大跨度变轴线钢箱梁步履式顶推施工工艺

大跨度变轴线钢箱梁步履式顶推施工工艺
汪涛;李业勋;徐小怀;莫亚思
【摘要】基于昭华大桥大跨度变轴线钢箱梁步履式顶推施工工艺研究,采用sap 2000有限元校核临时墩安全系数为1.78,前导梁最前端下挠为-1233 mm,满足设计要求;结合BL720步履式顶推设备,制定了悬索桥大跨度钢箱梁步履式顶推施工工艺流程,并自主开发钢箱梁顶推过程位移自动化监控系统,对顶推完成后不同温度下钢箱梁总长进行了监控,钢箱梁在不同温度下的伸缩量和温度承对数关系变化,为后续钢箱梁合拢提供了数据支持.
【期刊名称】《港工技术》
【年(卷),期】2019(056)003
【总页数】6页(P77-82)
【关键词】大跨度;变轴线钢箱梁;步履式顶推;自动化监控
【作者】汪涛;李业勋;徐小怀;莫亚思
【作者单位】中交三航局第二工程有限公司,上海 200122;中交三航局第二工程有限公司,上海 200122;中船第九设计研究院工程有限公司,上海 200063;中交三航局第二工程有限公司,上海 200122
【正文语种】中文
【中图分类】U445.4
引言
顶推施工技术广泛应用于索桥以及连续梁桥的建设[1]，佛山平胜大桥[2]、武汉沙
湖南环路跨楚河桥[3]、福州鼓山大桥[4]和蚌埠淮河公路桥[5]均采用顶推方式施工。

昭华湘江大桥主桥为168 m+228 m独塔自锚式悬索桥，主跨采用钢箱梁，其中
昭山侧长度168 m，九华侧长度228 m，总长396 m，分37个节段，标准节段
长10.8 m，重255 t。

钢箱梁平面线形由直线段向圆弧段过渡，垂直线形为中间
高两端低的圆弧形。

0#～28#分段为直线段，29#～36#分段为圆弧段，圆弧段通过分段顶、底板张口大小来调整。

因昭华大桥主跨为湘江二级航道，所以钢箱梁施工计划采用步履式顶推施工工艺。

昭华大桥具有桥面宽度大、顶推墩跨度要求高、箱梁轴线复杂等特点。

本文重点对钢箱顶推方案、临时墩设计及施工控制进行研究，确定大跨度钢箱梁步履式顶推施工工艺及过程受力分析，为后续类似工程提供参考。

图1 昭华湘江大桥示意
1 顶推准备
1.1 组装平台
顶推平台位于桥梁轴线方向，地面采用水稳层，高程50.18 m，承载力10 t/m²。

现场进场道路宽度不小于55 m，地面坡度不大于3 %，路面硬化后满足两台150 t液压平板车满载行走。

组装胎架的西侧设置工程车辆进出通道，道路宽度8 m，允许100 t汽车吊以及运输平板车出入。

东侧设置配电站，配置用电容量为800 kV·A，以满足安装和顶推用电需要。

图2 顶推平台平面布置示意
1.2 组装胎架
为满足钢箱梁顶推施工要求，平台上搭设可以满足3个分段组装的现场胎架，胎
架采用支架+支模形式，支架底部采用路基板以分散对路面的压力。

第一道顶推设备及支撑点D1位于29号墩位，支撑点可承载800 t，胎架支架可支撑70 t，胎
架支撑分段模板顶面距离地面高度2～2.3 m，以满足平板车进出和定位放置分段
要求。

图3 现场总装胎架示意
1.3 前、后导梁
前导梁长度60 m（10 m起坡段），采用实腹截面与桁架结合的方案，前端30 m 为桁架结构，后端30 m为双翼缘板实腹结构，两榀桁架之间由单片桁架和支撑组成，后端部与大桥钢箱梁1#分段刚性连接。

后导梁长度40 m，采用实腹截面与
桁架结合的方案，尾端25.3 m为桁架结构，前端15 m为双翼缘板实腹结构，中间由单榀桁架和支撑组成，前端部与钢箱梁36#钢混结合段刚性连接。

