8孔110 m跨简支曲弦钢桁梁顶推施工技术

高光品

（中铁大桥局集团第六工程有限公司 湖北武汉 430100）

1 工程概况

京张高铁官厅水库特大桥主桥设计为8孔110 m跨简支[1-2]曲弦钢桁梁桥（见图1），主桥平面位于直线上，顺桥向位于以231＃墩为最高点的双向2.0‰的变坡段。官厅水库为北京市一级备用水源地，228＃～234＃主墩处平均水深约12 m。

8孔钢梁结构相同，单孔钢桁梁计算跨度108 m，梁长109.7 m，采用上弦变高度桁架，近似拱形，两片主桁中心距13.8 m，高0～19 m，节间长度10.8 m（横断面见图1）。相邻两孔梁支座中心距2 m。单孔钢桁梁重1 863 t。主墩为双肢矩形截面，墩高16.40～20.07 m，主墩、边主墩垫石顶水平抗力允许值分别为1 700 kN、1 200 kN。

图1 京张高铁官厅水库特大桥主桥总体布置及断面(单位:m)

2 总体施工方案及临时设施布置

2.1 总体施工方案

考虑到库区无大型浮吊且环保要求高，钢桁梁采用顶推（顶推和拖拉两种方式，以下统称顶推）法[3-6]架设施工。钢桁梁拼装[7]平台选择在场地适宜的张家口侧，布置满足导梁+2孔钢梁拼装的平台。首次拼装导梁+1孔钢梁后向北京方向顶推，以后每次拼装1或2孔钢梁向前顶推（相邻两孔钢梁间设置辅助杆件[8]将钢梁由简支结构变成连续结构）。顶推方式采用钢绞线[9]拖拉的方式，钢桁梁底设置上滑块和下滑道，钢梁顶推按照节间循环，利用同步控制系统驱动连续千斤顶张拉钢绞线顶推钢梁前移，每循环顶推前进110 m或220 m距离后，重复拼装、顶推步骤，直至将8孔钢桁梁顶推至设计平面位置。之后拆除临时辅助结构，下落钢桁梁至设计标高。顶推施工原理见图2。

图2 顶推施工原理(单位:m)

2.2 临时设施布置

根据桁梁结构受力特点按节间长度设置短滑道，滑道纵向间距根据钢梁跨度L（110 m）及结构受力计算确定，钢梁前端设置0.5 L长度导梁，主墩中间可不用设置辅助支撑结构，滑道间距为110 m；钢梁后端需接续拼装钢梁，不设置导梁，滑道基本间距按0.5 L设置。导梁和辅助杆件采用桁架结构。钢梁底设置简易上滑块。摩擦副采用摩擦系数较小的不锈钢板和MGE板。顶推水平力考虑由主墩承担，为方便操作，水平顶推系统布置在钢梁下弦杆外侧。横向纠偏系统布置在滑道侧面。竖向顶升系统布置在滑道底面。

3 钢梁顶推施工

在275 m长的支架平台上拼装钢梁，拼装按照导梁→钢桁梁→钢桁梁→辅助杆件（后续顺序钢桁梁→辅助杆件）的顺序进行，第一根上弦杆水平倾角46°，辅助杆件应根据钢梁拱度影响考虑上弦杆的缩短和竖杆的加长。

钢梁拼装前布置滑道、竖向顶升系统、滑块，拼装完成后竖向千斤顶顶起钢梁，拆除拼装垫块，钢梁重量由滑块支撑，安装牵引系统、纠偏系统、同步控制系统，准备进行钢梁顶推。

3.1 控制系统

钢梁顶推主要需重复三个动作，竖向顶升、水平顶推和横向纠偏，竖向顶升和横向纠偏同步性要求不高，控制系统单独设置（当同一墩顶既有竖向顶升千斤顶和横向纠偏千斤顶时可共用控制系统）；水平顶推同步性要求高，采用计算机控制的多点同步控制系统，控制系统设置了行程传感器、锚具传感器和压力传感器，1台主控制柜布置在岸边235＃墩处，可单独控制1台或多台连续千斤顶，具备单侧、双侧、连续和间歇顶推功能。

3.2 钢梁竖向顶升

在钢梁由拼装状态向顶推状态转换及滑块后移动作中经常用到竖向顶升步骤，设计在主墩每桁滑道梁上安装2台700 t千斤顶，拼装区每桁滑道梁顶安装2台500 t千斤顶，同一断面4台顶升千斤顶采用油路并联实现顶落梁同步控制，两主桁顶落梁高差控制在5 mm内。

