谈小半径变截面钢箱梁顶推技术

1. 工程概述
　　北京市通惠河北路道路工程Z3匝道跨越通惠河连续钢箱梁桥，桥址位于北京市护城河北岸与通惠河北岸之间，其中跨越通惠河处Z3匝道（62.5+70+62.5）m连续钢箱梁采用2.7~3.7m（线路中心线处顶板顶到底板顶高度）变高梁。墩编号从10号到13号，钢箱梁设计共分11段，长度15.5~24m不等，其中ZL1~ZL8段位于半径为260.25m的平曲线上，ZL9~ZL11段位于缓和曲线上，纵坡均为4%.
　　钢箱梁截面形式采用单箱单室直腹板的截面形式，钢箱梁顶板宽采用9.0 m,钢箱梁腹板中心距采用5.0 m.工厂制造时分箱室和悬臂板分别制造，工地分段接长，采用顶推法进行安装施工。
　　2. 施工方案
　　钢箱梁采用工厂分段、分片制造，运到现场吊装；分段、分片之间工地螺栓连接或焊接。由于该联箱梁为变截面箱梁，梁底最大高差为1m.顶推法施工适宜于在直线或同一曲率的曲线上进行，根据该桥实际情况，ZL1~ZL8段采用顶推法施工，ZL9~ZL11段采用原位拼装施工。顶推法施工的ZL1~ZL8段钢箱梁为变高度箱梁，梁底不在一个平面上，为适应顶推施工需要，梁底采用补齐杆件将滑道部分垫平为同一高度。
　　梁段预拼好后采用两台龙门吊机起吊至台座上进行拼装，拼装一定长度后，采用连续顶推千斤顶由北向南顶推。待ZL1~ZL8号梁段顶推到位后，原位拼装剩余梁段。
　　临 时墩按曲线布置，顶推部分箱梁基本位于圆曲线上，临时墩布置于孔跨范围内。根据设计划分的箱梁分段位置，每顶进一定距离，需拼装后续箱梁，确保箱梁顶进过 程中的抗倾覆稳定系数满足要求。由于该联为上坡顶进，且坡度较大，临时墩及永久墩承受较大水平推力，对于临时墩可采用设置钢绞线抵抗部分水平推力，对于永 久墩亦需采用钢铰线将各墩串联。
　　Z3匝道顶推 ZL1~ZL8段，长度为141.15m,梁段自重为832.8吨。考虑梁底补齐杆件1吨/m,人员机具等临时荷载0.4吨/m.最大顶推重量为1030.41吨。
　　根据临时墩布置情况，该联顶推最大跨度为27.5m,最大悬臂挠度为99㎜。顶推跨数为7跨（不包含台座），即梁端在顶推过程中需要7次上墩。由于该联所跨桥墩墩顶和滑道纵桥向均有台阶，可放置千斤顶上顶梁端，所以该联钢梁不设鼻梁。
　　10#墩为异型墩，且墩高比11#、12#高1m（相对上滑道面）。由于10#墩为该联边墩，墩顶不设滑道，钢梁在上10墩前拆除梁端部分梁底补齐杆件，使钢梁在10#墩直接悬空上墩。
　　顶推到位后，采用千斤顶将该联钢梁落梁至设计标高。在需要拼装的梁段接缝处搭设临时墩，用龙门吊吊装剩余梁段，进行原位拼装。
　　3. 主要施工设施
　　3.1. 补齐杆件设置
　　为了减少补齐杆件加工数量，梁底补齐杆件由楔形垫块和八三墩构成。楔形块顶面线形与梁底线形一致，底面为台阶式。楔形垫块为槽型结构，上下盖板20㎝宽，在隔板处加宽为40㎝，用螺栓与梁低连接。底板用螺栓与八三墩相连。
　　3.2. 拼装平台和临时墩
　　拼装台座和临时墩平面上按曲线布置，台座顶面标高按直坡控制，台座以3个间隔式临时墩组成（考虑到施工方便，台座临时墩和孔跨临时墩统一编号），拼装头两节梁段时利用12#墩和3个临时墩进行纵向连接，以后每个梁段放在台座三个支墩上进行纵向连接作业。因最大悬臂控制（按27.5m考虑），河中需设临时墩2个，距离11#墩27.5m处和距离10#墩10m处各设置临时墩一个，河中临时墩基础为钢管桩基础。墩身采用八三式军用墩搭设，每个支墩立柱按3m×5.25m布置。
　　3.3. 滑道和滑板
　　在永久墩与临时墩上，应设置顶推用的滑动支承装置。永久墩上由钢筋混凝土垫块、下滑道、上滑块等组成。临时墩上由型钢平台、斜形混凝土块、下滑道、上滑块等组成。各墩顶设左右两列滑道，跨河变截面梁顶推滑道中心间距为4.75m.
