顶推施工技术在连续钢箱梁施工中的应用

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  摘要:随着我国桥梁设计与施工技术水平的不断提高,连续钢箱梁在公路、城市交通、铁路等领域桥梁工程中得到广泛采用,而其中顶推法施工又以占地少、对桥下交通无影响、无需大型吊运机具、安全可靠、造价低等优点,在连续钢箱梁施工中得到广泛应用。本文结合工程实例详细阐述了连续钢箱梁顶推施工中的技术要点,并对其施工中的控制重点及监控要点做了说明。
  关键词:顶推施工;连续钢箱梁;滑道;钢导梁;落梁
  中图分类号:U445.462 文献标识码:A
  1.顶推法施工原理及施工方法简介
  顶推法施工原理是利用千斤顶对梁体施加水平推力,借助梁底布设的临时滑道或者是墩顶布设的临时滑块,将梁体逐段或者是整段的向前顶推的施工方法,在顶推过程中,其摩擦小,力大且平衡无冲击。按顶推动力装置的数量,顶推施工方法主要可分为单点顶推和多点顶推。
  单点顶推法主要应用于一些顶推梁段较短、直线桥梁当中,也适用于桥墩所承受水平荷载较大或后座能提供较高的水平反力的桥梁中。顶推的装置设在紧靠拼装平台的桥台或桥墩上,前方墩各支点上设置滑动支承,顶推施工时,滑块在各个钢板上进行滑动,并在前方滑出,同时不断在滑道后方喂入滑块,以保证梁身平稳前进。
  多点顶推法是在每个墩台上设置一对小吨位水平千斤顶,将集中的顶推力分散到各墩上。多点顶推是利用水千斤顶传给墩台的反力来对梁体滑动所产生的摩阻力进行平衡,因此在顶推过程中桥墩所承受的水平作用力较小,所以多点顶推法也可应用于柔性墩上。
  与单点顶推法相比,多点顶推法对顶推设备的吨位要求不高,墩身所受的水平推力也较小,各墩施力较为均匀,且对顶推梁的偏离能够进行有效控制,所以在顶推连续梁中应用比较广泛。
  2.顶推施工方案的选择
  2.1工程概况
  某大桥主线桥钢箱梁为直线段,钢箱梁墩位范围为ZW211~ZW214,梁长37+62+37米,桥面宽度为26米,高2.42米,钢箱梁梁段共有9个分段(G1~G9),总重量为1800吨。
  2.2施工方案的选择
  因本工程钢梁跨径大、总吨位大,且中跨62m钢梁上跨既有高速公路,拟采用步履式顶推装置多点顶推法进行施工。该工法具有以下特点:
  (1)由于顶推力和摩擦力全部是顶推设备内力,支墩基本不承受水平载荷;
  (2)可有效解决钢箱梁受力局限性问题,保证施工顺利进行;
  (3)顶推装置自带竖向千斤顶,可以较好地适应梁体竖向线形的变化,支反力可以随时调节,保证各支点的受力均匀;
  (4)竖向纵向千斤顶同步性要求高,对同步控制系统的精度和性能要求高。
  2.3顶推施工方案概述
  拟将钢箱梁从ZW214墩向ZW211墩顶推,在现场ZW213~ZW215墩之间搭设60米顶推平台,在ZW213和ZW214墩位附近平台上各搭设2套顶推装置,并在ZW212~ZW213跨中设置一临时支承墩,临时墩及各墩柱顶设滑道,具体布置如下图1所示。钢箱梁厂内制造完毕后在顶推平台上进行节段拼装焊接,先将G1~G3段整体焊接,前端安装钢导梁,使用顶推装置边顶推边跟进拼装焊接G4~G9,当首节钢梁顶推到达ZW212墩位后,将ZW214墩位附近的2套顶推装置移至ZW212墩位附近,然后继续顶推直至整段钢箱梁到位,再使用千斤顶组将整段钢箱梁顶起,拆除顶推装置和滑道,将钢箱梁整体落位,实施钢箱梁段与桥墩上钢支座的定位连接。
  
  
  
  
  
  
  
