陳旭勇， 李建強， 楊宏印， 張 偉， 湯 杰

(1. 武漢工程大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院， 湖北 武漢 430073；2. 中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司， 湖北 武漢 430010)

步履式頂推法[1,2]是近幾年發(fā)展起來的一種新型頂推施工方法，在我國首次應(yīng)用于昆明南連接線高速公路跨鐵路線橋梁。通過逐步優(yōu)化與改進(jìn)牽引頂推、契進(jìn)頂推研究出步履式頂推。該方法通過液壓泵站對施工中易控制與調(diào)整結(jié)構(gòu)偏位的頂推設(shè)備[3]驅(qū)動來實現(xiàn)頂推。隨著頂推能力與精度的提高，普遍應(yīng)用于拱橋、連續(xù)箱梁橋、組合結(jié)構(gòu)橋梁[4～6]等。因鋼桁梁結(jié)構(gòu)頂推施工一般僅能在節(jié)點附近支撐和頂升，所需行程較大，而傳統(tǒng)步履式頂推法行程較小，因而應(yīng)用還較少。

本工程通過改進(jìn)傳統(tǒng)步履式頂推法，即通過增加鋼框架結(jié)構(gòu)結(jié)合節(jié)點自適應(yīng)改進(jìn)技術(shù)有效解決了傳統(tǒng)步履式頂推行程小的問題。因本工程為大跨度橋梁，頂推設(shè)備[7]在頂推控制每一行程向前頂推13.4 m，每次推進(jìn)300 mm，分次推進(jìn)以便及時調(diào)整鋼桁梁線形。通過施工工況調(diào)整臨時支座與千斤頂位置，以保證鋼桁梁受力合理與安全。改進(jìn)的步履式頂推法吸取了傳統(tǒng)頂推施工的優(yōu)點，但施工過程中仍存在許多影響橋梁線形與應(yīng)力[8～11]的因素，分析并控制這些影響因素不僅能保證工程安全與質(zhì)量，也能對改進(jìn)頂推法的效果進(jìn)行有效評估和預(yù)測。

1 工程概況

1.1 結(jié)構(gòu)形式

本工程鋼桁梁位于深茂鐵路線陽江市內(nèi)，跨越漠陽江航線。本橋為大跨度雙線上下平行等腰三角桁架簡支鋼桁梁橋，全橋長136.6 m，立面如圖1所示。

圖1 大橋整體立面圖/mm

主桁編號1～10桿件斷面均為箱形；主桁編號11～15桿件斷面為箱形或H形；上平面縱向聯(lián)系與橫聯(lián)截面均為工字鋼形。箱形斷面桿件與A，E節(jié)點整體拼接，H形截面桿件與A，E節(jié)點對拼式連結(jié)，最后用高強M30螺栓將桿件與對應(yīng)節(jié)點固定。鋼桁梁橋面分為橫梁、縱梁、縱肋、橋面板。橋面板不間斷布置，橫向按設(shè)計分節(jié)段焊接連接，縱向與編號1～5桿件伸出肢焊接固定。

1.2 改進(jìn)設(shè)備的小循環(huán)頂推法施工

改進(jìn)的頂推設(shè)備是在頂推設(shè)備上面增加上層支撐框架， 由縱向與橫向鋼板“井”字布置以增大鋼桁梁與頂推設(shè)備接觸以分散應(yīng)力，同時為外部增加載荷轉(zhuǎn)換裝置提供作業(yè)空間，使頂推設(shè)備可以隨著鋼桁梁的節(jié)點自動跟隨行走，以每0.3 m一個停頓行程，整體調(diào)整頂推系統(tǒng)，保證鋼桁梁穩(wěn)定前進(jìn)，每完成一個節(jié)間13.4 m頂推施工后即自動返回至下一節(jié)點，然后進(jìn)行整體鋼桁梁偏差調(diào)整，保證其線形，通過如此周而復(fù)始地小循環(huán)運動來實現(xiàn)鋼桁梁步履式頂推施工。其改進(jìn)頂推設(shè)備與上層支撐框架如圖2，3所示。通過有限元分析計算，上層框架最大應(yīng)力出現(xiàn)在近支座的腹板位置，最大值191.1 MPa小于規(guī)范要求的235 MPa，上層框架的豎直方向最大位移為0.96 mm，滿足規(guī)范要求。

