王海周
(中鐵十四局集團(tuán)有限公司 山東濟(jì)南 250013)
黃大鐵路黃河特大橋主橋跨徑布置為120+4×180+120 m,采用下承式明橋面連續(xù)鋼桁梁,帶豎桿三角形桁式,桁高18.0 m,節(jié)間長(zhǎng)度10 m,主桁中心距 11.0 m[1-2]。
主梁采用頂推法施工,在114#~115#墩間120 m搭設(shè)支架,作為鋼梁拼裝平臺(tái)。拼裝平臺(tái)處設(shè)2臺(tái)龍門(mén)吊,用以拼裝鋼梁。在115?!?16#墩跨中位置設(shè)置臨時(shí)支墩,115#~119#5個(gè)主墩搭設(shè)墩旁托架[3],作為頂推滑道梁支架,如圖1所示。
圖1 頂推大臨設(shè)施布置
鋼桁梁支撐點(diǎn)置于鋼桁梁下弦桿大節(jié)點(diǎn)處,支撐結(jié)構(gòu)從上到下分別為墊板、滑塊、MGE板、復(fù)合鋼板、滑道梁、支架、支架基礎(chǔ)[4]。MGE栓接于滑塊底,復(fù)合鋼板焊接在滑道梁上,MGE板與復(fù)合鋼板之間相對(duì)滑動(dòng),依靠墊板與梁底間摩擦力帶動(dòng)上部梁體前行,完成頂推施工。墊板還用于調(diào)整高度,適應(yīng)不同節(jié)點(diǎn)的預(yù)拱度和不同支架高度,如圖2所示。
圖2 橋梁支撐系統(tǒng)
大跨度鋼桁梁頂推施工的關(guān)鍵在于線形控制,偏位過(guò)大,容易造成前端導(dǎo)梁偏位過(guò)大無(wú)法上墩,整體線形控制不力會(huì)出現(xiàn)鋼梁局部卡死,無(wú)法再向前頂推等嚴(yán)重且不易處理的后果[5]。
鋼桁梁頂推偏位分為三類,即縱向偏位、橫向偏位和豎向偏位。
(1)縱向偏位
縱向偏位即左右兩片主桁沿線路方向前進(jìn)不一致,一前一后??v向偏位不加以控制,發(fā)展至一定程度,主桁中心線與線路中心線間出現(xiàn)較大夾角,鋼梁將朝著偏離中心的方向前進(jìn),同時(shí)也會(huì)引起鋼梁前段后端大的橫向偏位[6],如圖3所示。
圖3 縱向偏位示意
(2)橫向偏位
橫向偏位即在水平面內(nèi)鋼桁梁中心線上某點(diǎn)或多點(diǎn)偏離線路中心線位置,如圖4所示。橫向偏位需要控制在一定的范圍之內(nèi),導(dǎo)梁、鋼梁橫向偏位過(guò)大會(huì)使滑塊與限位鋼板在滑動(dòng)中接觸,限位鋼板與滑塊非滑動(dòng)面產(chǎn)生巨大摩擦力,額外增加了牽引千斤頂?shù)臓恳Γ瑫r(shí)也增大了墩身所承受的水平反力,對(duì)墩身不利;若主梁橫向偏位沒(méi)有及時(shí)得到糾正,摩擦力進(jìn)一步增大,限位鋼板受損后剛度降低,限位鋼板限位功能將失效。
圖4 橫向偏位示意
橫向偏位控制不當(dāng)還會(huì)使左右兩臺(tái)水平牽引千斤頂受力不一致,梁內(nèi)產(chǎn)生扭曲,引起鋼梁部分桿件改變?cè)ぷ鳡顟B(tài),出現(xiàn)應(yīng)力異常,使鋼梁在頂推中的狀態(tài)趨于不安全;鋼梁內(nèi)部產(chǎn)生扭曲使各墩左右側(cè)滑塊支反力不一致,增大了臨時(shí)支架單點(diǎn)的荷載,對(duì)下部滑道梁和臨時(shí)支架造成隱患。若橫向偏位沒(méi)有及時(shí)糾正,多處累計(jì)值較大后,隨即引起縱向偏位。
(3)豎向偏位
豎向偏位即頂推中的各平臺(tái)或滑道梁標(biāo)高發(fā)生變化。各臨時(shí)支點(diǎn)標(biāo)高發(fā)生變化后,各支點(diǎn)承受的鋼桁梁的重力重新分配,若未能及時(shí)發(fā)現(xiàn),部分支點(diǎn)豎向支反力大于原設(shè)計(jì)值,會(huì)給鋼桁梁帶來(lái)一定的附加應(yīng)力,不利于鋼梁頂推施工,如圖5所示。
