高速匝道钢箱梁桥步履顶推施工研究

王炜WANG Wei

（中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，武汉 430014）

0 引言

应地方经济发展的要求，原有的高速线路已经无法满足要求，需要对既有线路进行改扩建施工，增设出入口作为高速改扩建的一环，匝道线路的跨既有线架设要求在较短的施工时间，保证既有线路畅通的情况下完成施工。目前，钢结构匝道桥梁具有重量轻、结构简单承重好，施工简单等优点，可以提高桥梁施工效率和质量。预制钢箱梁节段通过吊装或支架施工，都需要不同程度的封闭交通或改通保障，且存在大型设备入场基建复杂、焊接定位成桥质量难以控制等问题，大大增加了涉路施工的安全隐患。钢箱梁匝道步履顶推施工技术应用则可以有效解决传统施工方式的技术难题。因此，对匝道钢箱梁顶推施工技术在跨线施工中的应用、重难点控制进行总结并深入研究具有较高价值及重要的现实意义。

1 匝道钢箱梁顶推施工方案简述

本文依据临沂市郑旺镇临滕高速郑旺枢纽匝道钢箱梁顶推施工进行研究，该工程的方案根据现场钢箱梁结构特点及现场相关布置情况进行设计。钢箱梁结构为多箱单室组合梁，左右箱室底面平行存在176mm 高差，箱梁顶面横坡为4%（断面示意图如图1 所示），钢箱梁全长62m，水平曲率半径180m，竖曲线拱高150mm，全重337 吨。为满足场地要求该工程钢箱梁采用两段拼装，两轮顶推完成整个匝道桥的架设。施工布置图如图2、图3 所示。

图1 钢箱梁断面示意图

图2 顶推施工方案立面布置图

图3 顶推施工方案平面布置图

施工采用步履式顶推方法，应用于小半径带纵坡钢箱梁顶推施工，设备动作由电脑控制工控组件同步动作。该施工方法具有精度高，不同位置相同作用油缸同步性好特点，可保证顶推作业稳定无误。顶推体系包括：临时支架、胎架、液压顶推系统、反力座、匝道钢箱梁、钢导梁等。①临时支架，1）作为钢箱梁拼装焊接平台设置胎架组拼钢箱梁；2）安装放置液压顶推设备，顶推过程中起承载钢箱梁前行运动中各项反力作用；②胎架作为钢箱梁节段组拼基础控制钢箱梁的结构拼接质量及成桥线型；③液压顶推系统，其中三向油缸由顶升油缸起放钢箱梁，顶推油缸使钢箱梁随滑块前行，横向油缸恢复钢箱梁前行过程中变化的轴线方向，液压泵站提供动力其内分布式工控组件与主控组件组成网络由电脑控制系统运行，由各类传感器传递状态参数；④钢导梁安装于钢箱梁前部控制顶推过程中钢箱梁本体通过跨距时所受的外力作用避免梁体损伤；⑤放置于顶推设备前后的反力座用于承接顶升油缸下降后钢箱梁的自重。

2 匝道钢箱梁顶推工艺方案设计

匝道钢箱梁顶推施工方案根据现场勘察情况对顶推施工方案进行设计，设计包括：①导梁设计；②临时支架设计；③钢箱梁施工工况计算；④曲线顶推功法设计。设计中对施工过程中关键工况进行分析，以保证顶推结构和顶推过程安全完成。

2.1 导梁设计

导梁设计参数（长度、曲率、横截面、每延米重量、横撑结构等参数），由临时结构最大跨度、顶推过程中主梁的应力和变形、导梁整体和局部稳定性等确定。导梁长度据研究表明可按照最大跨度0.7～0.8 取值优化，以控制导梁自重对结构的影响。本次顶推最大跨度43m，导梁长度30m取值0.7，导梁中心曲率与钢梁曲率一致。导梁顶推工况过程中受力状态呈周期性变化，受力最大工况为顶推最大跨度工况下，支撑点位于导梁中部时，通过计算（ANSYS 软件）确定在此工况下导梁及钢箱梁应力情况，计算结果如图4 所示。