圖2 改進(jìn)頂推設(shè)備

圖3 上層支撐框架平面

在頂推施工前保證各頂推系統(tǒng)水平并控制好各頂推設(shè)備標(biāo)高；在頂推過程中通過油壓表讀數(shù)反算摩擦力，控制鋼桁梁支撐力；利用千斤頂與臨時支座調(diào)整鋼桁梁結(jié)構(gòu)受力；改進(jìn)頂推設(shè)備能實時調(diào)整并減小梁體線形誤差；在鋼桁梁落位前采用小行程點動頂推，以便快速糾偏，確保精準(zhǔn)落位。通過這些措施保證鋼桁梁成橋后符合設(shè)計的線形要求與應(yīng)力狀態(tài)。

2 線形控制

影響成橋線形因數(shù)諸多，對比傳統(tǒng)導(dǎo)梁步履式頂推施工，小循環(huán)節(jié)點自適應(yīng)頂推技術(shù)能有效減掉導(dǎo)梁安裝與施工作業(yè)，同時避免導(dǎo)梁對鋼桁梁線形與應(yīng)力的影響，結(jié)合施工現(xiàn)場條件主要從桿件尺寸、預(yù)拱度設(shè)置、拼裝、測量四個主要方面進(jìn)行分析和控制。

2.1 桿件尺寸控制

鋼桁梁桿件經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制然后現(xiàn)場精準(zhǔn)拼裝。在工廠預(yù)制的桿件相對施工現(xiàn)場制造誤差小很多，但各因素制造誤差是不能完全消除的。桿件進(jìn)場前應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計要求去把控桿件質(zhì)量；桿件進(jìn)場時應(yīng)詳細(xì)檢查核對桿件相關(guān)技術(shù)資料和構(gòu)件本身，對有缺陷的桿件一律不予驗收，保證所有施工桿件尺寸均在圖紙及規(guī)范要求的偏差允許范圍之內(nèi)。桿件長度是桿件尺寸控制的主要因素。由橋梁相關(guān)規(guī)范可知，桿件長度尺寸偏差允許值為5 mm，選取部分設(shè)計數(shù)據(jù)與現(xiàn)場桿件進(jìn)場驗收數(shù)據(jù)對比分析，如圖4所示。

由圖4可知：桿件長度偏差最大值5 mm，最小值1 mm，均在誤差范圍之內(nèi)，能滿足施工要求。嚴(yán)格控制桿件尺寸偏差是保證工程順利施工與成橋線形符合設(shè)計要求的第一步。

2.2 預(yù)拱度控制

預(yù)拱度是鋼桁梁線形主要考慮因素之一。本文以鋼桁梁橋在M橫+1/2M活作用下的撓度為設(shè)計值(M橫為結(jié)構(gòu)自重和二期恒載；M活為汽車活載)，根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗與考慮施工影響設(shè)置廠制預(yù)拱度，反算出落梁后預(yù)拱度，以確保施工完成后整體線形。各預(yù)拱度值如圖5所示。

圖5 預(yù)拱度設(shè)計值

鋼桁梁主桁通過廠制伸縮上弦桿來設(shè)置預(yù)拱度。拼裝過程中利用轉(zhuǎn)化高程坐標(biāo)法檢驗預(yù)拱度值，當(dāng)預(yù)拱度偏差值較大時，結(jié)合施工現(xiàn)場靈活運用適當(dāng)調(diào)整接縫尺寸和升降溫法來調(diào)小偏差使其符合設(shè)計與規(guī)范要求。各實測預(yù)拱度偏差值如圖6所示(E0-E1稱為桿件1，依次稱為桿件2，3，…)。

圖6 預(yù)拱度偏差值

從圖6分析可知：各預(yù)拱度偏差最大值為6 mm，最小值為0.5 mm，整體偏差值均控制在誤差允許范圍之內(nèi)，表明預(yù)拱度設(shè)置控制良好。因鋼桁梁預(yù)拱度影響因數(shù)諸多，需通過優(yōu)化設(shè)置方法、減小桿件制造誤差及提高施工精度等措施來整體控制預(yù)拱度，保證鋼桁梁成橋后線形。

