跨中无辅助墩钢箱梁顶推施工技术在浦仪公路中的应用

刘国昌

(南京市公共工程建设中心，江苏 南京 210019)

1 工程概况

浦仪公路八卦洲枢纽主线左、右幅以及B、C、D、E匝道跨线桥采用等截面钢箱梁上跨宁洛高速，其中主线为单箱三室结构，单幅箱梁全宽16.4 m，梁高2.3 m，跨径(32+52+32)m，匝道为单箱双室结构，B、C、D、E匝道跨径分别为(28+45+28)m、(35+45+38)m、(31.5+52+31.5)m、(30+52+30)m，钢箱梁总重4 821.5 t。宁洛高速交通量大，无法封闭施工，高速两侧场地充足，为最大限度减小对既有高速通行影响，本项目采用跨中不设临时墩的顶推法施工，顶推段钢箱梁在宁洛高速北侧拼装就位，安装导梁并通过顶推装置施工至设计位置，最后原位拼装剩余钢箱梁。

钢箱梁制作采用场内加工并陆运至现场，结合设计图纸和公路运输限制，工厂制作时将钢箱梁进行划分，节段长度控制在20 m以内，横向宽度控制在4.5 m以内，单个块体重量控制在50 t以内。

2 施工方案

主线钢箱梁圆曲率较大，近似直线，采取楔进式顶推方式；匝道钢箱梁由于曲率半径较小，顶推过程中需不断调整钢箱梁位置，故采用步履式顶推。步履式顶推由于设备自身竖向调整高度为300 mm，而匝道纵向高程相差较多，本工程设计了可以调整竖向高度的支架，支架顶层设置调整梁。

为减少顶推段重量和顶推距离，本工程每联钢箱梁选择中跨3个节段及相邻2个节段利用履带吊在支架上拼装成整体后进行顶推，由于需要安装导梁及受场地限制，第一轮将4个节段及导梁拼装完成后先进行一次顶推，然后将第5个节段接上，而后整体顶推就位，顶推到位后拆除导梁，最后将剩余节段安装到位。钢箱梁吊装按照分段吊装，整体顶推的原则，先进行中跨钢梁顶推，后进行两侧边跨钢梁吊装。

施工前设计对钢箱梁顶推工况进行受力分析计算，提出中腹板每250 mm设竖向加劲肋，当隔板间距大于2 m时在隔板中间设置竖向加劲肋的加固设计，通过对钢箱梁局部加强，确保了顶推过程中钢箱梁的受力和变形在容许范围内。

3 顶推施工步骤(以主线钢箱梁为例)

(1)场地硬化，搭设拼装支架；

(2)铺设滑道，安装滑靴；

(3)吊装JD3-JD6节段各块体；

(4)安装导梁和顶推设备；

(5)进行第一轮顶推，直至导梁完全悬空；

(6)暂停顶推，吊装JD7块体，同时完成JD4-JD7对应护栏安装；

(7)顶推段钢梁全部安装完成，再次进行顶推，直至导梁落在对面预设的滑靴上；

(8)继续顶推，前端导梁向前推进，后端滑靴落空后及时替换，并增加前端导梁滑靴；

(9)继续顶推，第一节导梁顶出滑道，拆除第一节导梁，第二节导梁顶出滑道后拆除第二节导梁；

(10)继续顶推，钢箱梁梁体抵达对面滑道后，拆除全部导梁并继续顶推，直至到达设计位置，拆除滑道，落梁；

(11)吊装剩余钢箱梁节段。

4 顶推方案设计

4.1 顶推支架及平台

钢箱梁支架采用C30钢筋混凝土扩大基础，其上设478×8钢管作立柱，立柱间通过L100×10角钢连接，主线立柱上方设置HN700×300H型钢横向分配梁，分配梁上设置纵向通长双拼HN700×300H型钢作为滑道，匝道立柱上方安装双拼HN800×300H型钢横梁和5拼HN700×300H型钢纵梁，横梁与钢立柱柱顶桩帽之间采用焊接方式连接。支架分顶推滑移支架、兼做吊装和顶推支架、钢梁吊装支架。扩大基础及支架体系都要有足够的强度、刚度和整体稳定性。

4.2 导梁设计

导梁的作用是减小钢箱梁悬臂长度，减小倾覆力矩，同时对钢箱梁进行导向[1]。导梁为组合断面工字钢梁，长36 m，重54 t，由3段12 m组成，三段导梁分别由H900×300型钢、H800×300型钢、H700×300型钢组成。导梁根部高度2 600 mm，前端梁高1 800 mm。导梁抗风计算、面外稳定性计算、焊缝计算均满足要求。

