吳笑雷

(中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081)

對于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，常見的施工方法[1]有滿堂支架法、懸臂澆筑法、轉(zhuǎn)體施工法、頂推施工法。滿堂支架法[2]技術(shù)成熟，主梁質(zhì)量易于保證，但需占用大量的支架和模板，受橋下施工環(huán)境的限制。懸臂澆筑法使橋梁跨越能力得到了很大的提升，機械化程度較高，減少了勞動力的投入，但不適用于跨越水源保護區(qū)域或者高速鐵路的橋梁。轉(zhuǎn)體施工法[3]將復(fù)雜的、技術(shù)性強的高空、水上或者跨線作業(yè)變?yōu)榧夹g(shù)成熟的岸邊或陸上作業(yè)，不影響交通，但技術(shù)性要求高，需要達到“轉(zhuǎn)得動、轉(zhuǎn)得穩(wěn)、轉(zhuǎn)得準”的目標。頂推施工法在臺后或鄰近墩設(shè)置澆筑平臺，澆筑質(zhì)量易于控制，占用橋下空間時間較短，但頂推過程中主梁內(nèi)力連續(xù)變化，對施工、監(jiān)控技術(shù)水平要求較高。

橋梁在跨越既有線路以及對環(huán)境有特殊保護要求的河域時，傳統(tǒng)的施工方法往往難以滿足線路運營和河道正常運營的要求，而頂推施工方法為此類問題的解決打開了廣闊的空間。隨著此類工程實踐越來越多，頂推技術(shù)也呈現(xiàn)更多樣化的發(fā)展。按頂推力分類可以分為單點頂推與多點頂推;按支撐系統(tǒng)可分為臨時滑道支撐裝置頂推施工和永久支撐兼用滑道的頂推施工;按頂推方向可以分為單向頂推和雙向(相對)頂推;按動力裝置可分為步距式頂推和連續(xù)頂推;按箱梁節(jié)段的成型方式可以分為預(yù)制組拼，分段頂推和逐段預(yù)制，逐段頂推[4-7]。北京軌道交通西郊線頤和園西門站—南門站區(qū)間預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁(16+24+16)m由于上跨南水北調(diào)明渠，為避免對水質(zhì)產(chǎn)生影響，在2015年采用拖拽式單點頂推的施工方法成功完成橋梁架設(shè)。廈汕右聯(lián)絡(luò)線特大橋(48+48)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁上跨杭深高鐵線，為降低對既有線運營的影響，于2018年1月采用步履式多點頂推方式頂推到位。本文結(jié)合2個工程實例從多方面把拖拽式單點頂推技術(shù)與步履式多點頂推技術(shù)進行對比研究，為后期其他類似工程提供參考。

1 頂推施工原理

1.1 拖拽式單點頂推

所謂拖拽式單點頂推，即水平頂推力的支撐集中于1個橋臺或橋墩上，其他墩臺上則只設(shè)置滑道支撐。水平千斤頂通過拉桿將頂推力施加在梁體尾端帶動梁體前進，在頂推過程中，只有1個縱向施力點，見圖1。目前國內(nèi)在滑道上通過滑塊的循環(huán)增進來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的豎向千斤頂作用，極大增加了頂推效率。為減小梁體與滑道之間的摩擦力，通常采用四氟乙烯滑塊，在不銹鋼鋼板和四氟乙烯滑塊間涂抹硅脂油，動摩擦因數(shù)一般為0.04～0.06，靜摩擦因數(shù)稍大一些。

圖1 單點頂推示意

1.2 步履式多點頂推

所謂步履式多點頂推就是在每個橋墩上均設(shè)有三向千斤頂，頂推時通過豎向頂抬高梁體，通過水平頂推進。豎向頂在固定滑箱內(nèi)前行帶動箱梁向前移動，完成一個步距后豎向頂回落，將梁體放置在臨時支墊上，水平頂回拉將豎向頂歸位，依此循環(huán)。過程中通過橫向千斤頂進行方向糾偏，每個步距的循環(huán)包括頂升、頂推、落梁、回拉4個步驟，見圖2。該方法要求多點頂推同步運行，還要求每個墩上水平頂施力的大小應(yīng)根據(jù)橋墩所受滑動摩擦力大小確定。千斤頂施力與摩擦阻力基本平衡，柔性橋墩基本不受水平力或水平力盡可能小，以減小對橋墩的反復(fù)沖擊。