　　3.3.1 下滑道支承平台，永久墩为钢筋混凝土垫块；钢筋混凝土垫块外包钢板，板厚10㎜。临时墩为八三墩平台，平台上通过钢包箍混凝土垫块调整为4%的坡度。钢筋混凝土垫块其厚度应满足安放滑道、调整墩台变坡和更换永久支座的净空要求，其平面要平整。永久墩钢筋混凝土垫块宽600㎜，纵桥向长1700㎜。左右垫块中心间距为4750㎜。垫块混凝土强度为C40砼。灌注垫块混凝土时用塑料薄膜铺设在桥墩上，钢梁顶推到位后便于垫块的拆除。下滑道是由20㎜钢板并加1mm厚不锈钢的贴面构成，滑道宽500㎜（与楔形垫块和滑块尺寸相配合），其每块滑道板长度850㎜（有效长度800㎜），每个下滑道按2块长度布置。桥墩和临时墩最大支承反力514吨，考虑1.2的偏载系数，上滑道按20㎝宽布置。下滑道中心间距为4750㎜。滑道压应力（514000÷2）×1.2/（20×80×2）=9.64Mpa.
　　3.3.2. 滑块是由氯丁橡胶（其中夹粘2块厚2mm钢板）粘结厚为2mm聚四氯乙烯板构成。其平面尺寸一般为400mm×200mm,厚度11mm.滑块在顶推过程中前后倒用。滑块最大压应力同滑道压应力为9.64Mpa.
　　3.4. 顶推装置
　　3.4.1 顶推力计算和顶推千斤顶布置
　　按前8段全部拼装完进行顶推，根据公式H=K×G×（f+ I），K为安全系数，一般取K=1.2~1.5;G为顶推箱梁总重为1030.41吨，f为滑道摩擦系数，一般取f=0.1;I为顶推箱梁的设计坡度为0.04,安全系数K取1.2;得H=1.2×【1030.41×（0.1+0.04）】=173.1吨，故采用ZLD100型连续顶推千斤顶两台。
　　通过计算，该联最大顶推力为173.1吨，11#、12#墩顶各安装1台ZDL100型顶推千斤顶。其中12#墩承受最大水平力100吨，11#墩承受最大水平力73.1吨，顶推时通过油压来控制各墩的千斤顶最大顶推力。顶推千斤顶安装在钢托架上，钢托架用精轧螺纹钢和桥墩锚固。
　　3.4.2. 拉锚器和牵引装置
　　拉锚器设置在梁底接头处，考虑到施工方便，拉锚器安装在梁底拼接板上，拉锚器和拉杆要确保其强度满足要求，拉锚器采用夹片式锚具，锚具是钢绞线束的固定装置，采用OVM15-7型锚具，钢绞线束一端同顶推千斤顶连接，另一端固定在拉锚器上，采用抗拉强度1860Mpa的6-7φ5钢绞线。拉锚器和钢绞线安装好后，要进行预紧，以保证顶推过程中钢绞线受力均匀。
　　限位和纠偏装置及顶推轨迹
　　为防止箱梁在顶推过程中出现过大的偏斜，在11#、12#桥墩与各临时墩上均安装导向装置，限制箱梁的横向移动。本桥导向装置为滚轮式。导向和纠偏工作均在箱梁滑行过程中进行。临时墩上导向装置采用螺栓固定在滑道平台上，永久桥墩上，导向装置焊接在滑道垫块上。
　　通过横向限位装置，使钢箱梁按照圆曲线向前滑移，滑移轨迹为圆曲线。
　　安装横向限位装置时，预留一定间隙，圆曲线顶推过程中预留10㎜的间隙，使钢梁横向偏移量控制在10㎜内。
　　钢箱梁纠偏拟采用动态纠偏为主，静态纠偏为辅的方法。动态纠偏即在钢梁顶推过程中采用塞木楔使钢梁逐渐复位；静态纠偏即在钢梁静止状态下采用200吨千斤顶横向顶推纠偏。
　　4. 钢梁施工步骤
　　第1步：组拼L1至L8临时墩，形成拼装台座，在台座上拼装ZL1、ZL2号梁段。
　　第二步：顶推10m,在台座上拼装ZL3号梁段。
　　第三步：顶推16.5m,拼装ZL4号梁段。
　　第四步：顶推17.5m,拼装ZL5号梁段。