4.3 顶推力计算

钢箱梁在滑移过程中，顶推器所产生的推力和摩擦力F达到平衡[2]。顶推摩擦力F=钢箱梁及导梁自重产生的竖向反力×1.05×1.2×0.1(1.05为动荷载系数，1.2为摩擦力的不均匀系数，MGE板与不锈钢板间摩擦系数<0.05，取0.1)。本工程中滑移最大重量为800 t(含导梁和配重)，则滑移所需的最大顶推力为：F=800×1.05×1.2×0.1=105.6 t。匝道钢箱梁及导梁总重约500 t，按四个点同时受力考虑，每个点顶升力需大于125 t。

4.4 顶推轨道、顶推装置

主线滑道上铺设不锈钢板，其上采用MGE板作为滑靴。匝道钢梁采用整体多点顶推方式，每组临时墩上对称布设两套顶推装置，按四个点同时受力考虑，考虑顶推系统可以倒换，共需6台顶推装置。步履式顶推设备采用三向顶推设备，即竖向、纵向、横向均可滑移，通过电脑控制和液压驱动来实现组合和顺序动作，以满足施工要求。

4.5 钢箱梁吊装拼接施工

胎架检测合格→吊装粗定位→依次组装块体→匹配件连接→精调到位→马平块体、节段间环缝部位→纵缝、环缝焊接→无损检测→返修→量配嵌补段→U肋、板肋嵌补段组焊→无损检测→顶板U肋高强螺栓连接→安装护栏→顶推作业部位的补涂装。主线钢箱梁单块体最大重量为48.2 t，匝道钢箱梁单块体最大重量为42 t，结合各节段吊装重量与吊装半径，采用150 t履带吊作为主要吊装设备。150 t履带吊采用30 m长主臂、12 m吊装半径，起重能力65.6 t，满足吊装要求。钢箱梁节段吊装采用4点吊装，吊耳按设计要求布置在有隔板的顶板上。

4.6 导梁安装

(1)导梁采用现场拼装，使用高强螺栓连接导梁主体各个构件，拼装完成后，对各节段拼缝进行焊接加固。

(2)整体导梁吊装，连接转接梁，安装高强螺栓。

(3)焊接导梁与转接梁拼缝，考虑两片导梁受荷不均匀性，焊缝为等强熔透焊。

(4)导梁与钢箱梁间采用型钢焊接加固。施工时计算结果导梁抗风验算及面外稳定性验算满足要求。

4.7 顶推支点加固

(1)主线钢箱梁采用楔进式顶推施工，钢箱梁滑移支点相对固定，均布置在隔板和中腹板交接处，此处结构较强，为确保结构安全，在每个支点处增设四块500×500×20加劲板。

(2)匝道步履式顶推支点加强：匝道顶推支点随钢梁前进不断变化，需要在顶推支点位置增设箱内加强。

4.8 顶推施工

楔进式顶推时，两套顶推装置对称布置于钢箱梁底部顶推工作平台上，该顶推系统的特点：能较好的控制墩位的水平力，有效控制支点反力，但液压驱动及电脑控制同步性要求较高，对楔块、滑道等制作精度要求高。

顶推过程中，导梁支点和钢箱梁支点发生变化，通过Midas建立结构模型，按照施工步骤对顶推全过程中钢箱梁和导梁结构受力进行计算，应力验算均满足要求。

4.9 落梁

通过顶推设备将钢箱梁平面位置精确调位，调位过程中保证钢箱梁底部高出永久支座50 mm；将钢箱梁临时搁置在顶推设备前后的承重支座上，检查各墩顶永久支座和钢箱梁的位置是否准确；利用顶推设备将钢箱梁顶高20 mm，拆除承重支座上的垫板，将钢箱梁下放到永久支座上，施工钢箱梁和永久支座之间的连接，完成落梁及体系转换工序。

4.10 施工监控

为保证顶推施工安全，使成桥内力和线形符合设计要求，以及顶推施工质量能达到要求，对施工全过程进行有效的监测与控制[3]。

监控计算主要内容：(1)钢箱梁及导梁顶推全过程受力分析及应变情况；(2)施工不利情况受力验算；(3)施工临时设施复核验算。

施工监控的主要内容：(1)监测钢箱梁各节段控制点高程，控制桥梁成桥线形；(2)监测钢箱梁关键截面应力变化情况；(3)监测顶推过程中钢箱梁主要截面温度场变化；(4)施工期监控结构安全性。

5 顶推施工主要控制措施

(1)顶推施工平台检查：①地基及处理；②钢构件结构尺寸及焊缝是否满足设计标准；③承重支座与油缸支座底部是否同下部结构现场临时焊接牢固，顶推千斤顶提升所垫垫块是否与钢管支架焊接为整体；④支架及操作平台顶部标高是否满足要求，避免影响支撑和平台处垫高。