圖5 豎向偏位示意
減小豎向偏位,臨時(shí)支架的設(shè)計(jì)應(yīng)趨于保守,適當(dāng)加大安全系數(shù),具有承擔(dān)一定數(shù)值的偶然荷載能力;在施工中要保證支架基礎(chǔ)、支架的搭設(shè)精度,完成后全面測(cè)量,對(duì)于超出允許偏差的位置,調(diào)整平面高度后再次復(fù)核,直至滿足精度要求;合理組織頂推施工的各道工序,盡量避免頂推過(guò)程中出現(xiàn)單個(gè)支點(diǎn)受力過(guò)大;在施工過(guò)程中對(duì)支架及滑道梁進(jìn)行周期性動(dòng)態(tài)觀測(cè),及時(shí)發(fā)現(xiàn)豎向偏位問(wèn)題,便于調(diào)整處理。
頂推施工鋼梁橫向偏位原因復(fù)雜,根據(jù)東營(yíng)黃大項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)從施工角度對(duì)橫向偏位原因進(jìn)行總結(jié)。
(1)頂推系統(tǒng)同步千斤頂不同步
水平千斤頂頂進(jìn)行程不一致是造成橫向偏位最主要的原因,本項(xiàng)目頂推系統(tǒng)為分散連續(xù)頂推,在各墩主桁下均設(shè)置牽引千斤頂。盡管千斤頂進(jìn)行周期性檢驗(yàn)、維護(hù)、維修,各墩左右側(cè)每個(gè)循環(huán)存在微小的不同步偏差在所難免。雖然單個(gè)循環(huán)千斤頂行程相差甚小,但較小行程差值長(zhǎng)期累積后,即會(huì)引起橫向偏位[7-8]。
(2)手動(dòng)頂推人為因素干擾
頂推系統(tǒng)在自動(dòng)頂推之前要先進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整,調(diào)整至各墩牽引力滿足頂推方案要求時(shí)的位置;在自動(dòng)頂推階段出現(xiàn)線形變化時(shí),也將采取手動(dòng)頂推調(diào)整的措施解決。在手動(dòng)調(diào)整階段,左右側(cè)千斤頂同步性受人為因素干擾較大,并且干擾值不易被觀測(cè),不同步累積后首先造成縱向偏位,再由縱向偏位引起橫向偏位。
(3)支架標(biāo)高及幾何形位偏差
滑道梁標(biāo)高及幾何形位偏差是造成鋼梁橫向偏位的另一個(gè)原因,尤其是左右滑道梁的標(biāo)高偏差。在頂推過(guò)程中,滑道梁標(biāo)高的差異會(huì)使鋼梁向著標(biāo)高低的一側(cè)滑動(dòng),造成橫向偏位?;舶鍢?biāo)高及幾何形位偏差是由其下部結(jié)構(gòu)高程變化造成,如支架立柱變形、滑道梁變形、支架下部基礎(chǔ)沉降變形。
(4)間歇型“爬行”線形
在頂推過(guò)程中由于鋼絞線的彈性和摩擦面摩擦狀態(tài)的轉(zhuǎn)變,滑塊與滑床板之間的滑動(dòng)不能連續(xù)勻速進(jìn)行,經(jīng)常出現(xiàn)間歇性“爬行”現(xiàn)象,每次線形回歸正常都需克服巨大的靜摩擦力,并在靜摩擦與動(dòng)摩擦兩種狀態(tài)下交替轉(zhuǎn)換[9],對(duì)滑床板、滑道梁、支架產(chǎn)生較大的水平?jīng)_擊,造成其幾何形位發(fā)生變化。
(5)風(fēng)荷載影響
