节点，顶推设备顶升移动转换柱与钢桁梁节点步履式前移。设备回油时在移动转换柱内移动，跟随前移。完成1个节间距顶推后，通过设置在前端的固定转换柱转换荷载，使移动转换柱与钢桁梁节点底部脱离，然后通过小型卷扬机将顶升设备与移动转换柱一同回拉至下一节点，如此循环顶推，实现顶推设备随钢桁梁节点步履式行走。钢桁梁节点跟随式步履顶推如图4所示。

图4 钢桁梁节点跟随式步履顶推

由于步履式顶推设备基于自平衡原理，顶推过程中传递至临时墩顶的水平力仅为支撑反力的2%～3%[7]，临时墩措施量少。同时，设备随节点行走，可通过设备实时调整钢桁梁姿态，实时纠偏顶推过程，确保钢桁梁始终处于理想受力状态。由于设备自身具有三向调整功能，临时墩支撑纵梁无须设置高精度滑道，并可通过调整竖向支撑顶适应一定的临时墩沉降，对临时墩要求较低，该工艺解决了钢桁梁顶推面临的问题。经综合比选，采用节点跟随式步履顶推法施工主桥钢桁梁。

3 关键工艺

节点跟随式顶推系统由步履式顶推设备、移动转换柱、固定转换柱、小型卷扬机和搬运坦克车等部分组成，如图5所示。

图5 节点跟随式顶推系统组成

顶推系统在临时墩纵梁上顶推钢桁梁并跟随钢桁梁节点行走1个节间，节点跟随式顶推流程如图6所示，具体工作流程如下。

图6 节点跟随式顶推流程

1)顶推设备处于起始状态，钢桁梁节点由前端固定转换柱支撑。顶推设备顶升移动转换柱和钢桁梁，脱离固定转换柱。顶推设备推动转换柱和钢桁梁向前移动1个行程，顶推过程中，根据控制系统反馈参数纠偏调整钢桁梁。

2)设备竖向油缸回缩至移动转换柱底面接触支撑面，荷载从竖向油缸转移至移动转换柱，顶推设备支撑在临时墩纵梁的搬运坦克车上。推进油缸回油，顶推设备下支撑座与搬运坦克车在临时墩纵梁上滚动前移1个行程。

3)按照以上步骤，顶推设备在临时墩纵梁上将钢桁梁顶推前移1个节间。

4)钢桁梁顶推至前端节点时，将钢桁梁荷载由移动转换柱转换至固定转换柱上。顶推设备与移动转换柱一起支撑在搬运坦克车上，连接尾部小型卷扬机钢丝绳，通过卷扬机将顶推设备和移动转换柱回拉至尾部下一节点下方，设备顶升，固定转换柱卸载，如此循环，完成全桥顶推。

该工艺由于在单个节间顶推过程中，设备相对桥梁位置不变，受力状态稳定，控制要点有所不同，关键控制点如下。

1)由于钢桁梁刚度较大，顶推过程中以支点反力为控制指标。单个节间顶推过程中始终由移动转换柱支撑，无法进行转换，所以在移动转换柱和固定转换柱进行荷载转换时，需精确调整同断面两侧支点反力，确保两侧反力相对偏差≤5%，与理论计算反力偏差≤10%。顶推过程中，如出现纵梁局部不平整或反力异常现象，可通过移动转换柱底部垫钢板调整。

2)顶推过程中，可利用顶推设备实时纠偏钢梁位姿，与常规钢箱梁顶推纠偏不同，由于无法利用临时支墩荷载转换后进行设备纠偏油缸回程，纠偏最大行程取决于纵梁宽度，故临时墩纵梁需比移动转换柱宽200～300mm，可满足顶推过程中钢桁梁±100mm的纠偏行程。待钢桁梁顶推至固定转换柱位置时，即可进行大范围纠偏和调位。通过上述方法，可确保钢桁梁轴偏始终处于较理想状态。

3)顶推设备空载前进和整体回退时，均由搬运坦克车支撑，行进过程中需实时微调搬运坦克车轴线，以保证设备梁底偏移量在允许范围内。

本工艺基于传统步履式顶推设备，组合移动转换柱工装，实现钢桁梁节点跟随式步履顶推，既保留了步履式顶推工艺控制精度高、水平力小、可实时调位纠偏的优点，又确保钢桁梁顶推过程中节点始终受力。

4 顶推过程仿真分析

4.1 顶推工况组合

本工程采用大节段顶推工艺，在拼装区每拼装90m长钢桁梁顶推1次，全桥分5次顶推到位。钢桁梁顶推过程中的荷载主要有结构自重、桥面施工机具荷载和风荷载。

顶推过程中钢桁梁支点位置不断变化，受力状态变化。不同顶推阶段所受荷载差异很大，需验算分析钢桁梁强度、临时结构受力和杆件稳定性。施工阶段最不利受力工况为：①工况1(尾部最大悬臂状态) 钢桁梁顶推至尾部大悬臂状态，尾部悬臂45m；②工况2(前端最大悬臂状态) 钢桁梁顶推至前端最大悬臂状态，前端悬臂54m；③工况3(落梁状态) 主梁顶推到位，进行多点同步落梁。

4.2 计算结果

应用ANSYS有限元软件模拟钢桁梁顶推过程，主要钢桥面板采用Shell181单元模拟，桁架、钢塔及导梁结构采用Beam188单元模拟。模型各部分装配采用共节点固结、节点耦合及接触分析等方式模拟，荷载以节点力和线荷载方式进行加载[8]。各工况计算结果如表1和图7，8所示。

表1 顶推过程各工况仿真分析结果

图7 工况2桁架结构综合应力云图(单位：MPa)

图8 工况2钢桁梁竖向位移云图(单位：mm)

在顶推过程中，可能存在支架不均匀沉降、钢板超垫高差和顶推系统误差等因素，钢桁梁两侧存在相对高差，对顶推过程进行敏感性分析，考虑工况2的最大反力支点存在50mm高差影响，钢桁梁最大应力达203.9MPa，应力峰值增大42.29%。支点反力增大至7 803kN，增加14.62%，本工程采用1 200t顶推设备，应力值和反力值均在安全范围内。

当顶推完1个节间转换荷载时，由于转换柱自身需要占用一定空间，且移动和固定转换柱间存在一定间隙，故支点不是完全处于钢桁梁节点正下方，存在一定偏移，支撑位置按存在50mm高差、偏移节点正下方1 000mm考虑，钢桁梁最大应力为217.9MPa，分析结果如图9所示。

图9 节点支撑偏移1 000mm时综合应力云图(单位：MPa)

由分析结果可知，钢桁梁顶推过程中最大向下位移量εmax=148.9mm，主梁结构采用Q345qD钢材，考虑两侧支点高差和支点纵向偏移节点等因素，钢桁梁应力峰值fmax=217.9MPa

5 实施效果

节点跟随式步履顶推技术成功应用于蟠龙大桥主桥钢桁梁施工中，该技术确保了钢桁梁节点支撑，并实现自平衡步履式顶推，水平力小，全过程精确可控可调，确保钢桁梁顶推全过程处于理想受力状态。施工难度及风险大幅度降低，施工精度大幅度提升。该技术使临时措施量较拖拉法施工减少10%，顶推过程钢桁梁轴线偏差≤50mm，支点反力相对偏差≤5%，顶推施工效率达18m/d，保证主桥高品质施工，创造良好效益。