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公路桥梁钢箱梁顶推法施工

[摘　要] 随着我国城市化建设的不断发展，公路桥梁的建设不断增多，顶推施工技术由于具有施工简易、噪声较低、建设平稳、施工质量有保证的优点而被广泛应用于各种桥梁建设中。本文主要介绍钢箱梁顶推法施工工艺，并以实际工程为例，来说明其技术关键和施工控制的重要性。
[关键词] 钢箱梁 顶推 技术关键 施工控制
1 顶推施工
1.1 顶推施工工艺原理
随着我国城市化建设的不断发展，公路桥梁的建设不断增多。顶推施工技术由于具有施工简易、噪声较低、建设平稳、施工质量有保证的优点因而被广泛应用于各种桥梁建设中。
顶推施工方法的思想来源于钢桥，其基本思路是：在桥台后的预制场地预制15~30m的梁单元，并不断预制接长。同时将它通过聚四氟乙烯滑板支座将其顶推至最终位置，从而实现无支架施工。
箱梁顶推施工的一般步骤如下：
制梁台座施工

内外模板制造
底模外模安装调整

导梁制造、安装
模板、底板钢筋预应力筋安装

内模安装

顶板钢筋及预应力筋安装

检查签证

混凝土灌注、养护

内模脱模

图 1-1 箱梁顶推施工过程
安装调整支座
拆除导梁及滑道
浇筑末端箱梁
箱梁顶推
预应力筋张拉
布置滑动底座、导向及顶推设施
落外模、底模并布置滑移装置
1.2 顶推施工方法的分类
1) 依顶推施力的方法可分为：
①单点顶推
全桥纵向只设一个或一组顶推装置的施工方法。顶推装置通常集中设置在梁段预制场附近的桥台或桥墩上，而在前方各墩上设置滑移支承。顶推装置的构造又可分为两种：一种是水平一竖向千斤顶法；另一种则是拉杆千斤顶法。

图1-2 单点顶推示意图
②多点顶推
由于单点顶推存在一个严重缺点, 就是在顶推前期和后期, 垂直千斤顶顶部同梁体之间的摩擦力不能带动梁体前移, 必须依靠辅助动力才能完成顶推。此外, 单点顶推施工中, 没有设置水平千斤顶的高墩, 尤其是柔性墩在水平力的作用下会产生较大的墩顶位移, 甚至威胁到结构的安全。为了克服单点顶推的这些缺点, 便产生了多点顶推法。
多点顶推法的优点是任何阶段都能提供必须的顶推动力, 在顶推过程中水平千斤顶对墩台的水平推力同梁体作用在墩台上的摩擦力相平衡, 有利于柔性高墩的安全。但是必须保证多台千斤顶同步工作, 而且可以分级调压, 使作用在墩顶的水平力不超过设计允许值。
多点顶推的动力装置从广北立交桥后, 都采用穿心千斤顶、钢绞线束、自动工具锚体系。其滑道除个别工程利用盆式支座等形式外, 一般采用图1-3所示的方式。