當(dāng)導(dǎo)梁懸臂過(guò)長(zhǎng)時(shí),容易受到風(fēng)荷載的影響,導(dǎo)梁前端出現(xiàn)左右擺動(dòng),引起后端鋼梁偏離縱向中心線。
本節(jié)建立橫向偏位模型,對(duì)比分析實(shí)際水平糾偏千斤頂糾偏效果與理論值的關(guān)系,并得出相關(guān)結(jié)論。
本文以導(dǎo)梁上117#墩后140 m工況為例,模擬在116#墩上使用水平千斤頂分別糾偏5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm、40 mm、50 mm 需要施加的荷載。
建立Midas模型,導(dǎo)梁及鋼桁梁桿件使用梁?jiǎn)卧M,材料屬性按照設(shè)計(jì)所給材料的性能考慮,荷載僅考慮導(dǎo)梁及已拼裝主桁自重,模型荷載中1.35倍自重系數(shù)能夠含拼接板、隔板、節(jié)點(diǎn)局部加強(qiáng)及橫向聯(lián)接系的重量,水平糾偏力等效為強(qiáng)制位移。115#墩約束方式假定為固定支座,116#墩、118#墩、拼裝平臺(tái)、1#臨時(shí)墩均假定為活動(dòng)支座。幾何模型如圖6所示[10]。
圖6 鋼梁模型
糾偏0 mm、5 mm、10 mm的組合應(yīng)力結(jié)果由上至下如圖7所示。
圖7 糾偏0 mm、5 mm、10 mm組合應(yīng)力
糾偏15 mm、20 mm、25 mm的組合應(yīng)力結(jié)果由上至下如圖8所示。
圖8 糾偏15 mm、20 mm、25 mm組合應(yīng)力
分別糾偏30 mm、40 mm、50 mm的組合應(yīng)力結(jié)果由上至下如圖9所示。
圖9 糾偏30 mm、40 mm、50 mm組合應(yīng)力
根據(jù)組合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知,在116#墩位置上糾偏5 mm,對(duì)主桁桿件應(yīng)力影響極小,桿件應(yīng)力分布狀態(tài)基本沒(méi)有變化,桿件應(yīng)力仍然受其自身重力控制。因此,5 mm以內(nèi)的橫向糾偏不會(huì)對(duì)導(dǎo)梁及主梁桿件造成太大影響。但一次橫向糾偏值不能太大,仍應(yīng)按照化整為零的原則,將較大的橫向偏位,分次多點(diǎn)進(jìn)行糾偏消除。
糾偏量提高至5 cm時(shí),應(yīng)力分布仍沒(méi)有明顯變化,主桁弦桿應(yīng)力有所增大,由176 MPa增大到192 MPa,但未超出允許應(yīng)力。所以,采用橫向糾偏千斤頂橫頂糾偏具有可行性。
糾偏需要克服的是鋼梁和滑道之間的靜摩擦力,根據(jù)統(tǒng)計(jì)頂推數(shù)據(jù),頂推過(guò)程中的實(shí)際靜摩擦系數(shù)在0.08~0.1之間,模型計(jì)算靜摩擦系數(shù)取較高值0.1。對(duì)比分析理論彎曲糾偏力、模型計(jì)算支反力、實(shí)際糾偏力,見(jiàn)表1。
表1 理論彎曲糾偏力、支反力及實(shí)際糾偏力匯總
本項(xiàng)目水平糾偏千斤頂頂力為250 t,最大行程5 cm,糾偏量5~50 mm,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際糾偏力從84.6 t到86.9 t,糾偏力未見(jiàn)明顯變化。通過(guò)對(duì)比分析,實(shí)際糾偏力與理論彎曲糾偏力、需摩擦力關(guān)系不大,頂推過(guò)程中的橫向糾偏力不受彎曲應(yīng)力控制,而是由靜摩擦力控制。
