双塔自锚式悬索桥主梁顶推施工技术--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

双塔自锚式悬索桥主梁顶推施工技术

发表时间：2021/6/29 来源：《基层建设》2021年第6期作者：陈国强

[导读] 摘要：裕民桥为三跨连续钢箱梁（58m+142m+58m）双塔双索面自锚式悬索桥，上跨沙颍河，沙颍河为四级航道，为了满足通航和精度控制要求，采用步履式顶推施工技术，并且有固定的拼装场地，提高了施工质量、施工进度、设备使用率和施工安全系数，通过与常用顶推施工技术的对比探讨，能够对类似工程有一定的借鉴作用。

        中铁八局工程管理部四川成都 610037
        摘要：裕民桥为三跨连续钢箱梁（58m+142m+58m）双塔双索面自锚式悬索桥，上跨沙颍河，沙颍河为四级航道，为了满足通航和精度控制要求，采用步履式顶推施工技术，并且有固定的拼装场地，提高了施工质量、施工进度、设备使用率和施工安全系数，通过与常用顶推施工技术的对比探讨，能够对类似工程有一定的借鉴作用。
        关键词：市政；连续钢箱梁；步履式顶推
        1 前言
        大跨度桥梁多采用钢箱梁结构，其具有轻质、高强、施工周期短等特点[1]，在桥梁施工与桥下交通干扰较大时，顶推施工技术有较大应用优势。目前，拖拉式顶推施工技术是国内外桥梁顶推施工最常用的方法，通过千斤顶（或卷扬机）牵引钢绞线（或钢丝绳），拖动梁体在支撑墩顶设置的滑道上滑移，牵引梁体安装就位的方法[2]。其具有操作方便、设备简单、工艺成熟等优点而得以大力推广应用，该顶推方法对墩身产生的水平力大，需要安装平整的滑道，对顶推临时墩支架沉降要求高，自动化程度低，顶推偏移量大，纠偏相对困难，施工安全可控性低，不能满足裕民桥主塔间净宽限制和水中临时支架顶推的需要。
        步履式顶推施工技术是近几年提出的一种新型的顶推施工方法[3]。步履式顶推施工技术逐步在桥梁施工中得到成功运用，成为了解决特殊环境条件下桥梁施工的关键技术[4]。针对裕民桥的施工特点，墩顶空间狭小，顶推设备空间尺寸构造要求高；主塔间净宽尺寸的限制，要求轴线偏位控制精度高；主梁为钢箱梁结构形式，顶推时要求节点受力，该工艺采用顶推设备自动跟随钢箱梁节点步履式行走，在完成一个节间距顶推后，自动回退至下一节点处的方法，实现了钢箱梁的步履式顶推施工，整个施工过程，墩顶水平力小，安全性高，占用空间小，不仅可实现钢箱桥梁的高精度高效率施工，而且提高了施工的安全系数[5]。
        2 工程概况
        2.1 工程简介
        裕民桥是一座主要服务于行人，并可通行非机动车的景观桥梁，主桥长度258m，桥面净宽12m。桥梁跨越沙颍河航线，主桥对称中线与航道中心线夹角为10°，主桥为三跨连续双塔双索面自锚式悬索桥，跨径布置58+142+58=258m；主跨主缆垂跨比为1/6.94，为平行索面，吊索间距6.1m；索塔采用双圆柱形，设弧形上、下横梁；主梁全宽15m，采用双边箱钢梁形式，边跨主缆锚固段采用钢筋砼箱梁结构，钢-砼过渡段设在边跨散索套与第一根吊索之间；主桥结构体系为连续梁体系，主塔处横桥向设抗风支座。桥型布置见图1。
        桥梁纵断面：主桥中跨跨中为最高点，设3000m 竖曲线，两边纵坡为2.5%。

        图1 裕民桥主桥总体布置立面图
        主梁安装方案采用异位拼装，步履式顶推滑移就位。即：在桥位小里程岸边一侧搭设拼装平台，布置拼装场地分节段拼装桥梁钢结构件，利用步履式顶推设备逐步顶推钢梁向前滑移，顶推一定距离后，继续拼装后续节段，循环顶推至设计位置。
        2.2 工程特点
        （1）顶推时主梁（不含挑梁段）横向宽实际11.7m（理论11.6m，如图2），受主塔间的横向净宽12m限制，顶推过程中的桥轴线偏位控制精度要求高；
        （2）根据沙颍河航道级别，钢梁顶推施工期间必须满足37m的通航孔要求；
        （3）桥为双塔自锚式悬索桥，成桥时吊索点位置的精度控制要求高（纵桥向±15mm，横桥向±10mm）。

