无导梁钢管矮塔斜拉整体顶推大跨度钢梁成套施工技术及应用研究

王镜越

（贵州省公路工程集团有限公司，贵州贵阳 550000）

0 引言

目前大跨度组合工字梁钢桥的钢主梁安装施工多采用导梁连续顶推法、架桥机整孔安装法、支架安装法、大节段钢梁提升安装等施工方法。从常用施工方法在山区条件下的适用性对比可以看出，对于交通组织条件和地形条件相对不便的山区装配化组合梁钢桥施工而言，导梁顶推法和架桥机整孔安装法的地形适用性和工期效率均良好；但当组合工字梁钢桥的跨径超过50m 后，由于架桥机租赁费用的快速上升，导梁顶推法的综合经济性会优于架桥机整孔安装法。

针对传统的导梁顶推施工法存在的弊端，开发一种能保证较大跨径无须临时落地支墩且无须设置导梁的顶推施工技术，将综合性提高山区装配化组合工字梁桥的施工经济性、技术水平和管理水平。

1 无导梁钢管矮塔斜拉整体顶推系统介绍

贵州省纳雍至晴隆高速公路第T15 合同段牂牁江特大桥晴隆岸引桥上部构造位于2% 的下坡纵断面上，分为钢混组合梁和现浇箱梁两部分。钢混组合梁部分采用无导梁矮塔斜拉牵引式顶推工艺施工，从大桩号往小桩号方向顶推，顶推方向为上坡。此顶推施工采用拖拉式顶推方式，牵引点设置在钢梁的前端，顶推千斤顶设置在晴隆岸桥塔的下横梁支墩中跨侧支架上。顶推平台采用4m×2m 贝雷梁支架搭设，支架搭设完成后，在顶推平台与各桥墩墩顶安装滑道梁与侧向限位装置，然后在顶推平台上逐段拼装各节段钢梁，安装索塔、斜拉索、抗风索与牵引索。当斜拉索张拉至预定索力值且配重布置完成后，开始钢梁的顶推施工[1-2]。

顶推系统由索塔系统、拖拉系统、滑道系统和平台等部分组成。其中，顶推平台设置在3×40m 现浇箱梁桥跨位置，采用墩顶托架+墩旁钢管柱+4m×2m贝雷梁的形式，该平台兼做箱梁现浇施工的支架系统。滑道布置在顶推平台和永久墩（6～12#墩）上，顶推平台上的滑道设置成离散式，纵向间距为10m，沿纵向共布置12 道（含13～15#墩）。现浇箱梁待钢梁顶推到位后沿用顶推平台改装后作为支架进行箱梁现浇施工[3]。钢梁总体施工顺序为：钢梁厂内加工完成并完成预拼装，现场预制桥面板—钢梁运至现场复拼场地—钢梁2 片为一榀，安装榀内和榀间横撑—安装各支点永久支座，逐孔顶推钢梁—顶推到位后，第一次落梁—安装预制桥面板—浇筑桥面板剪力钉槽口内混凝土及板间横向湿接缝—浇筑纵向湿接缝—第二次同步落梁—安装护栏—浇筑沥青混凝土铺装施工—附属设施—成桥[4-5]。

2 无导梁钢管矮塔斜拉整体顶推施工方法

2.1 创新顶推工艺技术参数

第一，顶推跨径：60m。

第二，顶推长度：60m×8 跨=480m。

第三，单幅钢梁节段数：46。

第四，单幅最大顶推重量（已计入配重）：21695.052kN。

第五，单幅理论最大顶推力：3037.31kN。

第六，所需顶推装置：每幅钢梁需 2 台DYSC350D-300 型顶推千斤顶。

第七，索塔：采用φ630×10 钢管，按纵向2 列、横向4 排布置，塔高15m。

第八，索塔斜拉索：按纵向4 列、横向4 排布置，分别为T1～T4，采用5 束φs/15.2 钢绞线，截面面积Ap=695mm2，弹性模量Ep=1.95×105MPa，抗拉强度标准值fpk=1860MPa，其初始张拉控制力分别为：TI=230kN，T2=228kN，T3=235kN，T4=275kN。

