大曲率小半径互通匝道钢箱梁跨线顶推施工技术

2023-01-16李三民

工程建设与设计 2022年24期

李三民

（中国水利水电第十一工程局有限公司，郑州 450000）

1 工程概况

1.1 工程简介

云南省某高速公路新建互通枢纽与已通车高速枢纽搭接，部分匝道上跨或者下穿现状高速，上跨部分采用钢箱梁桥，其中，Q1匝道上跨现状新鸡高速B匝道、新鸡高速主线及新鸡高速C匝道，桥梁采用1联2×25 m+2×36 m+2×25 m钢箱梁布置。跨径总长为172 m，全长177.76 m。桥梁平面分别位于缓和曲线和圆曲线上，曲线半径130 m，纵断面位于R=2 000 m的竖曲线上。上部结构采用钢箱梁，下部结构采用柱式台、柱式墩，墩台采用桩基础。桥梁主梁在1～2号墩之间上跨现状通车匝道，在3～4号墩之间上跨现状高速主线。

1.2 钢箱梁简介

主梁采用单箱两室箱形结构，桥面总宽度10.5 m，粱高1.8 m，底宽7 m。钢箱梁钢材材质为Q345qD，为等高梁结构，钢梁质量1 268.522 t。

钢箱梁为工厂分节段制造、工厂预拼装、现场吊装焊接的全焊结构。

2 钢箱梁顶推施工

2.1 顶推施工方案综述

1）钢箱梁组拼：钢箱梁现场组拼场地布置于小里程桥台路基，钢箱梁钢结构加工厂家将散件节段梁运输至场地散件存放区，采用80 t汽车吊提吊散件至台架上拼装成标准节。

2）钢箱梁顶推：结合现场实际情况，通过建模分别对顶推不同工况进行演算，若采用无导梁顶推会出现最大负反力，存在支点脱空倾覆风险。根据验算结果，最大支点反力为448.3 t，钢箱梁局部受力不能满足规范和设计要求，同时由于桥梁曲线半径较小，采用整联顶推，过程中横向偏位纠偏难以控制，临时支墩工程量成倍增加，造成成本的极大增加。

根据推演结果，考虑到施工成本和安全，最终确定将整联钢梁分段进行顶推。首先将第一段86 m长钢梁顶推到位，再二次顶推第二段86 m长钢梁，钢梁顶推到位后在中部临时墩处进行合龙焊缝焊接，使钢桥成为整体。

顶推作业前，首先在拟定拼装平台部位设置拼装胎架，在拼装胎架上对运输到现场的钢梁分段进行组焊拼接，第一节拼装完成后，安装前端导梁，由步履顶将已拼装钢梁往大里程方向分段顶推，第一节钢梁顶推出拼装平台后，继续拼装第二节钢梁，以此循环顶推，直至第一段钢梁拼接完成，安装后导梁。后导梁安装完成后继续向大里程顶推，将第一段钢梁顶推至设计位置，拆除前后导梁，第一段钢梁顶推结束。

第二段钢梁在第一段钢梁推离顶推平台后开始拼接，采用与第一段钢梁相同方法进行顶推施工，第二段钢梁顶推过程中，当前端导梁接近第一段就位梁体时，分段对前导梁进行切割直至第二段钢梁顶推至设计位置，在中部临时墩处进行合龙焊接。

钢箱梁顶推到位后通过步履千斤顶精确调整线形，然后更换落梁千斤顶落梁到永久支座上，完成钢箱梁的架设。

2.2 顶推设备

根据顶推过程计算结果，顶推施工时设备应满足最大竖向承载力1 221 kN，同时在顶推施工过程中，顶推设备应具备一定的竖向升降和水平顶推的功能。综合考虑设计要求，结合本桥结构形式，施工时采用250 t智能步履式顶推设备进行施工。钢箱梁顶推最多共布置16套顶推设备，负责钢梁的顶升、纵向推移，同时在顶推千斤顶与钢梁接触部位设置横向钢垫梁，以分散钢梁梁底应力[1]。

2.3 步履顶布设方案

单个盖梁顶布设2台250 t步履顶，一套液压泵站控制系统。2台步履式千斤顶横桥向对称墩身中心线布置，千斤顶顶部设置500 mm×500 mm箱形钢垫梁，用于扩大千斤顶与钢梁接触面积，横向长度8.7 m，顶推过程中控制钢梁在垫梁上的横向偏移为±1.05 m，可解决钢梁在顶推过程中千斤顶与钢板梁腹板不同位问题，同时确保钢梁平面重心始终位于千斤顶支点平面以内。在盖梁顶部钢梁前进方向设置支撑横梁，采用2HN600 mm×300 mm型钢，用于步履式千斤顶在临时下落时的临时支撑。支撑横梁通过高度0.74 m的钢垫块与盖梁顶预埋钢板焊接成整体，以增加支撑横梁整体稳定性。另外，在箱型钢垫梁两端、型钢外侧焊接限位板，限位板由20 mm钢板焊接而成，高20 cm。