圖2 多點頂推示意

2 頂推過程中梁體應(yīng)力對比分析

頂推施工前一般會進行仿真分析，通過模擬頂推過程分析梁體的受力。這樣既可以判斷梁體在頂推過程中是否處于安全狀態(tài)，為補強優(yōu)化措施提供依據(jù)，又可以為頂推過程中結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測提供安全預(yù)警值。

從有限元角度分析，梁體的前移導致每個階段需要重新定義結(jié)構(gòu)狀態(tài)，節(jié)點、單元、預(yù)應(yīng)力束的坐標、邊界條件一直在變化。通過邊界條件的后移來模擬梁體的前進可以減少每個階段需要改變的信息，約束的后移量值就等于每個階段梁體前進的距離。在頂推過程中將每個階段頂推前的支反力反向加在頂推后的結(jié)構(gòu)上就能有效地模擬失去支撐的狀態(tài)，同時將頂推后節(jié)點強制位移歸零的方式可以有效的模擬獲得支撐的狀態(tài)[8]，見圖3。其余荷載(自重、預(yù)應(yīng)力、收縮徐變、溫度力等)與一般有限元處理方法相同。

圖3 頂推施工結(jié)構(gòu)受力簡圖

仿真分析可以采用MIDAS/Civil 2015軟件進行。由于軟件限制，邊界條件只能施加在節(jié)點位置，可以逐次變換施工階段來模擬頂推過程。每個施工階段代表梁體與鋼導梁的一個支撐狀態(tài)，同時邊界條件采用軟件中“變形前”“變形后”切換的方式來實現(xiàn)“獲得支撐的地方消除變形，失去支撐的地方消除力”?！白冃吻啊敝冈撨吔缥恢迷诔蓸螂A段模型中節(jié)點坐標位置，“變形后”指該邊界位置在施工階段產(chǎn)生變形后的節(jié)點坐標位置。“變形前”相當于把該節(jié)點在之前產(chǎn)生的累計變形強制消除，移到成橋階段該節(jié)點的位置，如此相當于在此處輸入了強制位移，進而影響到結(jié)構(gòu)的受力。

仿真模擬不涉及頂推力的布局問題，無論單點頂推還是多點頂推，均只涉及支撐條件的變化。但單點頂推梁體的狀態(tài)是連續(xù)的，而多點頂推涉及到頂梁與落梁的循環(huán)，千斤頂位置與支墊位置存在一定的距離，支撐位置的反復(fù)變化對梁體受力更為不利。在頂推過程中，梁體的應(yīng)力狀態(tài)與以下幾個方面有關(guān)：

1)根據(jù)現(xiàn)場施工條件以及梁體相關(guān)參數(shù)(自重等)確定的支撐布局。北京西郊線連續(xù)梁場地條件較好，在預(yù)制平臺上設(shè)置臨時墩，共布置13對滑道，間距只有5 m，可以極大地減小梁尾部的懸臂長度，減小尾端最不利狀況的應(yīng)力。但由于梁體尾端脫離時不存在緩沖作用，自重產(chǎn)生的下墜加速度會增大梁體受力。廈汕右聯(lián)絡(luò)線連續(xù)梁橋墩較高，跨度較大，在永久墩之間增設(shè)5個臨時墩，共采用18個三向千斤頂進行頂推。尾端脫離支撐時最大懸臂16.35 m，施工過程中將墊塊設(shè)置在梁體前進的后方，通過豎向頂抬升梁體，前行至脫離該墊塊的位置后，豎向頂緩慢下放至梁尾處于自然撓度狀態(tài)，可以減小梁體的受力。

