步履式顶推装备在钢箱梁施工中的应用

羊建峰 朱乔元

摘要：针对钢箱梁桥大跨度、悬臂长、重心高、重量大等特点，研发出步履式平移顶推装置，可满足梁拱等组合体系和宽幅多箱室钢箱梁、钢桁架桥的整体顶推要求。以杭州九堡大桥和兰州深安黄河大桥为系杆拱梁、常州星港大桥钢箱梁等铁路钢桁架桥梁拖拉法顶推成功实施，其中钢箱梁结构顶推，比系杆拱肋組合结构桥梁步履式顶推施工更难，对促进顶推设备研发及推进顶推技术在不同桥型结构中的运用发展更有重要的意义。

Abstract：
Aiming at the characteristics of steel box girder bridges， such as large span， cantilever length， high center of gravity and heavy weight， a walking type translation pushing device has been developed to meet the overall pushing requirements of beam-arch combination systems and wide multi-chamber steel box girder and steel truss bridges. The dragging method of railway steel truss bridges such as Hangzhou Jiubao Bridge and Lanzhou Shen"an Yellow River Bridge as tied arch girder， Changzhou Xinggang Bridge steel box girder and other railway steel truss bridges have been successfully implemented. Among them， the steel box girder structure is pushed better than the tied arch rib composite structure. It is more difficult to construct bridges with walking jacking， which is of great significance for promoting the research and development of jacking equipment and the application and development of jacking technology in different bridge structures.

关键词：步履式顶推装备;钢箱梁桥;施工方案

Key words：
walking jacking equipment;steel box girder bridge;construction plan

中图分类号：U445.462                                    文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）27-0242-03

0  引言

近年来，随着我国经济的快速发展，桥梁建设也顺时代朝流，新型桥梁结构在不断推出，各种结构类型的桥梁施工也正朝着大型化和大跨度方向发展。施工工艺也随着科技化、机械化得到不断的创新，施工装备正朝着系列化、精细化、微电子技术信息化前进。以桥梁施工中的顶推装备为例，自国外上世纪50年代末相继采用顶推施工建造了多座砼结构的桥梁架设以来，我国也在70年代首次在铁路桥梁建设中运用顶推法施工。此后一直在公路、铁路等各类其它建筑中迅速推广应用。顶推技术主要具有占地空间少、不影响交通行通、质量相对稳定、成本低廉等优点。在架桥工艺中具有很强的竟争力，目前采用的顶推施工方法有连续千斤顶拖拉法、单油缸长行程千斤顶顶推法、多台千斤顶组合顶升滑移法等显多样化;从单点集中顶推到多点分散布置顶推、从间歇式顶推向连续顶推。

1  工程概况

常州市星港大桥工程位于常州市钟楼区，跨越新京杭大运河，通航等级为III级，通航净空为70×7m，主桥钢箱梁全长220m，边跨钢箱梁桥面宽39.3m，中跨钢箱梁桥面采用变宽度，宽度为39.3～45.8m，桥面设2%纵坡和1.5%横坡。桥面系采用正交异性板结构，变宽度等高截面连续钢箱梁，全幅单箱七室等高钢箱梁，梁高2.8～3.0m，桥面中间设置主拱肋、2个边拱肋及相应连杆和吊杆。

2  总体施工方案

根据现场工况条件，主跨跨越100m宽的京杭运河，河道航运交通十分烦忙;桥位左右两侧上空均有110～220kV的高压线，净空高度在15～20m左右（最低处距地面20m，距桥面15m），两高压线间水平距离为45m，铁塔边线距离为48.5m（桥面处）;5#墩～6#墩和7#～8#～9#墩地面下埋有大量的生活垃圾，深度在3～5m，不能作为承载力较大的持力层和运输道路使用，需要大面积换填补强处理。