图4 导梁受力最大工况整体综合应力云图

导梁最大应力111.8MPa，位于其根部与钢梁连接处，导梁支撑点内外侧反力分别为400kN、411kN。

为加工制造简单便于与钢梁梁连接，导梁结构选取工字型型材，由腹板结构及计算结果，为避免顶推过程中导梁在竖向力及横向纠偏力作用下发生失稳现象，根据导梁局部竖向受力进行结构稳定性计算设计工字型截面参数、截面纵横向加劲肋并进行整体横向支撑设计。

2.2 钢箱梁结构计算

顶推施工需要对钢箱梁整体稳定性及局部稳定性进行计算，以确定钢箱梁结构是否适应顶推跨距布置及顶推支撑点接触面在支撑反力的作用下是否满足局部稳定性要求。

钢箱梁整体稳定性在设计之初即进行过校核，此处仅对支撑点局部稳定性进行校核。顶推过程中顶推设备及反力座支撑在钢箱梁两侧外侧腹板处。钢梁腹板稳定性复核按设计值载荷进行复核，根据计算，顶推设备或设备前方反力座接触面长度为顺桥向a=800mm。计算得，单点最大反力F=2096kN，最大断面弯矩M=2.27x1010N·mm，断面总剪力Fy=1.9x106N。

截面参数参照钢梁标准断面，顶推段钢梁腹板最薄厚度为14mm，顶板最薄厚度为16mm，底板最薄厚度为16mm。计算800mm 长度上承压面积：14×（800+5×16）=12320mm2。

根据《钢结构设计标准》第6.3.4 条，计算受拉/压翼缘与纵向加劲筋之间设有短加劲筋的区格的局部稳定性，受拉翼缘与受压翼缘腹板局部稳定性计算值均小于1，腹板局部稳定性满足要求，无需增加纵横加劲肋或增大接触长度。如图5 所示。

图5 匝道支反力最大工况钢梁弯矩及剪力示意图

2.3 临时支架设计

在顶推过程中，临时支架的受力分为竖向的支撑力，顺桥向的顶推反力或横桥向的纠偏反力。其中，竖向力大小由临时支架间距决定随顶推进程变换，顶推反力和纠偏反力为竖向力产生的设备滑移面间的摩擦力根据应用材料和使用环境其为竖向力的0.04 至0.1 倍。

根据工况计算，临时支架支反力最大出现在5 号临时支架，工况下内侧支反力为：1581kN，外侧支反力为：1175kN。临时结构材料选用：立柱Φ630×10 钢管；横梁2HM588x300 型钢；纵梁5HM588x300 型钢；横联Φ426×6钢管，材料Q235，单根立柱桩基最大支反力为1813kN，桩基选用7m×3m×1m 扩大基础，基础材料C30。计算结果如图6、图7 所示。

图6 5 号临时支架顶推工况应力云图（MPa）

图7 5# 临时支架纠偏工况应力云图（MPa）

据图临时支架的最大应力出现在立柱与横梁连接处，施工时桩帽结构必须按图施工。因为临时支架在顶推过程中受周期力作用，需对临时支架进行整体稳定性、桩基立柱稳定性校核，并根据扩大基础设计计算地基承载力。