　　第五步：顶推20.25m,拼装ZL6号梁段。
　　第六步：顶推13.75m,拼装ZL7号梁段。
　　第七步：顶推20.25m,拼装ZL8号梁段。
　　第八步：顶推17.5m到位，拆除梁底楔型块及临时墩L4~L8,落梁致支座上，组拼临时墩L9,后拼装ZL9、ZL10、ZL11号梁段。
　　按设计要求各支点相对高差不超过2㎝，每个桥墩每次下落按1㎝进行控制。具体操作如下：10#下降1㎝——11#下降1㎝——12#下降1㎝——13#下降2㎝——12#下降1㎝——11#下降1㎝——10#下降2㎝——11#下降1㎝——循环下落，直到落到设计标高，支座完全受力。测试并调整梁体线形达到设计和规范要求，锚固支座。
严格遵守千斤顶技术规则，起重不超过起重能力，每次起高量不超过活塞高度的四分之三。操作时统一指挥，统一行动。在落梁过程中要使梁的脱空距离保持在1.5cm内，严禁两墩同时落梁，通过控制进油压力来确保每个桥墩2台320吨千斤顶受力均匀，且落梁速度一定不要太快，并要均匀下落。随同千斤顶顶升、回缩和落梁垫块的拆除进行随时测量，确保梁底高差控制在设计范围内。
　　5. 计算分析
　　5.1. 计算工况选择
　　根据上面的分析，选择以下工况作为计算分析依据：
　　第一种工况：拼装6、7号梁段后，顶推到最大悬臂状态，使梁体呈最大悬臂，并且也是11#永久性墩相邻两跨最大最不利的受力状态；
　　第二种工况：拼装8号梁段后，顶推到最大悬臂状态，是临时墩相邻两跨最大最不利的受力状态，也是梁体呈较大悬臂状态；
　　第三种工况：落梁状态，考虑支座的不均匀沉降对梁体的影响，分别按相邻支座相对沉降1cm进行计算；
　　5.2. 有限元建立及相关参数
　　采用大型有限元软件ANSYS建立曲线钢箱梁的空间有限元模型，对钢梁顶推全过程进行数值分析。单元采用板单元，共划分约18万个单元，充分考虑了横隔板和加劲肋等构造。
　　模型的整体坐标系方向规定如下：Z方向为沿梁高的竖直方向，XY平面与水平面平行，其中以通过平分钢梁圆弧中点的径向为Y方向，X方向与Y方向垂直。
　　5.3. 顶推过程各墩支反力

　　5.4. 落梁过程各墩支反力（kN）

　　6. 顶推过程简介
　　顶推施工时，ZL1~ZL5段用12#墩上一个ZLD连续顶推千斤顶施顶，拼装完ZL6、ZL7、ZL8后，采用11#、12#墩两个ZLD连续顶推千斤顶施顶，当顶推过程中发生横向偏移时，导向轮与钢梁之间塞木楔，并在移动过程中通过各墩顶安装采用手拉葫芦辅助纠偏。顶推过程中，每个墩顶滑道处左右共4人倒换上滑块，当拉锚器靠近千斤顶不能继续顶推时，把拉锚器拆移到下一个接头处。由于钢梁自重挠度的影响，钢梁前端梁底标高低于滑道标高。待钢梁端头接近前方桥墩下滑道时，停止行走。用两台85吨千斤顶，在梁端下方打顶，千斤顶上设置滑块，将千斤顶起高至上滑道面高于下滑道面时，锁定千斤顶。继续顶推使梁端滑移到滑道上，停止前进，卸掉千斤顶，然后继续顶推，直至顶推到设计位置。
　　7. 总结
　　通过精心设计、充分准备，使施工方案不断优化，在施工过程中要严格控制滑道顶面的标高误差，保证滑道表面的光洁度和清洁，合理控制顶推拖拉速度和横向偏移，将能使顶推顺利进行。
　　随着国民经济的发展，在城市桥梁建设中，顶推法施工在桥梁施工中仍将占有相当的比例。通过不断总结经验，优化设计方案，降低工程成本，顶推施工将有广阔的应用前景。

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