第九，索塔抗风索：共设6 组抗风索，采用6×19+FC-1770MPaφ30mm 钢丝绳，交叉布置，分别为K1～K6，与钢梁前端布置间距分别为：K1=13m，K2=29m，K3=45m，K4=73m，K5=89m，K6=105m，马鞍式绳卡锚固。抗风索的初始紧固力：K1=12kN、K2=9kN、K3=4kN、K4=8kN、K5=12kN、K6=14kN。

第十，牵引索：采用19 束（按12 束计算即可满足要求）AS15.2 牵引钢绞线，截面面积AP=695mm2，弹性模量EP=1.95×105MPa，抗拉强度标准值fpk=1860MPa，单根钢绞线最大长度约580m，总用量为76根钢绞线。

第十一，顶推平台：设置在3×40m 现浇箱梁桥跨位置，采用墩顶托架+墩旁钢管桁架墩+贝雷梁的形式，滑道梁布置在永久墩（6～12#墩）与顶推平台上；顶推平台上的滑道梁设置成离散式，纵向间距为10m，沿纵向共设置12 道（含13～15#墩）。

第十二，落梁装置：每个落梁支点对称设置4 台150t 落梁千斤顶，全桥一幅一联共需64 套，准备70套，6 套备用。

2.2 钢梁拼装平台搭设

钢梁拼装平台设置在3×40m 现浇箱梁桥跨位置，采用墩顶托架+墩旁钢管桁架墩+贝雷梁的形式，贝雷梁为2×4m 加强型，实现大跨度无落地支架施工。此项目支架系统设计为拼装平台与现浇箱梁施工平台合二为一。钢梁拼装及顶推施工时，平台面层采用5mm 钢板铺设，作为人工操作平台使用，当需要上汽车时，在墩柱轴线处单独铺设一条3.5m 宽2cm 厚钢板通道作为汽车运输通道。顶推施工结束后，拆除5mm 钢板面层，采用10cm×10cm 方木作为分配梁，分配梁上铺设12mm 厚竹胶板作为现浇箱梁施工底模。现浇箱梁施工预拱度采用方木分配梁进行调节，钢梁拼装平台及现场顶推施工如图1 所示。

图1 钢梁拼装平台及现场顶推施工

2.3 顶推临时设施安装

2.3.1 斜拉索塔

根据设计以及加工和拼装的考虑，此项目采用无导梁斜拉矮塔牵引式顶推工艺，为保证钢梁前端结构刚度，在第一跨钢梁上端设计三角斜拉索塔进行加固。左右幅钢梁各设一组斜拉索塔。斜拉索塔结构采用钢管立柱矮塔作为支点支撑，梁端采用钢绞线斜拉索进行张拉悬挂，前端长度53m，后端长度42m，高度15m。矮塔采用φ630 钢管，按纵向2 列、横向4 排布置，塔高15m；拉索按纵向4 列、横向4 排布置，分别为T1～T4，采用5 束φs/15.2 钢绞线，截面面积Ap=695mm2，弹性模量Ep=1.95×105MPa，抗拉强度标准值fpk=1860MPa，其初始张拉控制力分别为：T1=230kN，T2=228kN，T3=235kN，T4=275kN。另外，为加强钢梁顶推抗风性能，在索塔与钢梁间设置6 组抗风索，抗风索采用6×19+FC-1770MPaφ30mm 钢丝绳，交叉布置，分别为K1～K6，与钢梁前端布置间距分别为：K1=13m，K2=29m，K3=45m，K4=73m，K5=89m，K6=105m，采用马鞍式绳卡锚固。抗风索的初始紧固力推荐 值：K1=12kN、K2=9kN、K3=4kN、K4=8kN、K5=12kN、K6=14kN。