2.4 顶推工法设计

本次顶推钢箱梁存在竖曲线及水平曲线，施工过程中顶推方向存在2%的下行坡度。

为完成最终的落梁工作，反力座采用型钢组焊制作，反力座标高以钢箱梁成桥线型降低100mm 考虑，同时校核临近永久墩支座高度与反力座标高，防止反力座标高过高影响落梁成型。顶推过程中反力座上的抄垫高度以钢箱梁顶升到可顺畅顶推的高度后留1cm 间隙确定，并根据竖曲线各点调整抄垫高度。横桥向两台设备及反力座抄垫完成后至梁底间隙务必保持一致。钢箱梁为半径R=180m的曲线钢箱梁，施工中采用差速顶推。曲线内外侧顶推设备推进速度比为97:100，内侧设备单次顶推291mm，外侧设备单次顶推300mm。顶推过程及时调整顶推设备横向位置，保证箱梁和导梁腹板始终在顶推设备纵向中心线±50mm 范围内，每顶推三个行程修正一次横向位置。钢箱梁分为两段顶推，顶推过程中需对特殊工况进行抗倾覆计算，主桥抗倾覆验算考虑三座临时墩支撑钢箱梁结构，临时支架6 顶推点作为中间支点，支点前侧结构重力为F2，支点后侧结构重力为F1，其中重力F1 距支点距离15.5m，重力F2 距支点距离15m。根据导梁，钢梁重量分布可得抗倾覆系数为：2.17＞1.3，匝道结构在顶推工况下的抗倾覆稳定性满足要求。支架顶面标高坡度按2%计，根据计算可知，导梁与钢梁最大总重量为G=3871kN。则在2%坡度顶推情况下，钢梁的下滑分力为F1=3871×sin（0.64°）=43.2kN。在顶推过程中，摩擦系数按0.1 计，则摩擦力F2=μG=0.1×3871=387.1kN。可知摩擦力F2=387.1kN ＞F1=42.3kN，在顶推过程中的抗滑移稳定性满足要求。

3 匝道钢箱梁顶推施工

3.1 匝道钢箱梁顶推过程控制重点

①顶推工况支点反力控制。②姿态控制，钢箱梁的中线偏移及纠偏和过墩钢箱梁竖向标高控制。③导梁、钢箱梁、临时结构检查，正式顶推前设备安装、检查测试，试顶升及试顶推。④顶推过程中，专人寻查顶推系统、导梁、钢箱梁及临时结构，如发现异响、焊缝撕裂、顶升/推力骤升/降、导梁等构件及连接处变形或局部变形等，应及时停止并检查原因进行处理。

以下，按照匝道钢箱梁顶推施工各阶段进行分析。

3.2 顶推施工设备准备阶段

匝道钢箱梁顶推施工正式作业之前，需进行施工准备工作。首先需要安装调试步履式顶推设备，安装工作包括油顶外设电气元件安装及泵站油顶系统电路及油路连接。设备连接通电后对设备进行调试，调试分为单机调试及多设备联机调试。设备的控制模式分为手动模式及自动模式，单台设备安装完成通电后，选择手动模式对顶推设备各方向动作测试确定各机构可正常运行，系统压力可正常建立、显示。单机调试完成后需要进行联机调试此项操作通过主控电脑控制，将各设备调至自动模式，在确定各设备与主控电脑通讯正常情况下，首先对单台设备进行动作测试，测试通过后按照设计值调整设备参数完成曲线顶推设置，全面检测千斤顶的同步性以及协调性。空机调试可减少设备误动作，减少顶推过程中钢箱梁轴线的调整次数提高工作效率。若空机调试发现存在不正常的现象，应及时故障排查采取有效措施解决问题。

3.3 顶推检测及试顶推施工阶段

钢箱梁顶推作业需对导梁结构、钢箱梁结构及临时结构进行全面检测，确保各结构不存在质量问题，并按照设计完成相应的加强，胎架各支点与钢箱梁解除固定约束。其次现场供电能保证顶推系统能够正常运行，检查工作结束后进入试顶推作业。通过主控电脑按照顶升设计值进行顶升预加载，各点加载到设计平均值20%，预加载完成后观察钢箱梁与胎架脱离情况，此状态下如无脱离则将此值设为各设备预顶升最大值。预加载完成后设备按位移同步顶升，按照合力50%、80%、100%顶升力进行加载，加载过程中观察钢箱梁与胎架脱离情况，过程中如发现单点支反力存在异常升高问题，应及时停止加载对各约束点进行检查。当顶升力达到最大设计值时查看各点脱离情况，如依旧存在未脱离状况，继续以钢箱梁承载反力最大值为上限加载直至钢箱梁脱离胎架，调整各点竖向支撑高度使钢箱梁与胎架间隙满足顶推要求，停止作业钢箱梁静止20min。静止过程中对各反力座进行抄垫使各点距钢箱梁底部约1cm，同时设置各设备顶升参数。静止完成后进行第一次前推作业，过程中观察油缸动作同步性，钢箱梁与胎架各点干涉情况，测量横向两台设备顶推油缸伸出量差值是否满足曲线顶推要求，行程结束后测量钢箱梁中线变动量，对照设计值对控制参数进行调整，同时修正反力设计值。