3.3 滑块顶标高控制

为了确保顶推时钢梁各滑块竖向受力与计算值相互吻合，从而实现各点水平力可控，滑块顶面标高控制尤为重要。上滑块平尺寸1.4 m×1.3 m、高0.44 m，由钢板焊接而成，侧面焊限位钢板（主墩下滑道设内侧限位，拼装区下滑道设双侧限位，约束钢梁横向位移），底部镶30 mm厚MGE滑板。每道滑道梁设置1块上滑块，前后节点共用。滑块标高需根据钢梁厂设预拱度设置不同的抄垫垫块（0～111 mm），垫块主要由钢制结构组成，弹性和非弹性变形忽略不计，滑道梁高2 m、顶宽1 m，计算最大挠度1.48 mm，最大挠跨比1/3 473，其刚度较大，对滑块标高的影响忽略不计。

3.4 钢梁水平顶推

钢梁由简支结构变成连续结构后，存在着10.8 m和12.8 m两种节间长度，每孔钢梁顶推由9个10.8 m节间和1个12.8 m节间组成，每顶推一个节间后，竖向千斤顶顶起钢梁，滑块后移，之后竖向千斤顶回油，钢梁由滑块支撑，主控制柜同步控制多套水平顶推系统实现钢梁顶推前移，如此循环。每个行程剩余0.2～0.4 m时开始点动顶推，避免超顶，每个循环的最后一个行程严格控制钢梁纵向位置，确保钢梁拼装、顶推时节点受力。

水平顶推系统设置在距钢梁下弦外侧1.3 m的同一轴线上，需根据顶推重量的增加而相应增加。每套顶推系统由2台250 t连续千斤顶提供顶推动力，每台连续千斤顶配15根φ15.24 mm钢绞线，钢绞线穿过反力座预留孔，采用带压紧装置的夹片式锚具锚固定在反力座上，方便拆装。反力座分为导梁反力座、钢梁反力座和钢梁后锚点。导梁反力座由两部分组成，其中固定部分与导梁下弦杆焊接，可拆卸部分与固定部分栓接；钢梁反力座利用主梁下弦杆节点（E3、E3′附件）拼接板上下加装悬臂板，可拆卸部分通过销轴与悬臂板连接，每孔梁单侧布置2处悬臂板（8孔顶推时共布置32处）；钢梁后锚点与钢梁尾端螺栓连接，共制作2块。导梁反力座、钢梁反力座与连续千斤顶反力座存在干涉问题，顶推作业时可拆卸部分需经常拆卸移位。钢绞线前端设置收放平台，将伸长的钢绞线盘放在平台上。

滑道梁[10]长约16 m，滑道侧面布置顶升千斤顶可纵移的支撑平台（适应2种节间长度）、横向纠偏顶反力座和水平千斤顶反力座（见图3），下滑道布置在钢桁梁下弦杆正下方，主墩顶下滑道纵向分3段，采用栓焊结合的连接方式，顶板焊接后磨平，顶板顶面铺设4 mm不锈钢板。不等节间顶推的操作在主墩滑道和拼装区滑道上略有不同，主墩处顶升千斤顶布置在张家口侧（方便接收导梁上墩），12.8 m节间顶推前滑块支撑钢梁，顶升千斤顶后移2 m，然后顶升千斤顶顶起钢梁，滑块后移12.8 m，钢梁下落，滑块支撑钢梁顶推12.8 m，顶推后将顶升千斤顶复位，进行10.8 m节间顶推施工；拼装区顶升千斤顶设置在北京侧，千斤顶纵移可在顶推12.8 m节间过程中实施。

图3 主墩滑道梁布置示意

牵引钢绞线长度分别为112 m、335 m，垂度大，顶推时荷载及位移传递存在延迟现象，因此顶推时必须前后场相互配合。作业时前场工人将滑块移动、钢梁偏位、结构干涉等情况时时汇报给主控制柜操作人员，主控制柜操作人员结合电脑屏幕显示的主油缸伸缩位移、锚具开合状态、油缸压力来判断顶推作业是否正常，从而控制顶推作业停止还是继续。为确保结构安全，连续千斤顶油泵设置了溢流阀，当油压超过限值时，设备自动启动溢流阀卸压，确保水平力不超过限值。

实际施工时根据钢梁供应情况，按照1+1+1+2+2+1孔钢梁接续的方式进行拼装、顶推施工，共顶推6次。受边主墩水平抗力限制，首次顶推导梁+1孔钢桁梁，顶推距离110 m，此时导梁刚好全部通过235＃墩，后续施工需增加顶推系统后方可顶推后续钢桁梁。