为安装矮塔拉索，需在钢梁设置拉索锚固点，锚固点为三角锚箱结构，采用2cm 厚钢板焊接成型，焊缝高度16mm，在钢梁制造厂随钢梁一同加工制造出厂。立柱与钢梁连接的上翼缘需作变宽度处理，两侧各加宽15cm，共加宽30cm。索塔拉索锚固端采用JYM15-5 P 型锚具，张拉端采用YJM15-5 锚具。斜拉矮塔采用13#、15#墩塔吊吊装搭设，搭设时钢管自下而上、逐根安装，搭设一段钢管立柱便及时安装平联、斜撑，严禁平联、斜撑未安装便升高立柱，连续顶推作业中斜拉矮塔在墩顶和跨中受力施工状况图见图2。

图2 连续顶推作业中斜拉矮塔在墩顶和跨中受力施工状况图

矮塔的水平位移为新工艺钢梁顶推施工中的重要控制项目之一，表1 是部分顶推工况下，临时矮塔的顺桥向和横桥向水平位移计算结果。

表1 临时矮塔顶部的顺桥向和横桥向水平位移 单位：mm

2.3.2 连续顶推动力系统

此创新工艺采用超大型构件液压同步顶推施工技术，具有以下特点：其一，通过顶推设备的扩展组合，顶推重量、跨度和面积不受限制。其二，顶推工艺相对安全，实施过程中可以对构件进行任意锁定，并且顶推使用仪器可以进行单独调节，具有高精度的调节能力，能够确保钢梁顶推过程的高效完成，并且过程可控。其三，斜拉钢绞线相当于采用柔性轨道承重，具备合理的承重吊体系，实现了顶推过程中高度不受限制的效果。其四，使用的顶推设备体积小、重量轻，但承载力大，对类似工程的大型钢结构的顶推作业非常适用。其五，使用的液压动力顶推设备通过液压回路驱动，其运行动作过程的加速度非常小，几乎无附加动荷载（振动和冲击），实现了设备和顶推钢梁框架结构的高效工作。其六，项目动力设备的自动化程度非常高，不仅实现操作方便灵活、安全可靠，而且便于操作和推广应用。其七，应用的液压同步顶推，是通过计算机控制各顶推点的同步，在顶推实施过程中，钢梁构件不仅始终能够保持平稳的顶推姿态，而且同步控制精度高。其八，此创新工艺高效利用现场施工作业面，对项目总体工期控制非常有利。在该工程中，液压顶推承重设备主要采用液压数控连续千斤顶DYSC350D-300 型，其额定顶推重量为358.5t，及DYCP20-2D 型液压数控泵站（见图3）。

图3 DYSC350D-300 型顶推器及DYCP20-2D 型液压数控泵站

2.3.3 创新顶推同步控制策划

此创新技术采用的控制系统能够根据预先设定的精细化控制策略和系统算法，有效实现对整体顶推钢梁架体的姿态控制和荷载控制。在顶推过程中，该创新工艺对以下安全性指标进行严格控制：首先，确保钢梁各个顶推点所配置的液压顶推设备的系数一致性；其次，确保钢梁构架在顶推过程中的稳定性，确保顶推各个单元结构准确就位，同时保持钢梁构架体各个吊点在上升或下降过程中的同步性（±20mm）。针对以上施工难点，采取以下管控措施：在索塔横梁上设置的顶斜拖拉点的液压顶推千斤顶通过液压数控泵站进行串联或并联，每套液压数控泵站设置2 台泵机。

2.3.4 钢梁顶推实施导向架制作、安装

此创新工艺采用的液压顶推千斤顶在施工中，会在顶部留有长出的钢绞线。然而，需要注意预留的钢绞线长度要适当。如果预留的钢绞线过长，将对钢梁顶推过程中钢绞线的运行、液压顶推器的天锚和上锚的锁定以及打开产生较大影响。因此，每台液压千斤顶需要事先配置好导向架，以确保顶部多余的钢绞线能够顺利导出。