图1-3 普通滑道示意
2) 依支撑系统可分为：
①设置临时滑动支承顶推
顶推施工的滑道是在墩上临时设置的，用于滑移梁体和起支承作用，待主梁顶推就位后，拆除顶推设备，对于预应力混凝土梁，还要进行张拉后期索筋和管道压浆工作，待管道水泥浆达到设计强度后，用数只大吨位竖向千斤顶同步将一联主梁顶起，拆除滑道，安放正式支座。
②使用与永久支座合一的滑动支承顶推
采用施工时的临时滑动支承与竣工后的永久支座兼用的支承进行顶推的方法。它将竣工后的永久支座安置在墩顶的设计位置上，施工时通过改造作为顶推滑道，主梁就位后，稍加改造恢复原支座状态，它不需要拆除临时滑动支承，也不需要用大吨位千斤顶顶梁的作业。
3) 依顶推方向可分为:
①单向顶推
预制场设置在桥梁一侧，从一端逐段预制，逐段顶推，直到对岸的施工方法。
②双向顶推
在桥梁两岸同时设置预制场，由桥梁两端同时分段预制，逐段顶推，最后在跨中合龙的施工方法。对于多跨桥梁，为缩短工期和便于顶推施工，可采用双向顶推。此外当连续梁的中孔是跨径较大而不宜设置临时墩时，可分别从两边孔向中孔进行双向顶推。双向顶推施工需要两个预制场，两套设备，使用的施工场地也多，因而施工费用高些。同时采用双向顶推施工需要注意顶推至悬臂状态时，主梁的稳定问题要有足够的保证，必要时可采用设置临时支承、梁后压重、加临时支点等措施解决。
1.3 顶推施工方法的特点
由1.1节和1.2节可总结出顶推施工方法具有以下特点：
1) 顶推施工的桥梁一般单跨顶推力通常在50—100t之间，远比梁体自重小，所以顶推设备轻型简便，不需大型吊运机具，保养与运输方便，适合特殊场地使用，如水深较小浮吊不能进入的河流或者深谷等；
2) 对桥下地基和净空无要求，不影响通车或通航，由于预制场通常设在岸上，搭建拆除简单，混凝土或者是钢构件运输方便；
3) 对混凝土桥的顶推施工来说，浇筑混凝土仅需一套模板周转，节省材料；施工工厂化，易于质量管理。搭设平台的材料大多为型钢和钢板，便于取材和重复利用；
4) 场地固定集中，便于安全施工，受环境干扰小；
5) 工作条件相对较好，所需劳动力少，劳动强度不高；
6) 顶推法宜在等截面梁上使用，由于顶推悬臂弯矩不能太大，且施工阶段的内力与运营阶段的内力也不能相差太大，所以顶推以中等跨径的多跨梁桥为宜，跨数太少极不经济；
7) 顶推施工时，梁的受力状态变化较大。同时，施工的应力状态与运营的应力状态相差较多，因此在截面设计和配筋时要同时满足施工与运营荷载的要求，在施工时也可采取架设临时墩、设置导梁和其它措施，减少施工应力；
对于跨越高速公路、铁路等特殊场地条件的钢箱梁桥，由于其主梁断面多为等截面，顶推施工方法还是比较有优势的。而斜拉桥、悬索桥一般是在场地、运输条件受限的情况下才选取采取顶推施工法的[1- 3]，和悬臂拼装施工相比，顶推方法施工大量的临时墩和顶推点复杂的局部构造势必造成经济上的浪费，但是顶推施工在一些方面上也是有优势的。
首先，在焊接上，由于顶推施工是在固定的场地上进行焊接，故焊接质量相比吊装现场焊接要更有质量保证；由于主梁顶推就位以后才张拉拉索，锚固处理上施工条件也相对比较好；顶推过程中，主梁的受力比较明确，标高等较容易控制，主梁就位后张拉拉索力学计算模式明确，可以保证成桥的受力和预期设计基本相同，在顶推就位上的主梁进行施工安全更能得到保证，而且不存在合龙的问题。悬臂施工箱梁吊装阶段，由于吊机作用在刚架设好的钢箱梁的横隔板上，其横隔板的变形在桥梁的横向类似于简支在斜拉索上的简支梁。而刚准备架设的钢箱梁在横向的变形相当于一个带悬臂的简支梁，虽然纵向变形可以通过斜拉索的索力调节，但是横向变形却不易调整，只能靠马板夹平。这种横向变形是斜拉桥悬臂施工比较难以解决的一个问题，而在顶推施工中完全不存在这个问题。总之尽管下部临时结构和局部构造成本提高，但是顶推施工过程性能相比悬臂施工还是在一定范围内有优势的。