导梁长56 m，纵向台阶式设计，前端高7 m，后端高11 m，节间长10.8 m，桁中心距13.8 m，最大悬臂状态下导梁前端最大挠度0.24 m，通过下弦台阶型设计可满足上墩需求，无需设置上墩装置。钢梁尾端最大悬臂长度55 m，下挠值0.06 m，施工时注意清除后端障碍。

3.5 横向纠偏

分别在228＃、230＃、232～235＃墩滑道梁外侧布置100 t千斤顶来进行横向纠偏，通过顶推钢梁下弦杆实现横向纠偏，共布置纠偏千斤顶12台。除纠偏装置外，也可以通过单侧点动调整、滑块刻意预偏限位达到纠偏目的。

3.6 施工措施

（1）减小摩擦系数措施。8孔顶推时共有22个滑块支撑钢梁，很难知道某个滑块的静摩擦系数及静摩擦力具体值。表1是根据顶推水平力和、重量和计算出来的实测平均静摩擦系数，从表中我们只能看出静摩擦系数的波动范围比较大（0.089～0.013），却无法推算某个支点的具体值，方继等[11]采取的摩擦副注油措施是为了减小摩擦系数，也不能确定某个支点摩擦系数的具体数值。MGE滑板与不锈钢板的理论静摩擦系数为0.05～0.06，静摩擦系数的不确定性要求我们必须在计算时取大值（本桥计算取值0.1），同时采取措施降低静摩擦系数。本桥顶推施工时采取了控制滑道梁顶面不锈钢板平整度（四周围焊加中间开口断续焊，焊接后磨平焊口）、涂抹黄油、顶推前将滑块在滑道梁上来回拖动几次、滑块只在顶推时受力等措施来确保摩擦系数小和摩擦副的正常工作状态，同时施工过程中加强监控，确保水平荷载不超限。实测数据显示，随着顶推结构长度及重量的增加，平均静摩擦系数的平均值由最初的0.65下降至0.33。

表1 顶推实测数据统计

（2）滑块竖向受力与计算值吻合措施。多点支撑时，滑块受力不均会导致钢梁受力不均及摩擦力的不均匀性，本桥施工前期曾监控过滑块应力（四周贴应变计），但因滑块体积相对比较大导致监控数据无效而失败，也曾考虑过使用压力环来测试滑块受力，但考虑其会降低顶推稳定性而未采取。滑块竖向荷载一般是在不考虑预拱度、滑道梁刚度下模拟计算的结果。顶推施工时支点竖向荷载分配跟钢桁梁刚度、钢桁梁预拱度、滑道刚度、滑移支架刚度等有关；钢桁梁刚度无法改变；预拱度使得钢桁梁下弦支承节点底部标高呈波浪式变化，为了使顶推过程中滑块受力与计算值接近，避免出现脱空现象，滑块顶抄垫标高根据厂设预拱度来设置；滑道梁、滑移支架刚度影响只能在设计时考虑足够的刚度，施工时采取在滑块顶面设置橡胶片来缓解滑道变形、钢梁拱度误差引起的受力不均衡问题，同时采取监控措施监测钢梁应力，确保主体、临时结构的安全。

（3）关于顶推方式创新的问题。以往大部分采用钢绞线牵引的方式顶推施工钢桁梁，但该方法在顶推过程中需要设置钢绞线接收平台，反力座倒换时需要人工逐根拖拽并梳理整齐，对号入座，工序繁杂且使用劳动力较多，本桥顶推工效平均在18.5 m/d，大部分时间都用在了反力座和钢绞线倒换上。董正良等[12]创新采用的钢桁梁节点自适应步履式顶推法，能够有效契合钢桁梁顶推施工，对设置步履顶的支点理论上内力自平衡，没有外荷载，对于未设置步履顶的支点仍然存在水平荷载，该方法可以节省劳动力，是钢桁梁顶推施工发展的新方向。

4 结束语

官厅水库特大桥主桥8孔110 m跨钢桁梁已于2017年11月顶推到位，通过设置适应不同节间长度的短滑道梁实现了钢桁梁不等节间顶推施工；利用多点同步顶推技术实现钢梁顶推前移。

通过采取降低摩擦系数措施实现顶推水平力可控；通过采取确保多点滑块受力与计算值吻合的措施实现了主体、临时结构受力安全；通过对钢桁梁顶推方式创新的问题进行探讨，希望能够推动钢桁梁顶推施工向更智能、可控的方向发展。