        图2 钢梁截面分段图
        3 施工工艺
        3.1 施工总体布置
        钢梁节段在工厂加工成吊装节段，验收合格后汽车运至现场。钢箱梁总重量为1413t，长度236m，共分21个节段（如图3），平均每米约6t，采用一台汽车吊逐段吊装至拼装支架上与前段焊接成整体，水中设4组（D、E、F、G）顶推临时支架（如图4），钢梁前段设导梁（长度30m、自重29t），顶推最大跨度39.1m（通航孔位置：D~E跨）。向前顶推一定距离后继续拼装后续钢梁节段，循环顶推至设计位置，通过各结构墩上的千斤顶对钢梁的线型进行调整。

        图3 钢梁立面分段图

        图4 顶推支架立面布置图
        3.2 顶推设备布置

        图5 步履式顶推设备
        临时支架（A~H）上安装分配梁、250t步履顶（如图5，共计16套，竖向调节不小于200mm、水平纠偏能力不小于100mm）和垫块等。步履式顶推设备与垫块前后布置，分配梁将墩顶所受压力均匀分配到下部钢管支架，垫块用于顶推过程中的墩顶标高调整及落梁作业。步履式顶推装置可实现钢梁步履式平移前进。在垫梁和垫块顶面设置有10mm夹芯橡胶垫，使钢梁底板能均匀受力。
        3.3 顶推系统及工作原理
        顶推系统主要包括顶升油缸、推移油缸、纠偏油缸、纵移滑块、横移滑块、横移底座等结构。系统采用智能数字步进控制方式，通过计算机控制和液压驱动来实现组合和顺序动作，以满足施工要求。
        步履式顶推设备的顶升采用1台250t液压油缸，行程200mm，速度为10mm/min；推移采用50t液压油缸，行程500mm，速度为0-210mm/min；纠偏采用50t液压油缸，行程100mm。
        顶推装置工作原理（如图6）：

3.4 顶推施工步骤

        整个顶推过程中，主梁结构的最大变形出现在累计顶推109米处，即导梁在E墩和F墩之间的通航孔位置，且导梁已经靠近F墩，但尚未搭在F墩处，导梁最大悬臂时，变形最大。经建模计算其最大变形量为143.3mm（如图13）。由于主桥中跨跨中为最高点（3000m 竖曲线，两边纵坡为2.5%），通过计算预先设置各墩顶推设备安装高度和钢箱梁制造线型，确保了顶推到位后的整体线型，最大程度上减小了最后落梁的高度，确保了施工安全和质量。

        图13 顶推至109米处变形云图
        3.5 顶推施工控制重点
        （1）在钢箱梁定位安装时，要对钢箱梁的轴线偏位进行观测，以控制每段梁段尾端与待安装梁段间的局部轴线偏差和钢箱梁的整体线形，保证其轴线偏位在容许的范围之内[6]
        （2）根据工况的支点反力计算摩擦力并与油压表相验证。
        （3）位移观测梁体的中线偏移和临时支架墩顶的水平、竖向位移，在顶推过程需用千斤顶及时调整。墩顶位移观测非常重要，根据设计允许偏位作为最大偏位值，换算坐标，从施力开始到梁体开始移动连续观测，一旦位移超过设计计算允许值则立即停止施力，重新调整各千斤顶顶推力。
        （4）施加顶推力：各墩顶推力的大小是根据摩阻力的大小调节，并通过油表来反应，选用精度较高的油表（不得低于1.0级）。千斤顶、油表使用之前进行标定。
        （5）顶推系统使用前应按照操作流程进行调试与试验。
        （6）每次顶推，必须对顶推的梁段中线进行测量，并控制在10mm以内；如出现偏差，则需要立即调整。
        （7）顶推过程中若发现顶推力骤升，应及时停止并检查原因。
        （8）顶推时，应派专人检查导梁及箱梁，如果导梁构件有变形、螺丝松动、导梁与钢箱梁联结处有变形或箱梁局部变形等情况发生时，应立即停止顶推，进行分析处理。
        （9）注意顶推过程中顶升力、平移力、下降力的变化。
        （10）顶推到最后梁段时要特别注意梁段是否到达设计位置，必须在温度稳定的夜间顶推到最终位置，并根据温度仔细计算测定梁长。
        （11）最后一次顶推时应采用小行程点动，以便纠偏及纵移到位。
        3.6 顶推施工主要控制内容
        3.6.1 竖向同步顶升控制
        当竖向顶升千斤顶活塞伸出时将箱梁顶起，此过程主控台除了控制集群顶升千斤顶的统一动作之外，还要通过安装在箱梁和垫梁之间的位移传感器检测顶升的高度，保证两侧顶升千斤顶的同步。此过程同步精度可控制在 4mm 之内。
        3.6.2 水平同步顶推控制
        在顶推过程中虽然不能保证摩擦力达到一致，但可通过千斤顶的同步来保证位移的一致来减小结构偏转的不利情况的发生。这是一个以位移控制为主，压力控制为辅的同步控制。
        当顶升千斤活塞伸出将箱梁顶起后，顶推千斤活塞伸出将梁顶推前移，此过程需进行位移同步控制、压力均衡控制、横向调节控制。主控台除了控制所有支架上顶推千斤顶的统一动作之外，还必须保证所有顶推千斤顶每行程的同步。此过程同步精度各墩之间可控制在 5mm 之内，同墩两侧可控制在 1mm之内。
        3.6.3 累计误差的控制
        在箱梁平移过程中，主控台通过计算每个受力点水平顶推千斤顶移动的总位移，并用最大位移量减去最小位移量得出累计误差，若累计误差超出要求时则停止“自动”模式进入“手动”模式，单独调节某一侧油缸动作以纠正误差。若通过全站仪监测到累计误差超出要求时亦停止“自动”模式进入“手动”模式，单独调节某一侧油缸动作以纠正误差。
        梁轴线偏位允许误差控制在10mm之内，临时墩顶纵向位移允许误差控制在20mm之内，梁底标高允许误差控制在10mm之内。
        3.6.4 纠偏控制