图4 导梁结构示意
1.4 顶推设备
本桥钢箱梁顶推采用步履式顶推设备（BL720），一套顶推设备包括机械结构系统、液压系统、电控系统（电气、控制、传感器）。

接卸系统主要包括上部滑移结构、顶升支撑油缸、顶推移动油缸、横向调整油缸，通过计算机控制和液压驱动来实现组合和顺序动作，以满足施工要求。

BL720步履式顶推设备单次抬升250 mm、前移300 mm、侧移50 mm，功率
55 kW/组泵站，全桥共采用步履式顶推设备34套，通过组合动作实现钢箱梁在
顺桥向、竖向、横桥向分别进行移动、顶升或调整，从而保证钢箱梁顶推施工完成后的全桥线型。

2 顶推临时墩
顶推施工共9组18个临时墩，最大墩距为75 m，最小墩距为49.2 m。

临时墩分为5种结构型式：D1为岸上临时墩，为混凝土扩大基础；D3利用27号墩台；
D2、D7、D8为6桩临时墩；D4～D6为9桩临时墩；D9为4桩临时墩。

钢管
桩采用φ1 000×14钢管，平联、斜撑采用40双拼槽钢。

图5 顶推临时墩布置示意
图6 顶推平台结构示意
昭华大桥横跨湘江，为湘江内河二级航道，按照《内河通航标准》（GB 50139-2013）表3.0.2-1规定：单线航道宽度为70 m。

因此，昭华大桥钢箱梁D4～D5顶推临时墩中心设计宽度均为75.0 m，超过了常规60.0 m的顶推宽度，需要验
算顶推过程中临时墩受力和钢箱梁结构变形。

采用sap 2000(v16.1.0)程序的空间杆系有限元方法对临时墩设计进行校核，其中，钢箱梁、导梁结构杆件采用Frame单元。

2.1 支反力验算
利用sap 2000模型计算钢箱梁顶推过程中各临时墩最大支反力，为确保计算精度，每顶推5 m进行一次计算，计算结果表明：最大支反力为D5临时墩，支反力为
7 596 kN，部分计算结果见表1。

表1 钢箱梁顶推过程中各临时墩最大承载力位置/m D1/kN D2/kN D3/kN
D4/kN D5/kN D6/kN D7/kN D8/kN D9/kN最大应力比90 2 3043 761234 0.3 1202 7715 3691 120 0.59 1503 0095 6233 300290 0.22 1653 8203 8564 428486 0.54 1804 5144 8594 9521 266 0.59 2104 6325 0354 6864 200 0.76 2405 5574 7724 4236 014749 0.55 2652 3145 8334 2786 8742 416 0.84 2705 8814 5094 6006 6312 856 0.59 3002 0835 5674 7835 8576 187 0.76 3302 8115 4274 7295 9217 341 1 208 0.8 3504 3394 9544 6986 0527 596 2 760 0.6 3603 0775 3934 5046 1837 520 3 723 0.74 3903 9875 1184 5296 1437 369 5 629 587 0.54 4204 7614 8334 5796 0377 407 6 195 2 828 0.83 4501 3475 7034 3785 9097 551 6 696 4 931 824 0.69 460 5 8683 4806 1127 452 6 049 5 239 1 440 0.83 480 3 9114 8525 8437 397 6 152 5 291 3 193 0.83 510 9035 2855 6677 270 6 354 4 981 5 3518280.74 515 5 4244
8857 353 6 364 4 952 5 5471 1140.83 520 5 6155 2917 272 6 384 4 957 5 6671 4550.83 530 4 1555 9117 188 6 323 5 050 5 7442 2700.83到位 2 5486 3427 146 6 241 5 162 5 5593 6020.76最大值5 8815 8685 6156 8747 596 6 696 5 291 5 7443 6020.84
从表1可以看出：当顶推位置为350 m，D5临时墩钢箱梁支反力最大为7 596 kN，其次为D4和D6分别为6 874 kN和6 696 kN。

考虑到受力和顶推跨度，D4、D5和D6采用9桩结构，D1、D2、D3、D7和D8采用6桩结构，D9受力较小采用4桩结构，钢管桩嵌岩深度均为8 m，设计承载力为750 kN，以9桩平台为例设计承载力为13 500 kN，D5临时墩最大受力为7 596 kN，安全系数为1.78，临时墩支反力满足施工要求。

2.2 水平力验算
1）数值计算
D4临时墩河床面以上高度最大为40.2 m（见图7），桩基嵌岩深度为8.0 m，顺桥向桩间距为3.6 m，钢管桩采用φ1 000×14钢管。

计算结果表明：结构最大应力比为0.84＜1，结构变形为138 mm，最大桩反力为7 596 kN，在设备工作时考虑5 %水平力为380 kN，则安全系数为为5.64，满足施工要求。

