李 勁

(黑龍江省高速公路服務(wù)中心，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 步履式頂推施工發(fā)展特點

1.1 步履式頂推施工原理

頂推施工法具有施工場地小、造價低、對橋下交通和通航影響小等優(yōu)點，廣泛運用于跨越深谷、河流、公路、鐵路等橋梁施工中。受到法國米約橋楔進式頂推施工工藝啟發(fā)，我國自主研發(fā)了一套集頂升、頂進、橫向糾偏于一體的頂推設(shè)備，實現(xiàn)主梁的順橋向、豎向、橫橋向的移動，該工藝被稱為“步履式多點連續(xù)頂推”，本文簡稱“步履式頂推”。步履式頂推施工法是指梁體在橋臺背后布置預(yù)制場地，分節(jié)段或整體預(yù)制梁體，之后安裝導(dǎo)梁，將導(dǎo)梁和預(yù)制梁體連接形成一個整體，采用“頂”、“推”兩個步驟交替進行，將梁體向前頂進，直至橋梁頂推至預(yù)定位置。

1.2 頂推施工工藝對比

常見的頂推施工方法有步履式和拖拉式兩種，下面對這兩種施工方法的特點進行了總結(jié)見表1所示。

表1 步履式與拖拉式頂推施工法綜合對比

2 鋼箱梁局部受力分析

頂推施工法早期在預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋中應(yīng)用廣泛，由于主梁和下部結(jié)構(gòu)開裂問題突出，跨徑一般小于60 m，很難滿足現(xiàn)代橋梁建設(shè)的需求。隨著橋梁跨度和寬度的增大，采用構(gòu)造復(fù)雜、跨度較大的鋼箱梁應(yīng)運而生，其局部受力情況比預(yù)應(yīng)力混凝土梁更為復(fù)雜。鋼箱梁頂推施工中，由于主梁設(shè)置預(yù)拱度和自重效應(yīng)下產(chǎn)生的下?lián)?，墊塊尾端易產(chǎn)生向上的“翹曲”，該現(xiàn)象將導(dǎo)致梁體底板與頂推設(shè)備接觸不充分，使得梁體局部受力復(fù)雜。許多學(xué)者對步履式頂推施工中鋼箱梁局部受力進行了分析，主要集中在墊塊參數(shù)、轉(zhuǎn)角位移、橫向偏位、頂升不同步、局部構(gòu)件的加強等方面，其中轉(zhuǎn)角位移與墊塊剛度有直接關(guān)系，墊塊剛度的降低可有效緩解轉(zhuǎn)角位移導(dǎo)致的主梁局部應(yīng)力集中，因此本節(jié)將不對轉(zhuǎn)角位移進行論述。

2.1 墊塊參數(shù)

步履式頂推施工中通常在頂推設(shè)備上布設(shè)墊塊，而墊塊的選擇往往根據(jù)工程經(jīng)驗，既不能保證結(jié)構(gòu)安全，還可能增加施工工期。墊塊的作用主要有兩點：(1)若干墊塊可以調(diào)整支點標(biāo)高；(2)改善梁體局部受力狀況。李傳習(xí)等認(rèn)為墊塊在設(shè)計面積條件下，其彈性模量降低至鋼材的60%時，支承位置處鋼箱梁局部受力改善顯著。謝祺認(rèn)為選擇剛度較小的墊塊，可以有效改善支承處接觸不均勻的現(xiàn)象，墊塊長度越長對支承處的局部受力就越有利，墊塊寬度對局部應(yīng)力無顯著影響。李興全等分析了4種不同剛度的墊塊，建議采用Ⅱ類橡膠墊塊或聚四氟乙烯板。目前，針對拖拉式窄橋的墊塊參數(shù)研究較多，而對于寬橋步履式的研究較少，并且系統(tǒng)性研究還未看到。

2.2 橫向偏位

頂推施工中，由于頂推設(shè)備系統(tǒng)、工藝及環(huán)境等眾多復(fù)雜因素，梁體軸線必然偏離設(shè)計軸線。導(dǎo)致步履式頂推施工偏位的因素主要包括：(1)水平頂推合力作用線與梁體重心線不重合；(2)梁體縱向重心與橋中線不重合；(3)水平千斤頂出力不同步、不均勻等。橫向偏位過大，將導(dǎo)致梁體偏離頂推路線、受力不平衡而產(chǎn)生局部受力過大等狀況。《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》頂推施工中軸線偏位控制值為10 mm，過小的控制值會導(dǎo)致糾偏頻率增加，延長施工工期，增加施工成本。主梁發(fā)生偏位時，通常有兩種糾偏方式：一是移動主梁，通過步履式頂推的設(shè)備的橫向千斤頂調(diào)整主梁姿態(tài)；二是移動步履式頂推設(shè)備，使其中線與主梁頂推設(shè)計中線對齊來實現(xiàn)相對糾偏。