导向架安装在液压千斤顶的后方（稍高），导向架的导出方向要便于安装油管和传感器，并且不影响钢绞线自由下坠。导向架横梁距离天锚的高度应大于1.5～2m，并且偏离液压千斤顶的中心保持在5～10cm。导向架可以使用现场的角钢或脚手管架进行临时制作，但必须确保架体具有足够的强度、刚度和稳定性。

2.3.5 牵引钢绞线的安装

在此工程中，采用19 束AS15.2 牵引钢绞线。每根动力牵引钢绞线的最大长度为580m。总共使用4台液压千斤顶，共计使用76 根钢绞线。由于牵引动力钢绞线较长，在穿钢绞线时，技术员考虑采取以下步骤：首先，在拼装平台端放置索架，并通过架设牵引系统将钢绞线牵引至千斤顶的上端；其次，当基本到位后，即可穿过连接锚具。在操作过程中，钢绞线不可发生窜孔、打结或整体扭转等情况。每束钢绞线露出段应保持平齐，穿好的钢绞线的上端通过夹头和锚片进行固定。

2.3.6 逐级加载实施顶推

钢梁框架的各构件在工厂加工完成后，被运输到施工现场，并按照规范进行存放和验收。在拼装过程中，使用35t 龙门吊将钢梁杆件进行散拼，然后进行整体纵横向的组拼安装。最后，进行顶推施工。顶推完成后，在平台上继续拼装下一个钢梁节段单元，并循环执行此过程。在液压顶推系统检测和试运行无误之后，开始正式的顶推施工。在实施顶推之前，需要计算确定液压千斤顶的伸缸压力（考虑压力损失）和缩缸压力。试顶推开始时，液压千斤顶的伸缸压力必须逐渐上调。开始加载压力设定为总压值的20%、40%、50%。在确认一切正常后，继续加载到60%、70%、80%、90%、95%、100%。试验顶推结束后，必须再次全面检查液压顶推器、设备系统和结构系统。只有当确认整体结构的稳定性和安全性时，才能进行正式的顶推工作。

2.3.7 滑块倒换与落梁

滑块是滑道梁与钢梁之间的摩擦面。每顶推一段距离后，需要对滑块进行倒换。拼装顶推平台及各墩顶的滑块倒换时机为滑块即将滑出滑道梁的时刻，在操作时需保证每个滑道梁上至少2 块滑块，确保滑块接触处钢梁的稳定性。顶推到位及桥面板施工完成后需要将钢梁下落到支座上，落梁总高度约65cm。采用钢板和垫块抄垫，千斤顶下放的方式进行落梁，为保证落梁稳定性，每个落梁支点对称设置4 台150t落梁千斤顶，支垫块与千斤顶交替受力完成落梁过程。操作过程中需在墩顶预埋钢板，安装落梁装置时将立柱与预埋钢板焊接在一起，或者直接通过植筋的方式用化学锚栓将整个落梁调平垫板进行固定。