随着钢材应用的日益广泛，顶推施工方法由于其独特的优点在各种类型钢箱梁桥中都得到了应用。
2 钢箱梁顶推施工应用举例
2.1公路桥梁工程的施工概况[4]
某公路桥梁设计情况如下：
设计四跨一联的单箱单室钢梁，其中桥跨径设计成（25+34+36+28)m，钢箱梁要与线路之间的夹角要保持138°，顶板的宽度设置为12.5m，而底板宽度应为7.5m，其中底板水平和箱梁中心线处的距离应为2m，除此之外顶板要有8％的横坡。
2.2顶推方案的实施
施工人员在开展工程施工前先对施工现场的条件进行了勘测，在保障现有路段顺利通行的基础下，确立了顶推施工方案，即先在公路的北桥边设立临时墩，最后由北至南对钢项链采取分段拼装的措施进行顶推。
2.3钢箱梁的顶推施工
（一）安置临时设施
1、首先是关于临时墩的安置。
在公路桥梁施工时建造临时墩不单单是为了建立一个简单的钢箱梁拼装平台，还为了采取有效措施完成钢箱梁的顶推施工作业。所以临时墩的安置是个非常重要的工序，不得有丝毫的闪失。临时墩的设立要充分考虑到它能承受的最大重量以及水平力，另外还要顾及到钢箱梁顶推施工时的前进问题。在进行钢箱梁的顶推工艺施工时，顶梁的千斤顶放置在哪里，横向限位又位于何处，以及在哪里建设施焊及接送滑板人员的工作平台都需要纳入考虑的范围之内。
（1）临时墩的结构位置。这座桥梁的临时墩采用φ500×8的钢管柱和Q235的钢板卷制做材料，在以顾及到拼装钢箱梁中间的顶升千斤顶等因素的基础上，为了提升临时墩的抗推能力，施工人员会给每组的支墩顶部纵向位置设置2根140的纵梁。一些设置在桥墩处的临时墩，要采用塑钢将墩顶和桥梁的支座垫石连接起来。
（2）临时墩基础的扩大。一般情况下会采用钢筋混凝土来扩大临时墩的基础，然后依据地基的实际情况和它的竖向的最大荷载力来确定临时墩的分离基础，通常是两个，尺寸4m×2m×1.2m。
（3）临时墩设置的位置。临时墩线中和线径的方向为其设置位置的依据，每个组的临时墩平面需和钢箱梁半径相同的圆曲线线性之外的保持平衡，另外临时墩的渠道面高程一定要符合竖向圆曲线线形标准。
（4）支架搭设。临时墩的位置要依照图纸再用全站仪进行测量后选择合适的位置，随后再处理好地基，然后再按照标准浇筑混凝土；等到混凝土的强度符合一定强度的标准后再安装钢管柱。在对临时支墩进行安装时，垂直精度应该小于1％，顶面高程要控制在0～-10mm范围内。
2、其次关于滑动和导向装置的施工。滑动装置由上下滑道两部分构成。
（1）滑道位置的处理。顶推滑道一般会选择安放在腹板下面的底板周围，而腹板的下面还要采用三角形加劲肋进行加固，与此同时为了预防钢箱梁突然变形，施工人员会采取加设高肋板的办法来稳定滑道。
（2）下滑道的设置。一般下滑道分为滑道梁和下滑板两部分，钢箱梁在进行顶推施工时很可能造成上滑块挤压卡住，这就对钢箱梁起顶，所以常会在滑道的两边安置吊篮。
（3）上滑块的设置。上滑块通常采用规格为450×225×25的橡胶板，这种橡胶板内部设有两层钢板，还贴有聚四氟乙烯。上下模板之间会产生摩擦力，而千斤顶也会产生相应的作用力，在这两种力的共同作用下就可以完成钢箱梁的顶推施工工作。
（4）安装下滑道。下滑道安装好之后，就要在钢管顶部的支座位置上固定好吊车，随后一定要认真地检查滑道的顶面高程，一旦有差池，可以借助钢板来调整。滑道顶面的高程必须达到施工规定的标准，这样接下来才能开展滑道梁和支座的焊接工作。