2)鋼導梁長度與剛度的合理取值。導梁與主梁長度比以及導梁的剛度決定了導梁前端到達支點時梁體在鄰近支點位置處的負彎矩。線質(zhì)量比一定的情況下，若導梁太長，梁體最大負彎矩產(chǎn)生在導梁接收之后，較為不經(jīng)濟；若導梁太短，梁體前端懸臂太長，會產(chǎn)生較大的負彎矩，不利于梁體受力，導梁作用不能充分發(fā)揮。同理，若導梁剛度取值偏大，則導梁制作不經(jīng)濟;若剛度取值偏小，則導梁減小支點處梁體負彎矩的作用不明顯。導梁的剛度同樣影響著主梁與導梁結(jié)合部位的正彎矩受力，導梁剛度愈大，結(jié)合部位受力愈大;導梁剛度愈小，結(jié)合部位受力愈小。

3)頂推前預(yù)應(yīng)力束張拉的選擇。預(yù)應(yīng)力混凝土梁在頂推過程中極易發(fā)生開裂，在頂推前張拉一定的預(yù)應(yīng)力可以有效改善在頂推過程中梁體的應(yīng)力，可以選擇增設(shè)體外臨時預(yù)應(yīng)力束來改善梁體應(yīng)力分布。西郊線連續(xù)梁共16束預(yù)應(yīng)力束，頂推前全部張拉有效地減小了頂推過程中上下緣的拉應(yīng)力。廈汕右聯(lián)絡(luò)線連續(xù)梁共29束預(yù)應(yīng)力束，考慮到頂推過程中懸臂較大，最大懸臂時支點處截面上緣拉應(yīng)力過大會導致梁體開裂，頂推前選擇張拉全部頂板束以及部分腹板束，增加梁體上緣的壓應(yīng)力儲備。

西郊線橋梁將頂推系統(tǒng)布置在橋臺，通過拉桿將力施加在梁尾帶動梁體前移。根據(jù)應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)左右側(cè)腹板受力較為均勻，但實測截面受力規(guī)律與理論計算結(jié)果存在一定差異，見圖4(選取第三跨跨中截面應(yīng)力變化)，該差異主要與梁體與滑道之間存在脫空有關(guān)。脫空使梁與支墊的面接觸變?yōu)辄c接觸，增大了梁體支撐間跨度。梁體剛度較大，不均勻支撐使得梁體實際受力狀態(tài)偏離了理論計算值，這也是單點頂推技術(shù)難點之一。頂推前，滑道標高需要嚴格控制，與設(shè)計標高控制在±1 mm以內(nèi)，同時保證梁體底板足夠平整，避免梁底局部與滑道單點接觸。

圖4 西郊線跨中截面上下緣應(yīng)變隨行程變化關(guān)系

圖5 聯(lián)絡(luò)線最大懸臂截面上下緣應(yīng)變隨行程變化關(guān)系

廈汕右聯(lián)絡(luò)線連續(xù)梁在天窗點內(nèi)施工，頂推經(jīng)歷較長周期。在頂推過程中，關(guān)鍵點是控制梁體同步頂升與同步落梁。首先將豎向頂升力控制在2 MPa，保證每個豎向頂與梁底充分接觸，然后將梁體同時抬升10 cm后水平頂同步頂推，使梁體前移，完成一個步距后同步落梁，千斤頂回拉?？刂葡到y(tǒng)及頂推千斤頂?shù)男谐陶`差采用超聲波位移傳感器測試，在各行程中進行控制比較，在每個行程中可以同步進行糾偏，誤差在±2 mm以內(nèi)。頂推過程中應(yīng)力監(jiān)測發(fā)現(xiàn)梁體左右側(cè)受力較為不均勻，受力大小也與理論計算結(jié)果存在一定的差異，見圖5(選取最大懸臂控制截面頂升時的應(yīng)力變化)。這主要是由于千斤頂頂升位移很難精確控制同步，預(yù)應(yīng)力混凝土梁剛度大，不均勻位移會產(chǎn)生較大的內(nèi)力。另外梁體本身的自重就是不均勻分配到各個頂，臨時墩與永久墩的剛度差異較大，也會產(chǎn)生不均勻的壓縮變形。在頂推過程中還發(fā)現(xiàn)當受力測試截面位于千斤頂與梁體接觸位置時，梁體底板會突然增加100×10-6左右的壓應(yīng)變，當測試截面離開千斤頂或墊塊支撐時，梁體底板受力恢復(fù)正常，可見多點頂推時受局部應(yīng)力影響較大。