3.4 钢箱梁顶推姿态控制

在钢箱梁正式顶推施工过程中，钢箱梁姿态会出现偏离设计值的现象，为有效解决这个问题，需要严格控制顶推设备的同步性，对轴线偏移及横纵坡变动情况展开全面监测，如果发现偏移误差超出了规定范围，就要采取相应的措施进行纠正。另外，在钢箱梁定位安装施工过程中，也要确定轴线与设计值的偏离情况，可以对钢箱梁姿态进行有效控制。

在实际顶推过程中，轴线的偏移可通过打点方式来确定。并在多轮顶推循环结束后通过仪器测量各参数以备下轮顶推前调整。当数据存在出入且钢箱梁相对临时支架无明显偏差时，应当注意是否存在临时支架偏移及下沉情况。

3.5 匝道钢箱梁顶推作业阶段

匝道钢箱梁顶推作业，采用步履式顶推模式。其工作流程为循环往复模式，具体为：①顶升使钢箱梁脱离反力座；②顶推使钢箱梁沿轴线前进一个油缸行程；③下放将钢箱梁放置于反力座顶升油缸脱离钢箱梁底部完成力系转换；④回缩顶推油缸将顶升油缸回位至初始位置。顶推设备组循环完成上述动作，最终完成顶推作业。

本次顶推作业应用8 台300t 步履式顶推设备，分布于4 座按钢箱梁水平曲线布置的临时支架上，设备中心轴线与曲线钢箱梁左右外腹板轴线相切。曲线顶推通过设备顶推速度差进行，过程中因钢箱梁内外反力不同存在箱梁与设备相对滑移及设备安置定位存在误差，在进行3～6 个行程后需要对轴线进行调整，保证顶推正常进行。

由于钢箱梁竖曲线，顶推过程中头部、尾部出现悬臂下挠变形，钢箱梁在头部上墩、尾部脱离及过永久墩时需要对钢箱梁整体或局部高度进行调整。此时应依据反力控制各点抬升高度，并进行抄垫完成调整工作。

实际顶推过程中如遇到钢箱梁存在倾覆倾向时，可通过先抬升倾覆侧设备然后再以位移控制进行起顶作业，如上述操作依旧存在倾覆危险则需要增加配重调节力系分配，使钢箱梁顶推出危险范围。顶推时须时刻注意钢箱梁整体纵坡、横坡变化，防止产生因自重形成的滑移危险。有滑移趋势时应先顶升底标高侧并调节钢箱梁姿态，落梁之前对反力座进行抄垫，改善顶推作业。

3.6 钢箱梁过墩及落梁

钢箱梁顶推终程应预留10～20cm 进行最终调整，利用顶推设备对钢箱梁轴线、横坡、纵坡、里程进行调整直至满足设计规范要求后进行钢箱梁落架工作。将钢箱梁整体顶起，交替拆除反力座及设备上的垫板，然后进行整体落梁。落梁后焊接支座垫板完成钢箱梁落架作业。

3.7 其他技术要点

在钢箱梁顶推施工过程中，钢箱梁的内力和结构会受到环境温度的影响，可能会出现结构变形等不良现象，从而严重影响整个顶推施工环节的效率和质量。为了有效避免温度带来的不良影响，需要对昼夜温差进行有效控制，施工单位可以选择温差幅度较小时间段开展顶推施工作业。此外，还应做好环境温度的监测工作，并科学选择标高测量时间，从而最大程度保证顶推施工的准确性。

4 结束语

匝道钢箱梁顶推施工，需要通过精心设计、施工精准控制，才能保障施工质量、效率、安全。在该工程中，钢箱梁跨既有高速，为保证既有线畅通，施工限制条件较多，对施工安全稳定提出了更高的要求。通过合理制定顶推施工方案，优化施工设计及施工过程控制，顺利完成了小半径带坡度曲线钢箱梁的顶推作业。同时，通过有限元分析及现场监测，顶推施工中导梁、钢箱梁应力、挠度等相关安全指标均在规范允许范围内，表明该工程采用顶推施工具有较高安全性、稳定性。