2.3 拼裝控制

鋼桁梁桿件采用懸吊拼裝法，利用機械與人工相協(xié)調(diào)扶正桿件，然后用節(jié)點板連接桿件，最后用高強度螺栓連接固定。桿件拼裝施工前，根據(jù)圖紙確認(rèn)拼裝步驟和標(biāo)明各桿件依次拼裝次序，然后在桿件上標(biāo)明連接螺栓區(qū)域、桿件起吊位置及拼裝方向。拼裝嚴(yán)格按設(shè)計相關(guān)要求，有條不紊施工。

本工程鋼桁梁跨度大(134 m)，桿件多次拼裝，多次節(jié)點連接。為控制拼裝質(zhì)量，在拼接初次固定前嚴(yán)格檢查拼裝桿件的各部分尺寸、軸線、高程及位置等是否符合施工圖設(shè)計要求，確認(rèn)無誤后再進(jìn)行最終固定。在拼裝中通過相關(guān)儀器控制整個拼裝過程，做到偏差早發(fā)現(xiàn)、快糾正以滿足施工拼裝質(zhì)量要求。拼裝固定分兩次，初擰技術(shù)人員檢驗合格后，再由專業(yè)質(zhì)量檢查人員驗收合格后才能進(jìn)行終擰。通過這些控制措施本橋拼裝誤差總體控制較好，達(dá)到了施工設(shè)計與質(zhì)量要求，可為今后相關(guān)橋梁拼裝施工提供借鑒與指導(dǎo)。

2.4 測量控制

測量是影響鋼桁梁質(zhì)量與進(jìn)度并連接整個施工工序的關(guān)鍵工序之一。本工程為大跨度鋼桁梁橋，10次節(jié)段拼裝，11次設(shè)備來回頂推，同時工程質(zhì)量要求高，測量至關(guān)重要，因此在測量工作開始之前制定多套詳細(xì)合理的測量方案，這是測量控制的第一步。

橋墩高程控制是鋼桁梁落位后保證整個橋梁線形重要的環(huán)節(jié)。橋墩高程與軸線按規(guī)范要求(高程偏差±10 mm，軸線偏差±20 mm)進(jìn)行十字線的放樣測量去控制施工。復(fù)測兩側(cè)橋墩6個點高程(每側(cè)3個控制點)與軸線偏差，偏差均在允許誤差范圍內(nèi)，確保了橋墩施工滿足落位線形要求。

拼裝前通過設(shè)計所給控制點利用全站儀在拼裝工作面“引”出新的控制點記錄好相關(guān)數(shù)據(jù)并明顯標(biāo)記。在拼裝施工中實時對拼裝節(jié)點與桿件位置進(jìn)行三維變形觀測，以控制拼裝質(zhì)量；在頂推過程中利用全站儀對整個鋼桁梁實時進(jìn)行三維空間觀測，及時調(diào)整并控制梁體軸線與預(yù)拱度。頂推完成時利用儀器準(zhǔn)確調(diào)整好支撐位置，以保證鋼桁梁受力合理；利用儀器全程觀測梁體落位過程，保證準(zhǔn)確落位；最后，落位后利用水準(zhǔn)儀與全站儀進(jìn)行鋼桁梁整體測量，以檢驗施工質(zhì)量與整體測量評估。通過上述測量控制措施，結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)選取軸線偏差與設(shè)計允許偏差進(jìn)行對比分析，如表1所示。

表1 軸線偏差對比分析 mm

從表1分析可知：鋼桁梁軸線偏差最大值為12 mm，在允許誤差范圍(±20 mm)之內(nèi)，符合規(guī)范要求。本工程其他測量數(shù)據(jù)也都在允許誤差范圍內(nèi)，說明施工質(zhì)量與測量控制良好。控制好施工中每一環(huán)節(jié)的測量，同步做好復(fù)核措施，是避免測量錯誤與減少測量誤差的關(guān)鍵。

結(jié)合本工程相關(guān)線形數(shù)據(jù)對比京石客運專線64 m鋼桁梁(導(dǎo)梁步履式頂推法)相關(guān)數(shù)據(jù)，本工程軸線偏差最大值12 mm遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其64 m鋼桁梁軸線最大偏差50 mm。鑒于本工程鋼桁梁長度遠(yuǎn)大于64 m，可見運用改進(jìn)的頂推設(shè)備能有效控制線形誤差、避免導(dǎo)梁施工工序、加快施工速度，節(jié)約工期，同時也保證了工程質(zhì)量。