图7 临时顶推墩结构应力和变形
2）规范计算
根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）第5.7.2条：水平位移控制，缺少水平静载试验资料时，可按下式估算钢桩单桩水平承载力特征值Rha。

式中：Rha为单桩水平承载力特征值（kN）；a为桩的水平变形系数；EI为桩身抗弯刚度；vx为桩身水平位移系数；xoa为桩顶允许水平位移。

根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）第5.7.3条计算群桩水平力Rh：
式中：Rh为群桩基础的桩基水平承载力特征值（kN）；hη为群桩综合效应系数。

临时墩水平抗力计算值为1 041.8 kN，安全系数为2.74，满足施工要求。

2.3 结构变形验算
利用sap 2000模型计算钢箱梁顶推过程中（以安装4#、5#、6#钢箱梁时为起始位置）最大结构变形，计算结果表明：过程中最大支反力出现在即将上墩D5时，前导梁最大下挠-1 233 mm，根据钢结构受力计算，满足设计要求。

3 顶推施工
3.1 总体控制
根据顶推总体设计，每三个分段为一个顶推轮次。

从1#分段到36#分段总共有15个顶推轮次。

顶推沿桥纵向共设有9组顶推平台，平台之间最大间距为75 m，最小间距为49.2 m。

沿桥横向每组设两个顶推平台，总共18个顶推平台。

每组平
台设一套液压泵站，支持2～4套顶推设备工作。

最多同时有8组泵站同时工作，每组泵站功率55 kW，全桥顶推时最大输入功率需要440 kW。

钢箱梁从九华侧29#墩到昭山侧25#墩，总顶推距离为482.88 m。

顶推过程中通过顶推位移和顶推力进行双控，以顶推位移为主。

3.2 顶推步骤
步骤1：在平台位置安装前导梁和分段1#～3#，组成第一轮顶推结构。

前导梁在初始位置完成安装，此时重量G0=160.2 t，重心位置在顶推设备D0、D1/2之间。

图8 前导梁初始安装位置
利用顶推设备D0、D1/2，将前导梁向昭山方向顶推12.656 m，达到顶推位置1，然后用平板车安装分段1#。

此时重量变为G1=294.8 t，重心位置保持在顶推设
备D0、D1/2之间。

图9 前导梁安装位置1
图10 前导梁安装位置2
利用顶推设备D0、D1、D1/2，继续将前导梁向昭山方向顶推19.11 m，达到顶
推位置2，此时重心G1前移到顶推设备D1、D2之间。

顶推工作转移到主顶推油缸D1、D2。

利用顶推设备D1、D2，继续将前导梁向昭山方向顶推3.99 m，达到顶推位置3，然后用平板车安装分段2#。

此时重量变为G2=492.1 t，重心位置保持在顶推设
备D1、D2间。

利用顶推设备D1、D2，继续将前导梁向昭山方向顶推10.799 m，达到顶推位置4，然后用平板车安装分段3#。

此时重量变为G3=689.4 t，重心位置保持在顶推设备D1、D2间。

图11 前导梁安装位置4
利用顶推设备D1、D2，继续将前导梁向昭山方向顶推10.8 m，达到顶推位置5，即分段顶推基准位置。

检查前导梁和1#～3#分段顶推到位情况，无误后顶升D1、D2油缸。

步骤2：第一轮顶推结构推出拼装平台，继续拼装4#～6#分段，形成第二轮顶推结构，以下每一轮顶推结构增加3个分段。

步骤3：继续顶推后安装7#～9#、10#～12#......，直到34#～36#分段第12轮
顶推结构，此时所有顶推分段组装已经完成。

步骤4：等36#分段顶推出平台位置后，安装后导梁结构。

步骤5：继续连续顶推直到分段达到设计位置，这里设计位置为15#分段（E梁段）的桥底板支座中心线对齐26墩桥塔横梁支座中心线位置。

钢箱梁预焊的调平钢板到主塔横梁之间距离652 mm，支座暂不安装，待钢箱梁顶推完成后方可安装。

步骤6：调整墩台上竖向千斤顶，对钢箱梁纵向线形进行调整，调整到位后收缩千
斤顶油缸将钢箱梁落到墩台上，完成全部顶推工作。

4 顶推线形控制
钢箱梁顶推施工过程中，应密切观测钢箱梁的线形。

钢箱梁的横向线形控制主要通过横向调节油缸进行控制，竖向线形控制主要通过顶推设备中的竖向千斤顶完成。

4.1 现场拼装精度
现场拼装是做好同样做好符合线形的胎架，钢箱梁节段以工厂预拼装为基础，待液压平板车将钢箱梁节段运输至指定位置后使用螺旋机械顶和手拉葫芦将相邻节段调整到位，按照规范要求沿着对接缝每300 mm安装一块马板进行定位，控制焊接时的热变形并消除钢箱梁节段的自由边在运输过程中产生的微小变形。