        图14
        在顶推过程中，随时观测每个桥墩上桥梁中轴线是否与设计中轴线一致。若箱梁出现横向偏位，则启动横调系统，从而实现横向纠偏。
        （1）顶推过程中轴线偏位预警值为5cm，当偏位达到该值时停止顶推，及时进行纠偏。
        （2）顶推时实施动态监测：在钢箱梁前端和尾端顶面设中线偏移监测点，顶推过程中连续观测，当发现中线偏位时，及时反馈并纠偏。
        （3）限位控制：在每根系梁外侧设置导向装置（如图14），导向装置在顶推前安装，并精确测量，保证距腹板间距为5cm，顶推过程中及时观察导向间隙，及时利用横向调整油缸进行纠偏。
        4 步履式顶推施工技术的优点及应用前景
        4.1 步履式顶推施工技术优点
        与传统的拖拉式顶推相比，步履式顶推施工技术具有以下优点：
        （1）各节点受力均匀，控制精度高，偏差小。克服了拖拉法顶推对桥墩产生的水平推力过大。
        （2）设备集成化自动化程度高，控制平稳，液压保护齐全，调节精度高。全过程的主动控制，大大减少施工过程风险，更能够变被动纠偏为主动纠偏，有效地避免了梁体局部应力过大，安全性更好。
        （3）施工进度快，对通航影响较小，具有显著的社会效益和潜在的经济效益。
        4.2 步履式顶推施工技术应用前景
        （1）主控系统采用模块化结构，每一个控制模块都可以独立作为独立的四同步位置控制模块使用，也具有完全相同的结构与功能，可以互为备用；模块在系统中承担的角色从触屏上自由选择定义，触摸屏为各种操作和数据的显示界面，使得系统操作面板布置非常简洁；系统只有一级网络，各模块可分可合，对各千斤顶的压力和位移量的采集，通过程序来完成各千斤顶的动作，结构简洁可靠。
        （2）步履式顶推系统集顶升、推进、纠偏、跟随和自动回退于一体，可实现钢箱梁顶推过程中的跟随式行走，有效的解决了钢箱梁顶推过程中节点受力的难题，确保了顶推施工的线形和顶推施工精度；设备集成化自动化高，操作控制安全，方便。该系统的研发，大大节约了施工成本，确保了顶推施工的安全和质量。
        （3）步履式顶推技术在裕民桥钢箱梁顶推施工的成功运用，成功解决了钢箱梁顶推过程节点受力和精度控制的要求，同时克服了墩顶水平力、纠偏控制等难题，提高了施工效率，取得了良好的经济效益和社会效益，推动了顶推技术的进步和革新，为以后类似工程提供技术支持和丰富的施工经验。随着钢结构桥梁的增多，本技术具有广阔的应用前景和强大生命力。
        参考文献：
        [1]梁学成，赵贵朋.大跨度桥梁钢箱梁顶推施工的控制与监测[J].四川水力发电，2019，38（05）：32-34.
        [2]肖建平.桥梁工程施工[M].机械工业出版社，2007.
        [3]张鸿，张永涛，周仁忠，等.步履式自动化顶推设备系统研究及应用[J].中外公路，2012（04）.
        [4]黄志华.浅谈步履式顶推施工技术在钢箱梁施工中的应用[J].中国水运（下半月），2019，19（09）：255-256
        [5]白文虎.大跨径钢桁梁步履式多点同步顶推施工技术[J].中国港湾建设，2016（09）.
        [6]余海峰.大跨度钢箱梁顶推施工控制关键技术研究[J].科技传播，2014，6（15）：70-71.