顶推法施工从技术要求、环境和施工过程的控制上均与支架法、吊装法以及悬臂浇筑法有较大差异^[1]。施工过程根据不同的施工方法有不同的研究方式, 由于顶推法施工原理的特殊性, 对其施工过程的研究也和其他施工方式有所差异。支架法施工不需要大量的吊装设备, 但是需要大量的模板以及对场地有一定的要求, 而且在山区桥梁上使用较为有限。悬臂法施工也有其优点, 如不需要用到较多的施工临时设备, 对航运干扰性较小, 而且不受一年四季气候变化的影响, 但是有明显的局限性, 梁体不能与墩柱平行施工, 而且工期较长, 施工精度控制难度大。相比较而言, 顶推法施工具有较大优势, 如使用的工 (机) 具较少、跨越江河的能力强以及施工质量能够得到保证等, 目前以钢桁梁为主梁的桥梁施工中, 应用较为普遍^[2,3]。常见的顶推法有拖拉式和步履式2种^[4,5], 后者在桥梁顶推施工中的应用越来越多, 集顶升-平移 (纵向) -横移于一体, 实现桥梁竖向、顺桥向、横桥向移动和微调纠偏以及保证桥梁坡度线形^[6]。而临时结构的设置^[7], 加大了顶推施工桥梁的跨度, 是顶推施工工艺的又一次革新。但临时墩标高设置、梁体施工精度控制以及局部稳定性是无法回避的问题。

以某高速铁路大跨简支钢桁梁步履式顶推施工为背景, 采用改进的步履式顶推施工工艺, 阐述了钢桁梁杆件拼装^[7,8,9]的精度控制问题, 并且说明了传统的步履式顶推施工工艺在大跨钢桁梁顶推施工中存在的局限性, 分析了改进的步履式顶推施工关键技术及其施工精度控制的重难点, 在钢桁梁施工过程中采用改进的步履式顶推法施工能较好地解决施工过程中的精细控制问题。

漠阳江特大桥位于广东省阳江市, 是广东省重要的交通枢纽控制性工程, 桥梁全长8.05km。主桥为一跨134m简支下承式钢桁梁, 斜跨漠阳江, 河流与设计路线大里程夹角68°, 计算跨径为134m, 主梁全长136.6m。钢桁梁主要由主桁、连接系、主桁架下横梁和下平联以及其他附属结构组成, 如图1所示。主桁之间的连接方式为焊接节点, 可以增加结构的整体刚度。通过节点外四面拼接的方式连接箱形截面, 而其他截面如H形截面则采用对拼式的连接方式。

步履式顶推法总体来说是一个较为复杂的施工过程, 是钢桁梁桥从杆件结构拼装到顶推就位的全过程, 施工工序复杂繁多, 对施工人员的专业素质要求较高。顶推过程不是一步到位, 而需要多次顶推直至设计里程。在顶推过程中, 需要对各个阶段钢桁梁的力学性能进行监测, 防止因某些节点超过控制, 出现安全隐患。而且还要掌握好关键点, 制订相应的控制措施, 确保全过程安全施工。

传统的步履式顶推施工一般只适用于箱梁, 不能适应钢桁梁节点分布不连续、节点位置随着施工过程不断变化的特点 (钢桁梁只能在节点附近进行顶推) , 在施工过程中安全风险性较大。而本桥是大跨简支钢桁梁桥, 顶推施工时要求节点受力, 因此, 传统的步履式顶推设备不能直接用于本桥梁。采用改进的步履式顶推施工工艺, 在传统的步履式顶推设备上增加1个支撑框架, 在顶推施工过程中, 使顶推设备和支撑框架交替承受荷载, 依靠顶推设备和支撑框架的相互作用实现简支钢桁梁桥前行的动作。

本次采用改进的步履式顶推施工技术, 其模式是顶推设备上下部框架以及竖向油缸之间的相互作用, 依次前行, 不依靠外力。而且本次钢桁梁顶推施工是小循环顶推, 每次顶推一个行程30cm, 小行程的顶推施工方式在操作过程中能更好地保证施工精度。