(2)顶推设备安装及调试：①确保设备前方有足够的行程空间，调试并检查设备(至少使设备运行一个工作行程)，确保设备各项功能工作正常；②设备纵向中心与箱梁腹板位置相对应，确保设备和箱梁局部受力良好；③设备顶部设置橡胶垫，确保与箱梁接触位置受力均匀和增大摩擦力；④调试电脑和液压驱动，确保设备能同步协调动作。

(3)人员配置：①现场至少配备一名总负责人员，负责协调工作和下达指令；②每台顶推设备配备操作人员及监测人员各一名，负责各顶推点的操作和检查设备的受力位置和垫块高度，同时便于协调；③施工中安排专人负责检查导梁端部及箱梁尾部，重点核查其位置，避免因导梁的干涉导致箱梁后部顶推过多；④各顶推点安排人员调整垫块高度。

(4)现场测量及调整：顶推过程中选择第三方对钢箱梁的位置进行实时监控，当偏差较大时暂停顶推，调整钢箱梁平面位置，确保满足要求，主要控制点如下：①箱梁横向位置偏差不得超过30 mm；②顶推时箱梁纵向坡度按理论坡度线控制；③单行程顶推完成后箱梁落于承重支座时，箱梁底部与墩顶支座间保留一定间隙，以便调整位置；④现场测量需准确及时，当超过偏差允许范围时立即调整，以免累积误差较大后难以调整。

(5)设备同步性控制：顶推施工过程中应注意控制设备的同步性，以免造成各顶推点受力不均导致钢箱梁偏离设计位置，重点关注以下几点：①横向顶推设备之间油压尽量一致，各顶推设备每次工作时的行程一致，通过PID控制程序自动调节或手动调节；②顶推时保持箱梁纵向和横向方位与设计一致，便于现场观察和后续调整，如发生偏移，立即停止顶推并调整方位，待方位误差满足要求后，重新进行顶推；③应保证反力油缸受力一致，同时与钢箱梁底部良好接触，避免压差较大，导致受力不均。

(6)施工过程检查：顶推施工过程中，应加强设备及关键位置检查，重点检查：①各顶推设备使用和受力状态是否满足要求；②确定每个施工步骤均达到设计目标和状态；③检查顶推设备、反力油缸以及承重支座受力中心是否对应箱梁腹板或横隔板，以保证梁体局部受力良好，以免箱梁造成破坏；④实时测量并及时调整顶推设备的顶升高度；⑤保持支架调节垫高处垫块高度一致，以防梁体受力不均偏移；⑥编制施工关键位置标准化、规范化的检查项目和内容，按要求检查并做好记录。

6 步履式多点顶推

6.1 线型控制

为确保线型准确，在顶推过程中对钢箱梁的轴线进行跟踪复核测量，发现偏位较大时(50 mm以上)立即停止纵向顶推，开启千斤顶纠偏系统进行单独纠偏的工作。

钢箱梁顶面线型控制方法为：拼装前预先检查拼装胎架预拱度是否满足要求，并在拼装完成后的钢箱梁顶部标示出纵向中线，在顶推过程中，采用全站仪测放出顶推设备上方钢箱梁的理论中轴线，将测放出的点与钢箱梁通长标示的中心线进行比对，通过将该差值反馈至步履式顶推电控系统中进行顶推过程中钢箱梁的轴线纠偏。在顶推施工过程中，严格按照第三方监控单位提供的线型控制数据进行测量控制，并配合监控单位做好顶推过程中各阶段的梁段线型复测。

6.2 防倾覆措施

针对横断面不等高的曲线段钢箱梁，外弧侧腹板的高度比内弧侧腹板高，重心偏移易发生倾覆，因此在顶推过程中需做好钢箱梁的防倾覆控制。具体措施如下：(1)严格控制顶推速度，明确钢箱梁每分钟纵桥前行速度不超过15 cm；(2)顶推行进过程中，限定钢箱梁的底板脱离下部支垫不超过50 mm，以降低顶推过程中的脱空高度；(3)钢箱梁在顶推过程中，根据顶推时的最不利状态验算纵向最大悬挑长度，确保后方力矩远大于前方力矩，最终纵桥向稳定；(4)当钢箱梁顶推至搁置在横桥向最大跨两侧的支墩处时，此时的横向稳定性为最不利状态。确保该阶段内钢箱梁的重心始终位于顶推点6个支点连线的内部，单个步履式千斤顶上的荷载最大值均在核载范围内。

7 结束语

随着近几年我国交通工程建设的快速发展，钢箱梁顶推法因其跨越跨径较大、对所跨越的道路交通影响小优点，在越来越多的高速公路、城市干线、铁路、航道等工程中得到广泛应用，取得了良好的社会效益。但钢箱梁顶推法施工方案较复杂，施工投入大，风险较高，专业性强，对施工技术水平和现场管控要求比较高，需在实践中不断总结提高，提升经济效益，实现社会效益与经济效益的统一。