根据设计图纸结构特点，结合现场工况条件，经过多次对该工程施工过程中的重点和难点的分析，和多种安装施工方案的比选，结合现有的施工机械设备，并对目前顶推设备等其它安装机械装备的综合分析研究，决定现场安装总体方案是：先桥面后拱肋结构。考虑主桥220m长，竖曲线大、纵坡、预拱度等桥面结构因素带来的，影响施工安装的风险。对桥面箱梁顶推进一步的分析，决定纵向顶推中跨桥面长度为130.8m。采用多支点步履式顶推顶升的施工工艺;其余东西两侧边跨钢箱梁采用胎架平台运输、安装、焊接的施工工艺;拱肋结构采取桥面搭设拱肋拼装支架，汽车吊抬吊安装、焊接的施工工艺。

3  步履式顶推施工准备和措施

本桥梁为箱梁、拱肋组合结构，如采用拱梁组合体，一次性顶推安装工艺，从桥梁钢箱梁结构形式到顶推安装，都存在较大的结构性不足。从水上块体件拼装，转为陆地拼装，降低了水上大面积作业对航道的影响和水上作业的安全隐患;也解决了高压线有限空间内的安装安全问题。但该桥梁顶推过程复杂，结构受力敏感，传统的顶推工艺和装备难以满足施工需求;为此采用部分桥面系顶推，对选用的顶推设备进行较大改进和创新。特别顶推装备液压受力移动和计算机控制技术的互为交换，需要改进运用，来满足该桥箱梁顶推过程中复杂的受力指标和有关的体系受力转换。从桥梁结构自身长的强度、刚度、稳定性以及航道的最小通航宽度出发，到高压线有限空间内的安装等安全问题，都必须有充分的施工准备。

3.1 顶推模拟分析验算  首先对该桥梁部分桥面结构单跨分三次拼装连续顶推施工，进行实体顶推全过程模拟分析计算，为导梁、支墩、钢箱梁内部结构等各阶段的受力提供了理论依据，也为顶推自动化控制做好了技术保障。该桥采用桥梁结构有限元软件 Midas Civil 2017进行分析。对拱脚段钢结构在步履式顶推施工中局部应力和局部变形，采用土木工程非线性及细部分析软件 Midas FEA V3.8.0 对顶推施工中最不利关键施工阶段进行空间有限元实体模型分析。由于本桥结构复杂、空间效应明显，钢导梁和钢管桁架梁采用梁单元模拟，单箱七室钢箱梁则采用空间梁格系模拟。以每次顶推行程为800mm，进行梁体施工全过程中的结构分析，该分析分成了步履顶推状态和超垫支承状态两种结构模型。并对钢箱梁出现的偶然荷载所引起的顶推敏感性变化也进行了分析计算，确保顶推钢箱梁腹板和底板等内部结构安全。经过分析，支承处局部钢箱梁的底板Von Mises最大应力为290.09MPa，顶推中腹板VonMises 最大应力为 367.17MPa。对顶推过程中存在的顶推腹板、底板受力过大、拱脚段部分拱肋和桥面连结钢板等应力偏大，以及成桥后的结构都作了相应的结构、形状、板厚、数量等调整加强。同时对顶推装备的油缸、滑道、行程、油压也进行了创新改进。

3.2 顶推临时措施  ①钢导梁。前置钢导梁是顶推悬臂状态下桥梁结构过墩的必要措施，采用强度高、轻型材料、不同截面设计更为重要。其目的一方面减小钢梁在顶推过程中的悬臂长度，降低悬臂状态下负弯矩峰值;另一方面引导钢箱梁上临时钢管支架墩，也便于顶推过程中钢箱梁纠偏。目前国内常用的结构形式有桁架梁和钢板梁。它对顶推施工中主梁受力有重大的影响。导梁的长度、刚度和重量，会使与主梁接头处的负弯矩和支反力值相应增加。最佳合理方法是使主梁最大悬臂负弯矩与使用状态支点负弯矩基本接近;在满足强度和稳定性的条件下，宜选用较少重量的变截面导梁，以减少顶推时主梁最大悬臂状态负弯矩的两峰值更趋接近。国内外实践证明，顶推自由长度的 0.6～0.8 倍，集度取 0.1～0.2 倍的主梁集度。鉴于星港大桥跨越繁忙运输的京杭大运河的安全性，航道净通航宽度大于60m。顶推钢导梁为工字型钢板梁，重量130t左右，长42m，和钢箱梁连结处断面高度为2.83m，逐渐变化至端部为2.0m;上下翼缘板和腹板与钢箱梁连结的根端14m范围之内为50mm和40mm的Q355b板，其它均为30mm厚Q355b钢板。