焊接时考虑焊缝的收缩量，根据双V对接焊缝横向收缩近公式：
式中：Y为焊接横向量；X为板材厚度。

通过公式（1）计算得到焊接收缩量约为15 mm，故在焊接时留有15 mm的余量。

通过以上拼装工艺措施，可以保证钢箱梁节段拼装的精度。

4.2 轴线监控
在钢箱梁前端和尾端顶面设中线偏移监测点，顶推过程中连续观测，在钢箱梁中轴线的前部、中部和尾部设置GPS观测点，在钢箱梁顶推过程中动态观测钢箱梁的轴线偏差，若钢箱梁周线偏达到10.0 cm，测量员发出警报进行纠偏。

施工现场除了按照测量提供的中心偏位数据外，每个点安排有一名设备监控人员，每个监控人员在现场相对固定点做好标记，并在每个行程结束后报告该点的梁边实际偏位，同步顶推过程中，如果某点的实际偏位超过10.0 cm，则结合该点的相邻点的偏位情况，利用顶推设备的纠偏油缸进行梁体纠偏。

图12 钢箱梁顶推自动化监控界面
每日顶推完成后，测量配合提供桥梁实际偏位状况，次日顶推前进行调整，并告知
每个点的实际偏位，监控人员做好初值记录，便于当日判断梁体偏位情况。

施工监测表明：钢箱梁最终落梁水平偏差为5 mm，临时墩位置高程偏差为8 mm
4.3 偏差措施
施工过程中若出现梁段整体的中线偏差，则暂停进行顶推施工，利用每个墩顶的顶推设备上设置的4个横向调节油缸进行纠偏。

纠偏工作分为4步：①在设备脱空的情况下将上部滑移梁转移到偏移的一方；②进行同步顶升，直到钢箱梁脱离临时垫梁；将另一侧的导向约束去除；③开始利用横向调整油缸进行调整；④同步下降到底，然后回到初始状态。

4.4 合拢控制
自锚式悬索桥的锚固段和钢箱梁之间为钢混结合段，温度对钢箱梁长度影响不容忽视，温差会使钢箱梁和混凝土产生热胀冷缩现象，但是钢箱梁和混凝土的收缩量不同，会导致钢混结合段产生拉裂纹。

钢箱梁完成顶推后，在同一时间点，测量不同温度下钢箱梁总长，计算伸长量。

图13 钢箱梁伸长量和温度变化的影响
表2 不同温度下钢箱梁伸长量温度/℃ 伸长量/mm 13 24 14 31 16 43 17 50 18 43 19 47 20 58 22 63 23 84 24 100 26 105 27 124
测量结果表明：钢箱梁的总伸长量和温度承对数关系，根据测量数据结果，进行曲线拟合，得出其方程式为：
式中：y为钢箱梁伸长量（mm）；x为气温（℃）。

在钢混结合段混凝土浇筑前，必须先测量对接现场的实际温度，利用拟合公式计算出钢箱梁昼夜温差下产生的收缩量，并计算出除内应力，采用相应的锚固措施和混凝土箱梁结合在一起，避免钢混结合段不产生拉裂缝。

5 结语
通过对大跨度变轴线钢箱梁步履式顶推施工中临时墩设计校核、钢箱梁顶推过程自动化监控和监测，确保了钢箱梁顶推施工的线型和高程得出以下结论：
1）结合施工工况和环境条件，确定了陆上拼装和顶推的施工方案，节省了成本和工期；
2）进行了临时顶推墩和前后导梁设计，采用sap 2000有限元校核临时墩安全系数为1.78，过程中结构最大变形为-1 233 mm，满足设计要求；
3）结合BL720步履式顶推设备，制定了悬索桥大跨度钢箱梁步履式顶推、纠偏施工工艺；
4）自主开发钢箱梁顶推过程位移自动化监控系统，钢箱梁顶推偏量小于10 cm，最终落梁水平偏差为5 mm，临时墩位置高程偏差为8 mm；
5）对顶推不同温度下钢箱梁总长进行了监控，钢箱梁的伸缩量和温度承对数关系变化，为后续钢箱梁合拢提供了数据支持。

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