  
  图1钢箱梁顶推立面示意图
  3.连续钢箱梁施工中顶推施工技术要点
  3.1顶推方法
  主桥采用步履式整体顶推的方法施工,利用步履式同步液压千斤顶将钢梁顶推到位。全桥采用4套步履式顶推千斤顶设备同步顶推实现主桥的竖向、顺桥向、横桥向的移动或调整,从而保证主桥顶推安装过程中的位置准确。4套步履式顶推千斤顶每两台配一个顶推泵站系统,通过顶推控制系统在主控室统一下达指令达到同步作业的目的。
  顶推过程中每台千斤顶设备利用“顶”“推”“降”“缩”的四个步骤交替进行,先将主桥整体顶升托起;然后顶推平移油缸向前推送一个行程;之后将主桥整体下降置于临时墩搁置垫梁上;顶推平移油缸再缩缸到底,完成一个行程的顶推,然后进行下一个顶推循环行程。步履式頂推法施工通过往复顶推步骤,以使钢箱梁顶推施工顺利进行,保证钢箱梁在施工过程中安全可靠。
  3.2顶推工艺流程
  顶推施工工艺流程见图2。
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  图2顶推施工工艺流程图
  3.3顶推步骤
  顶推装置集中在后台(顶推平台上,共四台),前方各支撑点上设置滑动支撑滑块在不锈钢板上滑动并在前方滑出,在滑道后方不断喂入滑块(聚四氟乙烯板),带动钢梁移动。
  步履式顶推设备主要工作步骤如下:
  (1)步骤一顶升:开启支撑顶升油缸,使得支撑顶升油缸同步上升,直到钢箱梁脱离临时垫梁,如图3所示。
  
  
  
  
  
  
  
  图3步骤一顶升示意图
  (2)步骤二平推:开启平推油缸,使钢箱梁与上部滑移结构整体前移,直至平推油缸完成一个行程,如图4所示。
  
  
  
  
  
  
  
  图4步骤二平推示意图
  (3)步骤三下降:开启顶升油缸,使得钢箱梁与上部滑移结构整体下降,直到下部滑移结构完全脱离钢箱梁,如图5所示。
  
  
  
  
  
  
  
  图5步骤三下降示意图
  (4)步骤四回缩:开启平推油缸,使上部滑移结构向后回位,回到初始位置,并开始下一个往复行程,如图6所示。
  
  
  
  
  
  
  