②临时顶推支墩。临时顶推支墩分为水中和陆地两种格构形式。水中支墩采用12根？准1000×12mm 钢管，组合成10.0*8.2m格构立柱支墩，钢管桩间用[20b 槽钢纵横向连结作为支撑;钢管桩顶部设置多级矩形分配梁以支承顶推设备和临时搁置支点。陆地支墩同样采用6 根？准1000×12mm 钢管，组合成5.0*8.20m格构立柱支墩，钢管桩间用[20b 槽钢纵横向连结作为支撑;钢管桩顶部设置多级矩形分配梁以支承顶推设备和临时搁置支点。

③顶推设备（如图1）。根据总体施工方案，主跨结构采用多级步履式千斤顶顶推设备进行顶推滑移中跨长130.8m钢箱梁过河安装，其总重量约4000T（包括导梁和箱梁内加强连结构造）。采用多点顶推可以避免配置大型顶推设备，能有效地控制顶推时梁体的偏移，对桥墩的水平推力可减小到很小。在每个临时支撑架上均设置滑动顶推装置，将集中的顶推力分散到各个支撑架上。但多点顶推需要较多的设备装置，操作时的同步性等要求甚高。

顶推装备主要包括顶推基座、顶升油缸、侧移油缸、顶推油缸等，通过计算机控制液压油缸驱动实现组合和顺序动作。它有三大系统：TLYQ-3750型步履式移桥器，TL-HPS-60型液压泵源系统，TLC-1.3型计算机同步控制系统。改进后的顶推装备比其它顶推设备施工过程中最大优点是：超长行程顶推、新型滑板材料、大油缸、低油压（31.5MPa）、球形活动顶升连结、组合式顶升分配梁等结构。满足了钢梁纵横顶推力点不同距离的同步协同工作，使钢箱梁顶升受力均匀、顶推移动平稳;特别是顶推加速小＼不会出现爆管，启、停顶推工况钢梁不会出现抖动现象;便于实现顶升、顶推、侧移三向自由均能独立运动;便于钢箱梁在顶推过程中的纠正和调整;以使侧向位置、顶推、就位精度达到毫米级;对所顶推钢箱梁顶推腹板、底板和下部支撑施加的外力较小，可减小临时支墩的材料用量;特别适合超大超宽型构件同步顶推任意组合和箱梁内横隔板大间距的设置，而进行长行程的顶推滑移施工。

1）TLYQ-3750型步履式移橋器。

2）液压泵源系统。动力系统由液压泵源系统（为油缸提供液压动力，在多个液压阀的控制下，完成相应的动作）及电气控制系统（动力控制系统、功率驱动系统、计算机控制系统等）组成。每台泵站有两个独立工作的单泵。该桥梁移桥器数量及泵站配置4台60kW的液压变频泵站。

3）控制系统。TLC-1.3型计算机控制系统，由计算机、动力源模块、测量反馈模块、传感模块和相应的配套软件组成，通过CAN串行通信协议组建局域网。它是建立在反馈原理基础之上的闭环控制系统，通过高精度传感器不断采集设备的压力和行程信息，从而确保液压缸能顺利工作。

4  步履式顶推施工

4.1 顶推工作原理  步履式顶推施工工作原理：在计算机液压系统控制下，顶升液压缸顶起钢箱梁，平移液压缸完成向前推移，顶升液压缸缩缸，使钢箱梁落梁搁置于换手临时支墩上，平移液压缸缩缸返回完成一个行程的顶推操作。步履式顶推操作过程是一个自平衡的顶推动作过程。滑移过程中，经常会出现钢箱梁侧偏，即可使用侧移液压缸实现纠偏。顶升液压缸上装有压力传感器，能监测滑移过程中的负载，防止出现过载现象。顶升、平移、侧移液压缸均装有位移传感器，能实现滑移过程中的位移监测，便于控制。