從梁體受力角度看，單點頂推梁體受力與滑道是否平整有較大的關(guān)系，在頂推過程中，應(yīng)更加注重對滑道標高的精確控制。梁體的位移軌跡靠滑道布置來控制，并配合左右的糾偏千斤頂使之到達設(shè)計位置。此外，尾端脫離時較為突然，對梁體受力較為不利。多點頂推將頂推力分散，可以通過調(diào)整局部頂力與位移來控制梁體的內(nèi)力變化。但是控制點較多，比較難以做到聯(lián)動與同步性，不均勻位移會產(chǎn)生較大的內(nèi)力。此外，由于頂升與落梁的支點位置轉(zhuǎn)換，梁體受到的是反復(fù)的內(nèi)力，對結(jié)構(gòu)的危害更大。

3 頂推過程中橋墩的受力對比分析

采用單點頂推的連續(xù)梁，頂推系統(tǒng)布置的橋臺承受較大的水平力，以此來提供梁體前移的動力。其他支撐位置所承受的水平力主要包括自重的水平分力以及支反力對應(yīng)的摩擦力，當梁體前行方向為上坡時兩者同向，當梁體前行方向為下坡時兩者反向。

對于多點頂推的連續(xù)梁，頂推時各墩臺所承受的水平力較為分散，主要包括自重的水平分力、支反力對應(yīng)的摩擦力以及縱向千斤頂?shù)捻斖屏?。通過分析與控制，可以將摩擦力與頂推力平衡，使各墩臺不受水平力或水平力盡可能小。

西郊線連續(xù)梁頂推設(shè)備布置在鄰近預(yù)制場的橋臺處，梁體總重按 9 000 kN 考慮，靜摩擦因數(shù)按0.17考慮，則頂推點需提供 1 500 kN 的反力。通過仿真計算可以得到其他墩的最大支反力為 4 526 kN,動摩擦因數(shù)按0.1計，承受的最大縱向水平力約為453 kN。該橋豎向曲率半徑較大，自重的水平分力可以忽略不計。在實際頂推過程中，考慮到中間墩承受較大的水平力，為防止墩柱產(chǎn)生較大的水平位移導致下部結(jié)構(gòu)開裂或梁體發(fā)生傾覆現(xiàn)象，在中間墩與承載能力較大的橋臺之間設(shè)置臨時鋼管，將水平力傳遞到橋臺。監(jiān)測結(jié)果表明中間墩最大縱向偏位為2 mm，而且在整個過程中呈現(xiàn)縱向的反復(fù)變形，頂推到位后墩柱變形基本恢復(fù)到初始狀態(tài)，見圖6?？梢?，墩柱間建立連接效果較好。

圖6 中間墩縱向偏位隨行程變化關(guān)系

廈汕右聯(lián)絡(luò)線連續(xù)梁通過頂舉與試頂推試驗測得梁重 23 324 kN，動摩擦因數(shù)為 0.025 4，全橋水平頂推力總共約600 kN。在頂推過程中控制梁體保持水平頂推，可以將自重的水平分力忽略不計，由于梁體是勻速前進，縱向頂推力與動摩擦力相互抵消，墩柱理論上不受力。在實際工程中將主墩與臨時墩縱向串聯(lián)桁架梁鋼管焊接在一起，極大地增加了墩柱的縱向剛度，實測的墩柱底部在整個頂推過程中產(chǎn)生的最大拉應(yīng)變?yōu)?6×10-6。