  图6步骤四回缩示意图
  3.4顶推系统的主要技术参数
  桥梁顶推为多点顶推工况,多点顶推时,在顶推平台上设置顶推装置4套,在临时支撑墩和墩柱顶设置滑动装置,将集中的顶推力分散到各个点上。
  多点分散顶推的动力学原理之数学表达式如下:
  当ΣFi>Σ(fi±ai)Ni 时,梁体才能被推动,式中:
  Fi—第i个桥墩处的顶推动力装置的顶推力;
  Ni—第i个桥墩处的支点瞬时(最大)支反力;
  fi—第i个桥墩处的支点装置的相应摩擦系数;
  ai—桥墩纵坡率,“+”为上坡顶推,“-”为下坡顶推;
  总牵引力按总顶推重最大静摩擦力的8%计算,水平推力为144吨。根据滑道摩擦系数及最大轴力,选用70吨水平千斤顶,每套步履式顶推千斤顶设备最大顶推力70吨,最大顶升力700吨,最大横向纠偏顶推力70吨。
  步履式液压千斤顶推平移油缸向前推送一个行程约30cm,顶推速度在15~20cm/min之间,按16米作为一次顶推阶段,约需80~110min。
  3.5滑道布设
  滑道设置在桥墩上的临时垫块上,为使在顶推过程中,梁体能在滑道上以较小的摩擦系数向前移动,本工程采用由光滑的不锈钢钢板与组合的聚四氟乙烯滑块组成滑道,其中的滑块由四氟板与具有加劲钢板的橡胶块构成,聚四氟乙烯板和不锈钢板之间的摩擦系数一般为0.04~0.06,静摩擦系数比动摩擦系数大些。顶推时,组合的聚四氟乙烯滑块在不锈钢板上滑动,并在前方滑出,通过在滑道后方不断喂入滑块,带动梁段前进,如图7所示。
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  图7顶推滑道纵向结构示意图
  3.6纠偏技术措施 
  顶推过程中总会由于各种原因造成箱梁的横向偏位,为了保证梁按设计轴线滑动,所以纠偏及导向工作是必不可少的,而且是非常重要的工作。
  利用顶推行进状态中,导向纠偏力不是很大的这一特点,在顶推平台两侧及临时支墩设置(利用三点成一线原理,分别在三处设置)纠偏装置,直接利用钢箱梁两个侧面进行纠偏,以控制梁段尾端的横向偏移。
  纠偏装置采用下图8所示的平滚式纠偏滚轮导向装置(滚轮外侧为橡胶包裹),纠偏滚轮与钢箱梁的间隙调整到箱梁横向的允许误差的上下限,所以在顶推过程中箱梁的横向偏移始终被限制误差允许范围内。
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  圖8纠偏装置示意图
  3.7设置钢导梁
  本工程桥梁跨度大,为了解决钢箱梁在顶推施工过程中的过墩问题,以及减小钢梁最大悬臂状态的负弯矩,需要在钢箱梁前端设导梁。主要遵循以下原则:
  (1)在满足稳定和强度的条件下,选用较小刚度及变刚度的导梁,将在顶推时减小最大悬臂状态的负弯矩,一般导梁刚度控制在主梁刚度的1/5~1/8之间,变刚度导梁由根部向端部逐渐减小,采用双斜腹工字形梁结构,工字形梁导梁与顶推滑道布置位置一致;
  (2)较长的导梁可以减小主梁的负弯矩,但过长的导梁也会导致导梁与箱梁连接处负弯矩和支反力的相应增加,合理的导梁长度应是主梁最大悬臂负弯矩与使用状态支点负弯矩基本接近,一般导梁长度为顶推跨径的0.6~0.7倍。为减小自重,同时又要满足顶推要求,在桥墩ZW212~ZW213跨中设置临时墩,本工程钢导梁长度设为20m,重量45t;
  (3)为方便导梁过临时墩或桥墩,导梁端部设计成弧形状,方便缓慢向前运行过程中导梁前端逐渐向上而过墩顶;
  (4)钢导梁在工厂分单元制造并运输至工地,在顶推平台上与钢箱梁一同拼装。
  3.8落梁
  落梁设备由YDG2500S立式液压千斤顶、液压泵站两部分组成。当需要对箱梁进行竖向调节时通过调整置于垫梁和轨道梁之间的YDG2500S立式液压千斤顶的活塞行程高度来调节箱梁的标高,当调整到设计标高在垫梁下方垫入调整垫块,然后千斤顶泄压回程将负载从千斤顶转移到垫块上。该千斤顶端部安装有球铰,能避免由于顶举构件底部不平,造成千斤顶拉缸的现象出现,增加了施工过程中设备的安全性。该设备主要用于各类箱梁的顶举、顶推施工。
  竖向调节千斤顶安装在各桥墩附近箱梁底,千斤顶下方采用钢管支撑固定,ZW212、ZW213墩各安装4台,ZW211、ZW214墩各安装2台,12点同时起顶落梁。
  落梁是用竖向千斤顶将顶推到位的箱梁举起,取出垫块和滑道,最后松千斤顶将全梁平稳地落在设计支座上,为使落梁后梁的受力状态符合自重弯矩和反力,落梁时应以控制支座反力为主,适当考虑梁底标高。
  在搭设临时支架时,设置滑道梁上滑块上表面比设计钢箱梁底板下表面高100mm,落梁过程中先顶后落,顶梁时上行程为50mm,落梁下行程为150mm。
  落梁应遵循以下原则:
  (1)充分做好准备工作,尽量使顶起、落梁的时间越短越好。
  (2)确定千斤顶的布置位置,要求纵、横对称,即考虑桥墩盖梁受力,又考虑箱梁梁体受力都处于有利部位。
  (3)竖直千斤顶要求有足够的富余的顶力和工作行程,顶起时,桥墩的垫石与箱梁底必须有保险装置。
  (4)尽量控制梁的顶起高度,注意顶起和降落的顺序,一个墩上千斤顶起落要同步均匀,纵向桥墩顶起高度要合理分配。
  4.连续钢箱梁顶推施工中的控制重点及监控要点
  4.1施工控制重点
  (1)位移观测
  位移观测主要是梁体的中线偏移和墩顶的水平、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,重新调整各千斤顶拉力。
  (2)施加顶推力
  顶推力的大小是根据摩阻的大小自行调节的,并通过油表来反应,千斤顶使用之前按要求进行校定,油表应进行标定。每工况下施加顶推力时,先将各个墩上的千斤顶逐步加力至计算的顶力,如梁体仍不能向前移动,则可将顶推平台或主墩上的顶力加大至该墩允许的最大顶推力,如施加到最大顶推力时梁体仍未能移动,则应进行检查,研究调整顶推力后方可进行继续顶推。
  (3)滑板的更换
  顶推过程中必须使用表面光洁、无破损的滑板,顶推时各支点应有专人检查更换。
  4.2施工监控要点
  (1)施工仿真计算
  复核设计计算所确定的成桥状态和施工状态,即对施工过程进行实时仿真计算。按照施工和设计所确定的施工工序以及设计所提供的基本参数,得到各施工状态以及成桥状态下的结构受力和变形等控制数据。主要有各种状态下的理论数据:导梁挠度、导梁及箱梁横向位移、梁体应力。这些数据与设计和监理相应校对确认无误后作为钢箱梁顶推的施工控制理论轨迹。
  (2)结构变化、应力应变和温度的观测
  连续钢梁顶推施工控制的难度很大,各个顶推施工阶段中结构的变位,应力均需进行控制。在各个工况中,主要测试内容如下:
  导梁挠度监测;箱梁、导梁水平位移监测;箱梁、导梁和墩柱应力的监测;永久墩和临时墩竖向、纵向位移的监测;顶推力的监测;温度的监测;支座反力的监测。
  参考文献
  [1]董启军.连续钢箱梁顶推施工[J].施工技术,2005.5.
  [2]杜玉林,刘占良,杜立峰,狄宝才.平曲线段变高度连续钢箱梁顶推施工技术[J].公路,2013.8.
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