4.2 顶推施工流程（如图2）  第一步：启动液压泵站，顶升液压缸将钢箱梁顶起，脱离胎架后停止。第二步：平移液压缸向前顶推一个行程，钢箱梁向前平移800～900mm。第三步：顶升液压缸缩缸，钢箱梁落梁在临时支墩上。第四步：平移缸缩缸，返回初始状态。依次重复，直至钢梁平移结束。

4.3 顶推施工控制重点和措施  顶推施工控制的重點是：顶推装备同步顶升时各顶举反力值;顶推时各顶推力的同步性和位移量;顶推时顶推滑移的摩阻力变化控制;顶推构件内部受力、线型监测报警。由于桥面箱梁顶推施工现场工况条件限制，作用力复杂多变，采用电脑软件集中现场或远程控制，通过灵活配置装备功能来实现数台顶推设备的同步性和统一性。安装在顶升油缸上的压力传感器检测到的压力数值转换成支反力值，再将换算值传给顶推油缸设定压力。油缸根据要求的压力提供顶推力，并控制两侧临时墩上的顶推油缸同步顶推。当完成推进一个行程结束之后，所有顶推油缸全部缩回至下一个行程的起点，即可进行下一个行程的顶推操作。顶推控制装备竖向顶升力，随纵向顶推行进长度变化，竖向顶升力也发生变化，随之产生的滑道摩擦力相应增大。根据模拟顶升来调整各顶推装备上的受力，达到控制顶推设备协同顶推滑移。根据“位移同步，荷载跟踪”的控制策略，以各装备顶升油缸的顶举力为依据，以顶推油缸顶推水平力和感应位移量作为控制参数，以达到推力和位移等线型的综合控制。结合施工过程中预先设置在箱梁内部顶推腹板、横隔、桥面板等各部位的应力传感器，进行实时的监控测量;对顶推时超出控制范围的数值，随时报告，以便调整各顶升反力。同时结合桥面各测控点位进行顶推线型的监测控制，使之按预先的模拟线型顶推前行。

5  结语

随着国内桥梁事业的快速前进，顶推技术也在不断更新创造。以质量、安全、绿色、环保为目标，顶推技术和配套装备以微电子远程计算机控制，集液压、电控于一体的智能程序化系统的组合步履式顶推装备，正在进一步提高桥梁施工装备的性能及高科技含量。通过星港桥钢箱梁多点步履式联合顶推，使顶推装备模拟计算和作用点二次受力调整更有机的结合、长行程双滑道、高性能滑块材料以及高强轻型导梁等技术更趋完善。为以后的钢桥步履式顶推设备集成化、远程信息化、控制自动化的推广运用起到了重要的借鉴之用。

参考文献：

[1]叶翰松.大跨度竖曲线钢箱梁顶推施工技术[J].铁道建筑技术，2013（12）：27-31.

[2]李兆峰，牛忠荣，丁仕洪，方继，王利亚.连续钢桁梁桥顶推施工过程整体式节点受力性能试验研究[J].建筑结构学报，2020，41（02）：182-190.

[3]汤兴.钢桁梁桥多点浮托顶推施工技术研究[J].铁道建筑技术，2019（10）：88-92.

[4]丁得志.长大双坡钢箱梁步履式顶推施工关键技术[J].安徽建筑，2016，23（01）：169-173，176.

[5]赵红福.步履式顶推在钢混结合梁施工中的运用[J].民营科技，2015（01）：79-83.

[6]张鸿，张永涛，周仁忠.步履式自动化顶推设备系统研究及应用[J].中外公路，2012，32（04）：123-125.

作者简介：羊建峰（1965-），男，江苏靖江人，大专，工程师，现任江苏广宇建设集团有限公司钢结构分公司总工程师，主要从事公路桥梁、港航码头、水利涵闸等工程施工管理工作;朱乔元（1983-），男，江苏靖江人，大专，主要从事公路桥梁、港航码头、水利涵闸等工程施工管理工作。