從墩柱受力上看，單點頂推各墩柱均會承受較大的水平力，尤其是布置頂推設(shè)備的墩臺，需要提供較大的頂推反力，可以通過剛性連接或設(shè)置臨時拉索的方式將水平力重新分配。多點頂推方式在頂推過程中產(chǎn)生的水平力較小，在每個步距頂推開始時克服靜摩擦力產(chǎn)生的水平力由所有的墩柱分配。

4 頂推過程中鋼導梁受力對比研究

鋼導梁作為頂推過程中改善梁體受力的重要元件，其強度與穩(wěn)定性對保證頂推施工安全十分重要。鋼導梁在頂推過程中受到極大的彎矩與剪力作用，當導梁前端到達接收墩時，需要通過千斤頂將前端抬升至設(shè)計高度以通過墊塊。在之后的過程中，隨著梁體的前移，導梁支撐的反力逐漸增大，導梁根部的彎矩及剪力逐漸增大。當支撐到達導梁中部左右時，導梁根部的彎矩達到最大，當支撐到達導梁根部時，剪力達到最大。在頂推前一般根據(jù)仿真計算結(jié)果模擬最不利工況對鋼導梁進行加載試驗，考慮到頂推過程中會出現(xiàn)鋼導梁兩側(cè)受力不均勻的現(xiàn)象，加載試驗時將荷載值適當增大。

單點頂推導梁前端滑道的標高一般是確定不變的，在頂推過程中導梁兩側(cè)的剛度差異以及滑道橫向的高差會導致鋼導梁兩側(cè)受力不均勻。西郊線連續(xù)梁頂推過程中通過應(yīng)力監(jiān)控發(fā)現(xiàn)左右側(cè)鋼導梁受力整體趨勢一致但受力不均衡。實測受力較大側(cè)鋼導梁根部下緣最大拉應(yīng)變?yōu)?95×10-6，換算鋼材應(yīng)力為99 MPa，接近理論計算的110 MPa最不利受力狀態(tài)?，F(xiàn)場在另一側(cè)鋼導梁底部加塞墊板，增加標高，增大了支撐的反力，使導梁根部兩側(cè)的彎矩重新分配，受力趨于均勻，確保了鋼導梁處于平衡狀態(tài)。

多點頂推將導梁前端的頂升千斤頂納入頂推系統(tǒng)，在頂推過程中，結(jié)合實時監(jiān)測結(jié)果，可以隨時調(diào)整導梁前端千斤頂?shù)捻斏Αｍ斏Φ拇笮∮啥喾矫婵刂?，頂升力在支點處產(chǎn)生的負彎矩要能抵消梁體前端懸臂時自重產(chǎn)生的正彎矩，從而避免梁體開裂。但頂升力不能太大，提供的負彎矩一般不超過鋼導梁試驗最不利狀況下達到的最大彎矩。此外，導梁前端的抬升高度要使鋼導梁能順利通過墊塊，當前端下?lián)线^多時可以通過抬升其他位置的千斤頂來減小前端需要施加的頂力。廈汕右聯(lián)絡(luò)線連續(xù)梁在頂推過程中，實測鋼導梁根部下緣最大拉應(yīng)變?yōu)?73×10-6，換算鋼材應(yīng)力198 MPa，超過理論計算的177 MPa，但小于鋼導梁試驗時最不利狀態(tài)的212 MPa。現(xiàn)場測得最不利時兩側(cè)鋼導梁應(yīng)變相差256×10-6，通過及時調(diào)整千斤頂?shù)捻斄κ箖蓚?cè)達到平衡狀態(tài)。