3 无导梁大跨钢梁连续顶推施工全过程受力安全分析

3.1 钢主梁抗滑移验算

钢主梁大悬臂竖向变形会引起向外侧的滑移水平分力和临时斜拉索向外侧的不平衡水平分力，这些会导致钢主梁在顶推过程中产生滑移安全风险。

3.1.1 滑道顶支反力

针对各工况下支承滑道上最不利水平反力和竖向反力情况，验算单个滑道的抗滑移安全系数。

从表2 可以看出，顶推工况CS30 会出现滑道中较大水平力和较小的竖向反力组合情况，此时钢主梁在滑道上存在滑移风险（见图4）。

表2 各支承滑道中最不利水平力和竖向反力数据 单位：kN

图4 滑道及拼装现场施工图

3.1.2 抗滑移校核

考虑滑道梁顶与钢主梁间设置了不锈钢板，有润滑的滑动摩擦系数可取为0.06，则滑道的抗滑移安全系数：

校核验算结果表明，钢主梁在顶推过程中，抗滑移安全性可以满足控制要求。

3.2 钢梁整体稳定性验算

项目新工艺安全性校核的关键内容之一是验证顶推过程中永久结构的整体稳定安全系数。由于项目采用无导梁顶推新工艺，其结构系统具有特殊性，传统的一阶屈曲分析无法得出合理的计算结果。因此，在该研究中采用Pushover 分析来进行结构的二阶弹塑性极限点稳定分析。在合理设置钢主梁的材料非线性特性的情况下，结合指定的加载模式，利用Pushover 分析可以准确计算结构极限点稳定的极限值。与屈曲分析相比，通过Pushover 分析得到的分支点和稳定的上限值更加可靠和精确。通过分析得到的全过程能力-位移曲线，可以根据初始塑性铰出现时对应的稳定荷载来计算整体稳定安全系数（见表3）。

表3 各关键顶推工况下钢主梁整体稳定安全系数值

通过对项目顶推过程中钢主梁的静力弹塑性分析，得到的顶推过程中钢主梁的极值点整体稳定安全系数均超过4.0，说明顶推过程中钢主梁的整体稳定能满足安全性控制要求。

3.3 钢主梁局部稳定验算

无导梁顶推施工新工艺的核心是在钢主梁上设置临时扣塔，利用临时斜拉索调整悬臂钢梁段受力状态。

顶推过程中，由于临时斜拉索的索力不断变化，临时扣塔会承受较大的竖向力和弯矩作用，而临时扣塔塔柱会将作用力传递给钢主梁，对钢主梁局部产生巨大的压力和拉力。因此，必须对钢主梁的局部稳定性进行安全性校核分析。在SAP2000 中建立前/后塔柱下局部钢梁板壳三维模型，将塔柱轴压力作为均布压强作用在钢梁顶翼缘。然后对钢梁模型进行特征值屈曲分析，其中前塔柱下钢梁局部精细建模分析的屈曲系数为21.6，后塔柱下钢梁局部精细建模分析的屈曲系数为25.3。这些屈曲系数表明构件稳定性可以满足安全性控制要求。

4 无导梁大跨钢梁连续顶推施工抗风稳定性分析

由于风场的方向和切入角问题，在桥梁风荷载计算中，存在构件间风作用的遮挡。该仿真模拟针对计算风荷载全部作用于边榀钢主梁和协同分配到4 榀钢主梁进行计算，评估风荷载传递时钢主梁间侧向支撑刚度问题。

从图5 的分析结果可以看出，风荷载均匀施加在4榀钢主梁上和施加在边榀钢主梁上，得到的侧向变形差值很小，基本可忽略，说明各榀钢主梁之间的支撑刚度较好，能够满足风荷载在各榀钢主梁间协同分配的计算假定。

图5 风荷载施加在不同位置上钢主梁的侧向变形结果情况

5 施工安全风险评估及监测预警

5.1 施工安全风险评估

钢梁顶推施工中需要大型临时结构和重型设备参与施工，且施工工序相对复杂，存在以下几点施工安全风险：

其一，钢梁施工中，钢梁在拼装平台进行拼装，如果拼装施工控制不合理，产生质量问题，各梁段连接处存在强度缺陷，则有可能为此后的顶推施工工作埋下隐患，引发严重施工安全风险；