2.4 曲线顶推施工工艺

步履顶推在施工过程中，钢梁腹板随着圆曲线轨迹运动，而各跨钢梁腹板平面曲线不在同一圆曲线上，因此，钢梁腹板线在平面上的位置是不断变化的，顶推过程中需要对钢梁横桥向位置进行调整，调整步骤如下：顶推一个行程→检查腹板偏移情况→确认横向调整距离→用落梁垫块支垫→使用步履顶横向调整→钢梁前后端点绕中心轴反方向转动→循环施工。

顶推的纠偏原理是将钢梁绕质心旋转，将各个千斤顶位置的梁段简化为桥梁线形上的一个点，理论上该点绕质心做圆周运动，通过控制不同支点的运动距离和方向实现纠偏，但是由于顶推设备的油缸只能水平伸缩，所以，实际纠偏距离和理论运动距离之间的差值通过在步履顶上设置鞍座（可转动3%的角度），或者减小单次顶推距离，从而减小纠偏距离来实现。曲线纠偏原理示意图如图1所示。

图1 曲线纠偏原理示意图

步骤一：顶推一个行程40 cm，竖向千斤顶与钢梁腹板中心线重合。

步骤二：竖向千斤顶回缩，落梁至钢垫块，纵向千斤顶回缩到初始位置，测量竖向千斤顶中心点偏离钢梁腹板中心线距离。

步骤三：根据测出的偏差距离顶升横向千斤顶，同时竖向千斤顶起顶，竖向千斤顶中心点与钢梁腹板中心线重合，横向千斤顶回缩，完成纠偏。

步骤四：顶推一个行程，重复以上步骤。

曲线梁顶推施工控制主要包括两部分：一部分是现场施工数据采集；另一部分是通过模拟计算系统，对收集的数据进行分析处理，为下一步顶推提供数据支撑。

2.5 钢梁施工线形控制

线形监控测量包括：钢梁线形测量、结构位移测试、临时墩和主桥墩沉降观测、支座位移测量[2]。

钢梁施工线形控制是在模型数据分析的基础上，通过施工阶段测量线型控制，以实现设计线形要求。

模型数据分析和施工线形控制为动态控制，线形控制目标的实现要通过模拟、现场操作、数据采集、数据分析、现场纠偏等环节，并通过过程中各阶段对实测数据和模拟数据的不断修正保障最终成桥线形满足设计和规范要求。由于钢箱梁受环境温度的影响，出现热胀冷缩，因此，测量时间应相对固定，并选择在一天当中温度较低时段进行。

2.6 施工监控

施工监控是桥梁顶推施工控制的基础[3]，钢梁的顶推施工控制总体来说主要包括以下几个方面：线形控制、结构内力（应力）监控。其中，线形控制可以通过施工监测实现；结构内力（应力）监控可以通过数值模拟计算实现。

1）线形控制。线形控制主要包括两方面：水平线形控制和竖向线形控制。其中，水平线形可以在顶推施工过程中通过纠偏装置控制；竖向线形可以利用水准仪或者经纬仪等测量仪器控制。然而，钢梁顶推施工过程是一个受力体系不断变化的过程，因此，在此过程中，应该准确地测量出在每一个阶段下的梁高和中线偏位，并及时进行调整和纠正，以至于在成桥状态时，结构构件线形值与设计值有较高的吻合度。

线形控制的最终目标是使成桥线形符合设计要求。为了实现该目标，需要将目标进行分解，线形控制以桥面光滑平顺为原则，合理分配空间节点误差。由于线形对温度、日照较为敏感，所以，测量时间将选在日出之前温度较恒定的时间段内进行。

2）结构内力（应力）监控。结构内力（应力）监控测量包括关键断面钢箱梁梁上、下缘、腹板应力、顶推支点的局部应力测量。钢箱梁顶推施工中的应力控制是施工控制的基本要素，它直接关系到施工过程中的结构安全，也是结构施工控制中的预警系统。对各个阶段下的应力理论值与实测值进行对比分析，是对桥梁结构的施工状态进行不断调整和改善的主要依据。

3）温度测量。温度测量的内容包括杆件表面温度场测量和大气温度测量。温度测量是为线形控制和结构内力（应力）监控服务的，温度的变化对桥梁结构的内力和变形都有较大的影响，在钢桥中尤为明显。每次进行线形和结构内力（应力）测量都需测量温度场，另选择气温变化较大的一天进行全天测试，每隔2 h测量一次，找出温度场随时间和空间的变化规律，有助于结构内力、变形等研究工作开展。