钢桁梁采用自适应步履式顶推装置进行顶推, 上层支撑框架和钢桁梁通过顶推设备一起被顶升, 水平千斤顶完成向前顶推;竖向油缸收缩, 顶推设备落于上层支撑框架托梁上, 此时由上层支撑框架支撑桁梁;水平千斤顶回油拖动顶推设备在框架托梁上前移, 一个顶推行程工作结束;依此工序顶推设备随着钢桁梁共同前移, 梁体顶推1个节间距后, 顶推设备倒退回换, 如此循环推进桥梁。钢桁梁小循环步履式顶推过程: (1) 第1步设备顶起, 竖向油缸伸长, 上层框架脱离支撑面; (2) 第2步钢桁梁及顶推上层框架在水平油缸作用下前行; (3) 第3步竖向油缸回缩至上层框架支撑面, 荷载从竖向油缸转移至上层框架, 竖向油缸继续回缩至脱离支撑面; (4) 第4步设备下部结构在水平油缸作用下前行。

钢桁梁杆件由钢桁梁生产厂家运输至拼装区后, 采用起重机将单根杆件散拼成整体节段。在钢桁梁拼装阶段, 杆件的拼装和测量应保持一致性, 使用全站仪测量钢桁梁的水平偏位, 水准仪测量其竖向标高以及三桁之间的高差等^[9]。而且每次测量时应该在气温相对稳定的时间段进行, 主要是为了减小温度对钢桁梁拼装的影响, 使测量结果更精确。

主桁弦杆通过高强螺栓栓接, 其他构件用焊接连接。栓接区域内各构件采用喷洒相应涂料的方式进行防护, 并且摩擦面滑移系数>0.45^[10]。拼装前对杆件位置、高程精确放样, 而且在整个拼装过程中实时调整以确保拼装精度。拼装钢桁梁应该符合相应的设计规范, 拼装完成后, 应对栓接部位涂抹防腐涂料防止腐蚀。

根据相关要求, 钢桁梁杆件进入施工现场后, 首先应查验杆件的技术资料, 并且和实物对比, 确认无误后经相关人员签字进行拼装。进入现场的构件超过允许误差时, 应由原单位整修后才能安装, 则应在进场时就控制杆件的误差, 防止其有不合理的缺陷, 影响整个钢桁梁质量。杆件拼装之前主要检查杆件的损伤变形、焊缝、油膜厚度以及基本尺寸, 尺寸偏差是否符合图纸和相关规范要求。

在钢桁梁构件拼装之前, 依据施工图纸画出拼装图和螺栓标示图, 并且复核杆件数目以及杆件序号, 在相应杆件上画出螺栓长度范围、起吊重心位置以及安装方向。在拼装前对拼装图和螺栓标注图进行复核, 防止偏差。

1) 临时墩钢管桩根据相关资料, 对临时结构的位置进行反复复核, 确保其放样点位准确无误, 保证放样精度。再结合现场实际情况, 在放样位置做上记号, 且要醒目便于复核, 以所作记号为中心打桩, 且在其周围做护桩, 保证管桩的入土深度, 保证其安全性。在打桩前应先复核地面高程, 确保设计参考高程高于实际地面高程。

2) 临时墩布设位置、尺寸对梁体的施工精度也有重大影响。通过有限元软件MIDAS对临时墩进行力学分析, 以顶推设备位于初始位置时为例, 考虑设备滑块起始位置, 按与设备支点位置距离对竖向荷载和顺桥向顶推水平荷载进行分配, 选择9级风况条件下, 恒载考虑1.2倍的荷载系数, 临时墩整体应力、整体竖向变形如图2所示。

根据计算分析, 在顶推施工过程中临时墩的最大应力为152.2MPa, 最大变形为8.61mm。顶推施工过程中, 采用刚弦式应变测试仪实时监测关键截面的应力和变形, 防止其应力和变形超过允许值。