李向紅等對橫向偏移量進行了統(tǒng)計分析，結(jié)果表明：單次行程橫向偏移量具有隨機性，且呈正態(tài)分布；單次橫向偏移量和累積橫向偏移量有關(guān)。王金良等研究了橫向偏位對鋼桁梁內(nèi)力的影響，結(jié)果表明：整個頂推進程的中后期，桿件應(yīng)力對橫向偏位敏感程度較高。朱利明等認(rèn)為滿足安全落梁的最大橫向偏位距離可視為梁體最大橫向偏位值，并提出將橫向偏位閾值放寬至此值。

2.3 頂升不同步

每套步履式頂推設(shè)備由一個或多個豎向千斤頂組成，單個千斤頂正常工作的概率容易得到保證，但多個豎向千斤頂同時正常工作的概率大大降低，當(dāng)多套步履式頂推設(shè)備同時工作時，多支點豎向千斤頂頂升位移難以同步，并且步履式頂推設(shè)備對液壓和電氣的同步性的要求較高，頂推施工中很難達到理想的狀態(tài)。豎向千斤頂頂升位移不同步將導(dǎo)致頂升力在橫向上分配不合理，當(dāng)頂升力超過合理范圍時，梁體在支承區(qū)域處可能產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

趙凌志等以四滑道預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋為例，研究了支點高程對支點反力的影響，結(jié)果表明：中支點高程的降低，可以有效改善各支點反力的橫向分配。李傳習(xí)等認(rèn)為支點標(biāo)高的調(diào)整對反力影響較為敏感，支點標(biāo)高的控制精度宜設(shè)置在5 mm內(nèi)。

2.4 局部構(gòu)件的加強

鋼箱梁在頂推過程中支承位置不斷變化，梁體支承區(qū)域局部受力也十分復(fù)雜，因此加強鋼箱梁局部構(gòu)件有利于改善局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。

李新華通過改變主梁主要構(gòu)件厚度對鋼箱梁局部受力進行研究，結(jié)果表明：增加橫隔板和腹板厚度，可以減小主梁局部最大等效應(yīng)力，但此方法經(jīng)濟性較差；增加支承處縱向加勁肋，改善效果不如前兩種，但是經(jīng)濟性比較好；增大支承處橫肋和縱肋厚度，能有效改善鋼箱梁局部應(yīng)力，同時也比較經(jīng)濟。鄒宇認(rèn)為單一加固方式不能滿足頂推施工要求，當(dāng)同時增大角隅加勁、橫隔板及腹板厚度時，應(yīng)力滿足頂推施工要求，但經(jīng)濟性較差；使用混凝土進行局部加強時，能有效降低支承區(qū)域局部應(yīng)力，是比較經(jīng)濟可行的方案。

3 預(yù)應(yīng)力混凝土梁受力分析

目前，國內(nèi)外學(xué)者主要對預(yù)應(yīng)力混凝土梁拖拉式頂推施工進行了研究，主要集中在以下幾個方面：(1)混凝土梁與導(dǎo)梁連接段，此處是頂推過程的薄弱環(huán)節(jié)；(2)混凝土開裂，應(yīng)保證梁底接觸區(qū)域的高程，在預(yù)應(yīng)力布置方面，不但要考慮永久預(yù)應(yīng)力的布置還要考慮施工過程中的臨時預(yù)應(yīng)力布置，以克服頂推過程中主梁正負(fù)彎矩不斷變化導(dǎo)致的拉應(yīng)力。(3)箱梁的“爬行”；(4)混凝土梁的制造標(biāo)高、模板底標(biāo)高及臨時支座標(biāo)高是否滿足施工精度要求，施工精度對梁體的結(jié)構(gòu)尺寸、跨度設(shè)置、分段長度、經(jīng)濟性的影響；(5)溫度變化、支座脫空、梁體偏移等情況的發(fā)生。

周飛以富翅門大橋為工程背景，對采用步履式頂推施工的預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋遇到的問題進行了分析，詳細制定了針對性措施并提出優(yōu)化方案。

4 頂推施工控制

頂推施工控制是以設(shè)計成橋狀態(tài)為目標(biāo)，對施工過程中受到的諸多確定因素(如梁體結(jié)構(gòu)、施工精度、導(dǎo)梁參數(shù)等)和不定因素(如溫度、風(fēng)荷載等)的影響，進行參數(shù)修正，確保整體結(jié)構(gòu)滿足成橋后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)及主梁線形符合設(shè)計要求。頂推施工主要控制主梁線形、結(jié)構(gòu)應(yīng)力及頂推墩的穩(wěn)定性，并以線形控制為主，應(yīng)力和墩的穩(wěn)定性控制為輔。

4.1 上部結(jié)構(gòu)控制

主要控制梁體的線形和應(yīng)力在合理的范圍內(nèi)。線形的監(jiān)測通常采用全站儀測量，能夠反映頂推過程中線形要求的影響因素有主梁標(biāo)高和橫向偏位。應(yīng)力的監(jiān)測采用振弦式應(yīng)變計，鋼箱梁多為粘貼式，預(yù)應(yīng)力混凝土及混凝土梁一般為埋入式，安裝位置為梁體主要受力位置(即梁體頂板及底板)。