現(xiàn)場(chǎng)糾偏力從糾偏5 mm至50 mm變化沒(méi)有明顯增大,說(shuō)明在大跨度鋼桁梁頂推施工橫向糾偏中,糾偏力主要受靜摩擦力控制。在選用水平糾偏千斤頂規(guī)格時(shí)主要考慮靜摩擦系數(shù)。
橫向糾偏要以精確的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),在保證鋼桁梁位置的前提下,以可推動(dòng)滑塊和墊板的位置作為糾偏千斤頂作用點(diǎn),如圖10所示。
圖10 支撐系統(tǒng)
(1)限位鋼板
限位鋼板作為頂推過(guò)程中滑塊限位的基本約束,頂推過(guò)程中,若滑塊出現(xiàn)與一側(cè)限位鋼板頂緊現(xiàn)象,則將主梁起頂,調(diào)整滑塊位置,使其居于滑床板中部?;瑝K與限位鋼板頂緊狀態(tài)下,會(huì)增加水平牽引力,臨時(shí)支架、墩身的水平反力也隨之增加,不利于安全[11]。
在很多鋼桁梁頂推施工中,使用角鋼作為限位鋼板并不合理,角鋼一般用作拉壓二力桿,而限位鋼板受較大水平推力(剪力),角鋼抵抗能力較差,而且角鋼板厚較薄,限位工作面狹小,不具備限位功能。在個(gè)別工程中已有角鋼限位失敗的案例,黃大鐵路東營(yíng)黃河特大橋項(xiàng)目已經(jīng)成功地采用鋼板加加勁肋方式完成限位約束功能,建議使用板厚較厚的鋼板輔以同等厚度的加勁肋作為限位裝置。
(2)單點(diǎn)單動(dòng)
頂推過(guò)程中,若發(fā)現(xiàn)導(dǎo)梁前端監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)生左右偏移,即縱向偏位,可單獨(dú)使用偏向一側(cè)的牽引千斤頂工作,另一側(cè)千斤頂不動(dòng),進(jìn)行分次糾偏,一次糾偏量控制在5 cm,糾偏一次復(fù)測(cè)一次,直至導(dǎo)梁回歸正位。單點(diǎn)單動(dòng)容易引起主梁后端位置偏差,在糾偏過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)密觀測(cè)后端滑塊與限位鋼板的相對(duì)位置,避免因?qū)Я呵岸嗣つ考m偏引起主梁后端偏位[12]。
(3)橫向千斤頂糾偏
根據(jù)第5章節(jié)分析可知,糾偏千斤頂并不是克服鋼桁梁彎曲應(yīng)力而是克服靜摩擦力進(jìn)行糾偏。對(duì)于本工程,相對(duì)于180 m跨度,鋼桁梁柔性較大,很小的力就可以對(duì)其糾偏5 cm。糾偏分次分點(diǎn)進(jìn)行,逐級(jí)將鋼桁梁和導(dǎo)梁產(chǎn)生的橫向彎曲應(yīng)力釋放掉。
(4)前端牽引
導(dǎo)梁上墩前懸臂較大時(shí),采用鋼絲繩與前端墩身連接,并對(duì)鋼絲繩施加一定的牽引力,避免因異常大風(fēng)天氣造成導(dǎo)梁懸臂左右擺動(dòng),也是控制導(dǎo)梁前端橫向偏位的一種輔助措施。
在大跨度鋼桁梁頂推施工中,橫向偏位糾偏力主要受靜摩擦力控制,選用水平糾偏千斤頂規(guī)格時(shí)主要考慮靜摩擦系數(shù),一次糾偏反力大小可以忽略。
根據(jù)該項(xiàng)目已完成工程經(jīng)驗(yàn),限位鋼板、單點(diǎn)單動(dòng)、橫向千斤頂糾偏、前方牽引等措施可以有效控制、處理鋼桁梁的橫向偏位,建議在實(shí)際頂推施工過(guò)程中應(yīng)綜合靈活運(yùn)用橫向糾偏措施,并充分利用現(xiàn)場(chǎng)條件,以達(dá)到良好的偏差調(diào)整效果。