临时墩施工过程中要准确放样, 每个临时墩的位置不允许偏离设计位置, 而且临时墩的应力大小也必须符合相关资料的要求。

在整个顶推过程中钢桁梁水平偏位应控制在规范允许范围内, 顶推时按照设计线形, 并在每节顶推完毕后微调线形以便拼装下个节段, 钢桁梁落梁后统一进行标高精确调整。在施工过程中, 每顶推一个节间距后, 通过顶推设备滑块和上部托梁的相互作用, 使滑道梁上的竖向千斤顶顶起钢桁梁, 从而使墩顶上滑块向后移动直至相应位置, 落顶后继续施工。竖向千斤顶频繁起落, 但是横向和水平千斤顶并不同步, 使某处的应力增加, 影响钢桁梁的顶推施工。为了保证三者的一致性, 应该使用同样规格、同一厂家生产的设备, 以最大限度地减少影响。

在每次顶推后, 通过全站仪测量线形、水准仪测量高程, 根据设计资料的高程和测量的对比分析进行纠偏。然后钢桁梁在顺桥向、竖向、横桥向通过顶推设备组合动作调整线形和标高, 使线形高程都符合设计要求。在钢桁梁顶推到相应位置之前, 应全程使用全站仪对整个顶推过程进行监控, 以达到实时纠偏的目的。顶推到最后阶段应采取小里程点动的方式, 便于纠偏和顶推到最终位置。

在顶推过程中, 钢桁梁不可避免地出现横向偏差, 这就需要通过全站仪进行测量控制。而且对梁体的位移观测、墩顶位移观测非常重要。根据设计允许偏位作为最大偏位值, 换算坐标, 从施力开始到梁体开始移动进行连续观测, 一旦位移超过设计计算允许值则立即停止施力, 重新调整各顶推设备的顶推力直到符合要求。每次顶推一个阶段后, 都要用全站仪和水准仪测量钢桁梁, 控制线形和高程。顶推过后, 相关人员根据测量结果发出指令进行纠偏。顶推设备的操作人员根据监控指令操作主控制器, 控制顶推设备的横向千斤顶, 使其移动, 达到横向纠偏的目的。纠偏完成后, 测量人员再次通过全站仪和水准仪测量此阶段的线形和标高, 保证误差在合理控制范围内。

因采用先浇预应力混凝土梁后顶推钢桁梁的施工方法, 钢桁梁顶推至设计里程后, 设计落梁高度为2.047m。利用墩顶千斤顶顶升、收落, 交替拆除千斤顶下方与临时垫墩上方垫块的方式进行落梁。在施工到相应位置后, 下一阶段就是准备落梁, 落梁时需进行精度控制, 对钢桁梁进行精确纠偏, 保证钢桁梁设计线形的平面误差以及高程误差在合理范围内。在落梁完成后, 应该及时安装支座和临时约束, 完成钢桁梁结构体系的转换, 以免梁体因为临时荷载或温度作用而使落梁偏离设计位置。影响钢桁梁线形的因素较多, 尤其是温度对其影响较大, 特别是太阳光对钢桁梁的照射, 为了保证钢桁梁成桥线形, 应在夜间温度较平稳的时间段顶推到设计位置, 并且依据当时的温度计算测量钢桁梁的长度, 防止因温度影响产生的误差超过允许值。本次采用改进步履式顶推施工工艺, 采用小循环顶推, 一次顶推30cm, 每次推到最后阶段时进行小里程点动, 便于纠偏和落梁到位。

针对某高速铁路134m简支钢桁梁顶推施工, 采用改进传统步履式顶推施工工艺, 通过顶推装置实现顶推设备同步伸出与缩回, 钢桁梁在此设备上可以在顺桥向、横桥向及竖向移动, 实现了对钢桁梁空间位置的精细控制, 而且采用小循环 (小行程) 顶推施工的方式, 一次顶推30cm, 更加容易控制施工精度。通过施工控制, 有效地保证了本工程的施工精度, 确保其成桥线形与设计线形一致, 较好地实现了钢桁梁在整个顶推施工过程中的精细控制。