頂推施工中，梁體線形分為兩種：(1)梁底線形呈直線；(2)控制點標(biāo)高處在不同曲率上。預(yù)拱度的設(shè)置、環(huán)境影響及施工精度等因素使得對橋梁的線形控制更為嚴(yán)格。董創(chuàng)文等提出無應(yīng)力線形基準(zhǔn)與即時相位的概念，基于相位變化及高程偏差，提出了梁底標(biāo)高的計算方法并給出具體公式。林建平等在頂推施工中，基于傳遞矩陣法對梁體線形進行預(yù)測與控制，取得了較好的效果。李傳習(xí)等基于相位變換，提出確定梁體無應(yīng)力線形的方法。結(jié)果表明：頂推就位的理論線形與實測線形契合較好。目前，在頂推施工中梁體線形的控制研究，主要針對某一橋型，通用性不強。

應(yīng)力監(jiān)測也是頂推施工中重要項目之一，它既可以評估施工過程中梁體實際受力情況，也能起到安全預(yù)警的作用。在不利工況下，各控制截面應(yīng)力是否與理論值相吻合，結(jié)構(gòu)是否處于安全狀態(tài)，都是施工控制的關(guān)鍵。

4.2 下部結(jié)構(gòu)控制

下部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性直接影響上部結(jié)構(gòu)安全，從頂推施工控制角度來看，橋梁下部結(jié)構(gòu)監(jiān)控主要集中在：(1)頂推墩支反力；(2)墩頂位移；(3)不均勻沉降。其中頂推墩支反力的監(jiān)測主要有：(1)通過步履式頂推設(shè)備的表顯壓力換算出頂推墩支反力；(2)設(shè)置壓力傳感器，直接測出頂推墩支反力；(3)頂推墩粘貼應(yīng)變傳感器，通過應(yīng)變增量計算出頂推墩支反力。目前最常用的方法為前兩種，可以有效反映頂推墩支反力。頂推墩位移的監(jiān)測一般采用全站儀和百分表，全站儀可以很好的對頂推墩的位移進行監(jiān)測，如果頂推墩數(shù)量較多且障礙物遮擋可視點時，可采用百分表。

4.3 多參數(shù)容限動態(tài)控制

僅對單一參數(shù)進行施工控制已經(jīng)不能全面反映整個頂推過程中所遇到的復(fù)雜情況，而影響鋼箱梁安全的主要參數(shù)包括：橫向偏位；頂升不同步；頂推墩支反力；墩頂位移等。影響預(yù)應(yīng)力混凝土梁或混凝土梁安全的主要參數(shù)包括：(1)橫向偏位；(2)頂升不同步；(3)溫度等。如何對這些參數(shù)進行關(guān)聯(lián)性研究，提出頂推過程中多參數(shù)容限動態(tài)控制限值范圍，以指導(dǎo)整個鋼箱頂推施工，確保整個頂推施工過程中結(jié)構(gòu)安全，還未看到相關(guān)研究。

5 結(jié) 論

(1)簡要總結(jié)了步履式頂推施工的特點，通過對步履式與拖拉式進行對比，認(rèn)為從設(shè)備的性能、可控性、梁體結(jié)構(gòu)的安全以及頂推墩受力等方面優(yōu)于拖拉式，但拖拉式在施工成本和進度方面優(yōu)于步履式，兩種施工工藝的選擇應(yīng)根據(jù)具體工程特點綜合考慮。針對步履式頂推設(shè)備進行了綜述，步履式頂推設(shè)備機械化程度比較高，同時對千斤頂正常工作的分布概率也提出了更高要求，這涉及交叉學(xué)科，還需在該方面開展相關(guān)研究。

(2)2010年步履式頂推法首次在杭州九堡大橋運用，也是首次在鋼箱梁施工中運用。近幾年逐步投入到鋼混結(jié)合梁、預(yù)應(yīng)力混凝土梁的建設(shè)中，而鋼箱梁的局部受力和穩(wěn)定性是頂推施工中需要重點考慮的關(guān)鍵問題，隨著我國步履式頂推施工研究的深入，鋼箱梁的局部受力分析取得了一定成果。但受限于鋼箱梁細部結(jié)構(gòu)形式、頂推施工工藝、材料的參數(shù)、環(huán)境因素以及施工精度等的不同，鋼箱梁的局部受力狀態(tài)的分析也有著較大的差異，以后可展開該方向相關(guān)的研究工作。目前也看到少量關(guān)于預(yù)應(yīng)力混凝土橋步履式頂推的案例，但實際效果還有待進一步研究和驗證。

(3)現(xiàn)有研究文獻與工程案例中，關(guān)于步履式頂推施工控制，對所涉及的重要參數(shù)進行關(guān)聯(lián)性研究，提出多參數(shù)動態(tài)容限控制，還未看到相關(guān)文獻資料及成果，是當(dāng)前施工控制的一個重要研究方向。