5 導梁與主梁錨固方式對比研究

鋼導梁與混凝土梁的連接部位一直是頂推施工過程中的薄弱環(huán)節(jié)，導梁前端接收之后，受力主要由彎矩與剪力控制。在過去的頂推過程中，“十頂九裂”也基本始于這個部位。實踐證明，針對鋼導梁與箱梁的連接采取一些優(yōu)化加固措施可以有效改善開裂問題。例如將鋼導梁上、下翼緣部分埋入箱梁內(nèi)，下翼板與箱梁利用縱向預(yù)應(yīng)力連接，形成鋼導梁內(nèi)的隱形連接。頂、底板預(yù)應(yīng)力盡量靠近腹板布設(shè)，使預(yù)應(yīng)力較為均勻地分布，同時該處普通鋼筋可以加密布置。設(shè)置精軋螺紋鋼筋將導梁與混凝土梁通過預(yù)施應(yīng)力加強連接，在寬度和長度方面均考慮錯位錨固，避免同一斷面預(yù)應(yīng)力集中。因錨固區(qū)空間構(gòu)造復(fù)雜，精軋螺紋鋼筋一般采用無黏結(jié)筋，取消壓漿管，保證錨固區(qū)混凝土澆筑密實。待預(yù)應(yīng)力張拉以后，在錨固斷面加焊水平加勁鋼板，將應(yīng)力擴散到導梁的腹板上。加強連接區(qū)混凝土振搗，保證混凝土密實。按要求嚴格控制連接精軋螺紋鋼的張拉，減少預(yù)應(yīng)力損失，保證了實際預(yù)應(yīng)力效果[9-10]。

西郊線連續(xù)梁在混凝土內(nèi)預(yù)埋工字型鋼導梁構(gòu)件，待混凝土強度達到設(shè)計要求后，將精軋螺紋鋼筋張拉至306 kN，加強鋼構(gòu)件與混凝土主梁的連接，并在端橫隔板內(nèi)形成預(yù)壓應(yīng)力。在實際頂推過程中，應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果表明該部位所受應(yīng)力較小，最大拉應(yīng)變?yōu)?×10-6，頂推就位后未發(fā)現(xiàn)裂縫，鋼混連接狀況較好，預(yù)壓應(yīng)力儲備充足。

廈汕右聯(lián)絡(luò)線連續(xù)梁鋼導梁錨固深度為2.6 m。澆筑前對預(yù)埋件進行精確定位，澆筑后初凝前對鋼導梁進行復(fù)測，一旦發(fā)現(xiàn)偏差過大，采用千斤頂進行調(diào)整，避免兩側(cè)的高差造成梁體受力不均衡。澆筑后張拉預(yù)應(yīng)力粗鋼筋，保證銷子、保險卡、螺栓全部安裝到位，加強導梁與主梁的連接。在實際頂推過程中，由于頂梁與落梁的循環(huán)，該連接部位受到的反復(fù)應(yīng)力較小，梁體未出現(xiàn)裂縫。

6 結(jié)語

本文對西郊線連續(xù)梁拖拽式單點頂推施工與廈汕右聯(lián)絡(luò)線連續(xù)梁步履式多點頂推施工進行了總結(jié)和對比研究。主要結(jié)論如下：

1)梁體頂推施工過程仿真模擬均只涉及支撐條件的變化，但單點頂推過程是連續(xù)的，多點頂推涉及頂梁與落梁的循環(huán)引起的支撐位置變化，梁體受到反復(fù)的內(nèi)力；梁體所受內(nèi)力與支撐的布局、鋼導梁的長度和剛度以及預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉有關(guān)，單點頂推時滑道的不均勻高差對梁體受力不利，梁體尾端脫離較為突然；多點頂推時千斤頂?shù)耐叫杂绊懥后w的受力。

2)單點頂推墩臺承受較大水平力，尤其是提供頂推反力的墩臺，在施工過程中可以通過縱向剛性連接等措施減小墩臺的水平位移；多點頂推產(chǎn)生的水平力較小，適用于高墩與柔性墩上梁體的頂推。

3)頂推施工時均存在鋼導梁受力不均勻的現(xiàn)象，單點頂推施工時通過加塞墊塊予以調(diào)整，多點頂推通過調(diào)整頂升力的大小來平衡鋼導梁受力。

4)頂推施工均可通過優(yōu)化加固措施改善鋼導梁與主梁連接部位的受力狀況，有效解決開裂的問題。