3 應(yīng)力控制

在鋼桁梁拼裝與頂推過程中，隨著拼裝長度、重量不斷增加和臨時荷載變化，桿件應(yīng)力會不斷變化，某些桿件可能會超過設(shè)計規(guī)范值，影響結(jié)構(gòu)安全，所以監(jiān)測主要桿件應(yīng)力與控制其應(yīng)力變化是必要的。

首先根據(jù)以往工程經(jīng)驗再結(jié)合本工程特點做出合理的鋼桁梁橋設(shè)計，然后根據(jù)設(shè)計圖紙建立準(zhǔn)確理論模型；其次通過減少桿件制造誤差與拼裝變形來控制初始應(yīng)力，以滿足設(shè)計要求；再次嚴(yán)格控制施工中每一個工序，以減少施工誤差對應(yīng)力變化的影響；最后結(jié)合施工實際情況不斷修正模型，使最終模型能較好地反映工程實際情況，用于計算桿件應(yīng)力，再對比實測數(shù)據(jù)，評估應(yīng)力控制效果。

本工程采用有限元分析軟件ANSYS建立模型。整個施工過程共27個施工工況，選取工況13，即最大懸臂(鋼桁梁產(chǎn)生最大撓度)時進(jìn)行分析。在分析鋼桁梁最大懸臂桿件應(yīng)力和位移時綜合考慮溫度因素與風(fēng)速影響，計算分析結(jié)果如圖7，8所示。

圖8 最大懸臂時應(yīng)力結(jié)果 /MPa

由圖7，8結(jié)果可知，懸臂桿件最大撓度為9.43 cm(A1-A2桿)，最大應(yīng)力為100.2 MPa(E0′-A1′桿)，以最不利結(jié)果指導(dǎo)施工。

根據(jù)理論模型受力與結(jié)構(gòu)形式分析在鋼桁梁合理設(shè)置應(yīng)力測點與溫度補償點，以保證應(yīng)力所測值有效。在應(yīng)力測點上布置鋼弦式應(yīng)變傳感器實時監(jiān)測桿件應(yīng)力狀況，并與理論計算值比較，發(fā)現(xiàn)問題及時采用相應(yīng)控制措施。因工況多，實測數(shù)據(jù)組數(shù)多，選取3個典型工況進(jìn)行對比分析，如表2～4所示。

表2 傳感器全部安裝完畢時應(yīng)力 MPa

表3 最大懸臂時應(yīng)力 MPa

表4 整體拼裝完畢時應(yīng)力 MPa

由表2～4可知：上弦A-A桿應(yīng)力偏差較小，偏差控制在3 MPa之內(nèi)，平均偏差率為7.3%；下弦E-E桿偏差值較上弦桿大，最大偏差值-5 MPa，平均偏差率為7.5%；斜腹E-A桿應(yīng)力偏差值變化較上下弦桿都大，偏差最大值為8 MPa，但平均偏差率也較好控制在7.3%左右。計算應(yīng)力與實測應(yīng)力結(jié)果一致，說明所建模型與實際狀態(tài)較為吻合，即所建模型可靠性較高，同時也說明施工總體控制較好。此外，可見鋼桁梁施工過程中各桿件應(yīng)力均較小，結(jié)構(gòu)安全可靠。

對比傳統(tǒng)導(dǎo)梁頂推法，該改進(jìn)頂推設(shè)備的步履式頂推法避免了設(shè)置導(dǎo)梁步驟，既不需要考慮導(dǎo)梁對其撓度的影響，也無需考慮導(dǎo)梁對鋼桁梁內(nèi)力的影響，簡化了施工工序，經(jīng)應(yīng)力驗算滿足規(guī)范要求，故該改進(jìn)設(shè)備能更好地保證鋼桁梁施工過程中應(yīng)力滿足要求。

4 結(jié) 語

本工程大跨度鋼桁梁通過增加支撐框架與步履式節(jié)點自適應(yīng)小循環(huán)頂推法相結(jié)合，改進(jìn)了傳統(tǒng)步履式頂推受節(jié)點支撐影響行程小的不足，同時嚴(yán)格按照上述控制措施進(jìn)行施工，安全高效地完成了整個鋼桁梁頂推施工。改進(jìn)頂推設(shè)備結(jié)合節(jié)點自適應(yīng)頂推技術(shù)能更好地應(yīng)用于鋼桁梁橋頂推施工中，可為今后相關(guān)工程提供借鑒與指導(dǎo)。

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