其二，顶推施工时如不能保证钢梁运动的连续性，造成钢梁的“爬行”运动现象，对高墩会造成反复冲击，引发严重施工安全风险；

对多次点炉、拆开回火器和烧嘴，利用废布在炉口燃烧实验等措施进行分析，发现造成绿色、紫色回火器炸裂的主因是C排以上形成“锅盖”，炉内燃烧气氛上行受阻，导致回火器和防爆片炸裂；而“锅盖”成因主要是C5水冷套管内部有3个砂眼漏水，停炉后吹扫过程中，由于被汽化的水蒸汽比空气的比热大，冷却过程中带走热量更多，散热速度快，C排以上一些已熔化的铜在吹风时下落，下落至C排以上立即凝固，因此堵塞气体上行的缝隙，加之炉内上部电铜的重力作用，使得C排以上电铜形成一层密封严实的电铜块，即形成“锅盖”；点炉过程中，将易燃的废布、木块丢进炉口后，未见明显火焰、气流上升，则说明炉内气氛上升受阻。

其三，若顶推不同步，会产生负载集中的现象，加重先启动千斤顶的负担，墩水平受力异常增大，钢箱梁横向偏移、都会使高墩发生过大偏移，甚至超出其允许值，同时导致顶推过程中梁出现中线偏离、各高墩墩顶偏位超出设计要求的问题，引起的施工安全风险；

其四，当钢梁底部预制不够平整，滑道顶面不够光洁，滑道及支座存在标高误差时，则可能造成钢梁底板应力集中，增加顶推的摩阻力，影响顶推的顺利进行，从而引发安全风险。

5.2 监测技术研究

5.2.1 应变监测方案

（1）顶推过程中高墩底部混凝土的应变测试。

测试部位：选取两个受力较大的高墩，在高墩底部四个面布置测点，具体位置见图6。

图6 高墩应变测点布置图

测点数量：16 个测点。

测试设备：DH3819 无线静态应变测试仪（采样频率60Hz）。

监测项目：高墩底部混凝土的弯曲应力情况。

测试频率：顶推施工时连续测量。

（2）顶推过程中临时扣塔的应变测试。

测试部位：选取临时扣塔边柱和相邻的钢柱进行测量，选取应力测点布置在临时扣塔的钢柱底部横桥向及顺桥向位置。具体位置见图7。

图7 临时扣塔应变测点布置图

测点数量：8 个测点。

测试设备：DH3819 无线静态应变测试仪（采样频率60Hz）。

监测项目：顶推施工过程中临时扣塔在斜拉索及缆风绳的作用下底部应力变化情况。

测试频率：顶推施工时连续测量。

（3）变形监测方案

变形监测是顶推施工中主要测试项目之一，变形监测主要针对钢梁悬臂端附近的变形和临时扣塔顶部水平变形监测。

测试部位：在顶推施工过程中进行测试，其中钢梁前段2 个监测点，临时扣塔4 个监测点，钢梁最大脱空处2 个监测点，T2斜拉索位置2 个监测点，共10 个监测点，具体位置见图8。

图8 钢梁变形测点布置图

测试设备：精密数值水准仪、数字全站仪。

监测项目：顶推过程中临时扣塔顶端及钢梁悬臂端变形情况。

监测频率：顶推施工及桥面板安装施工时连续测量。

6 结语

无导梁大跨钢梁连续顶推施工新工艺的核心在于引入辅助临时施工装置，如临时钢管矮扣塔和临时斜拉索，并应用2×4m 加强型无落地支架设置方法。通过在贵州省纳雍至晴隆高速公路第T15 合同段牂牁江特大桥晴隆岸引桥上的应用过程中进行研究和实施，取得显著的效果。这项工艺减少大型临时结构的总用钢量26t，降低材料采购和制作费用24 万元，缩短引桥施工工期35 天（2 联），减少高空作业工班55个，并产生直接经济效益125 万元。通过优化无导梁顶推施工工艺，可以降低顶推平台约20%的设计竖向荷载，节省施工支架措施费用约12 万元；同时，通过优化墩旁托架设计，还可以节约材料采购和制作费用约4 万元。综上分析，此创新顶推工艺结合装配式组合钢管矮扣塔的定型化和标准化施工，应用于此项目中可产生约140 万元/桥的直接经济效益。如果将此项目研究成果未来应用于其他桥梁建造中，将产生更加丰厚的经济效益。