图 2-1 支墩与滑道结构示意图

3、最后是导梁的设置
通常会使用长度为顶推跨径0.6～0.7倍的导梁，施工单位在对文中所提的工程项目进行具体勘察之后决定该导梁的长度外侧是22m，内测是20m，截面则是呈工字型的钢板梁。到量的顶板和底板厚度均为20mm，腹板厚度则为16～12mm。在施工时要保持导梁的高度、线形和钢箱梁的一样，与此同时要和钢箱梁的腹板栓接好。
（二）梁段的顶推
1、常采用的顶推方式。在充分考虑了平曲线以及竖曲线顶推因素后，施工人员选择采用多点拉杆工进行连续的顶推，这样就可以削弱桥墩所承受的水平力。
2、安装牵引装置。顶推能够承受的水平力有限，因而施工人员要跟根据其最大荷载力来选择合适的施工仪器。拉锚器通常要安装在钢梁底横向的中心线上的横隔板上，另外要用钢箱梁板与之拴接好。施工前，工作人员要在底板位置确定好拉锚器的栓孔。　
3、采用拼装顶推。要按照施工方案完成梁段和导梁的施工安装工作，并且在安装前要先对梁段补涂装。
2.4 施工监控
在公路桥梁进行施工时，要对顶推进行全程加工，以此来确保钢箱梁、桥墩以及临时墩的安全。[5]
1) 对横向位移的监控。采用全站仪观测小棱镜对顶推的整个过程进行监控，与此同时要从小棱镜安放的位置置来计算钢箱梁和导梁发生横向位移时的误差。对临时墩的顶部也可采取相同的办法。
2) 对桥梁的导梁挠度进行监控。施工人员检测导梁挠度的仪器是水准仪，测量的点一般会选在导梁端断面上，通常选取两个测点，实施顶推过程中完成对梁挠度的实地测量，随后要与规定的挠度值进行比较，存在误差要及时补救。
3) 随时监控钢箱梁、桥墩、临时墩的应力。施工人员按照施工规范在墩底部以及钢箱梁板底部的位置安装应力计，随时测量应力，并把测量所得的数据与规定的数值进行对比。
4) 监测落梁时的永久支座。施工人员应该在永久支座处安装应力计，落梁后要测量并整理每个永久支座的支反力，最后依据所得数据来调整支座的高程。
3 顶推施工技术关键
根据第2章给出的实例，可以总结出钢箱梁顶推施工的关键，如下：
1) 制作台座、节段的制作方法
制梁 台座制作位置的选择是公路桥梁顶推施工能否成功的关键。第一，制梁台座制作的位置必须能够保证桥墩后面两体在顶推过程的安全因素，是的该桥段可以在想要达到的范围之内进行移动、跨越等项目；第二，在制作两台做时，制梁台座的位置还要以顶推的转角为主要考虑系数。想要保证制梁台座和梁体的一致，就必须要使得顶推体尾端的转角为零。
制梁台座的结构形式是公路桥梁顶推施工能否成功的关键，制梁台座的结构形式大致可分为两类：一个是箱梁预制台座。另一个是在基础上使用立钢管或钢筋混凝土的方法在墩身处，形成纵联并使之成为整体，用来承受梁体的重力和水平力。
2) 临时墩是顶推施工能否成功的保证
为了加强预应力钢束的布置，提高跨度的适用范围，进而设置了临时墩。它的设置主要是将一些跨度较大的桥梁能够顺利进行施工，适应导梁和连续梁在顶推过程中的倾覆要求。临时墩的应用不仅可以提高工程的质量，降低工程成本，还可以缩短工程的工期，更是公路桥梁顶推施工成功的保证。[6]
3) 钢箱梁轴线控制
为了保证钢梁在顶推过程中的横向偏移量小于±l0mm，在每个临时墩上，需设置可调节的导向限位块，并且通过各个临时墩两侧千斤顶的顶力变化进行钢梁的纠偏与导向。在顶推施工过程中，测量人员要采用全站仪实时监测各墩的梁体中心线的偏位情况，当发现钢梁中心出现线偏移时，应采用临时墩两侧的千斤顶及时调整，调整目标为各墩顶偏位均在设计要求范围之内。
钢梁的纠偏必须在顶推过程中进行，在钢梁就位后不可进行纠偏工作。临时墩顶的水平偏位测量要连续进行，需做到第一时间发生钢箱梁出现爬行现象或位移过大情况，当遇到这种情况应停止顶推作业，重新设计各墩顶力分布。[7]
4钢箱梁顶推施工控制
钢箱梁顶推施工要经历一个复杂而漫长的施工过程，结构中的各个部分是在分段施工中逐步形成的，各个施工阶段不仅结构形式不同，结构的坐标、边界约束条件、内力和变形均随着顶推过程的进行不断地变化着，并且每个截面都要经历正负弯矩的交替变化，施工荷载也与成桥状态的设计荷载有一定的差异，钢箱梁在定位焊接、顶推的过程中还受到大气温度、日照温差等环境因素的影响。这些影响因素必然造成结构的内力和位移随着顶推施工的进行变化而偏离设计值，因此必须进行施工控制。
从顶推施工桥梁的自身特点来看，为保证顶推施工顺利进行，在确保施工过程中结构安全的前提下，使成桥状态的几何线形和内力状况最大限度地逼近设计要求，是施工控制的最终目的。为此，有必要在钢箱梁顶推施工过程中预测和监控变形情况和受力状态，确定每个阶段的受力和变形方面的理想状态，控制施工的进程。
一方面，桥梁的施工控制是桥梁建设的质量保证，衡量一座桥梁的质量标准就是保证已成桥梁的线形以及受力状态符合设计要求。
另一方面，桥梁的施工控制是桥梁建设的安全保证。因为桥梁的施工都是按预定的程序进行的，对施工中的结构内力和变形都可事先预计，同时也能随时通过检测手段掌握，从而完全可以跟踪施工的进程和发展状况。
此外，桥梁的监控系统还可作为桥梁营运中安全性和耐久性的综合监测系统。随着交通事业的发展，荷载等级、交通流量、行车速度等的提高，还有一些不可预测的自然破坏力也将危机桥梁的安全。若在桥梁建设时进行施工控制，并预留长期测点，将会给桥梁创造终身安全监测的条件，从而给桥梁营运阶段的养护工作提供科学的、可靠的数据[8-11]。
由此可见，钢箱梁顶推施工控制具有重大的意义。
5 结论和展望
本文对钢箱梁顶推施工工艺原理、施工工艺特点、技术关键、施工控制等进行了论述，从中可以看出，在公路桥梁建设中，钢箱梁顶推技术不仅效率高、易施工，同时还确保了交通顺畅等优势。
可以预见，钢箱梁顶推技术必将更广泛的应用于桥梁建设，推进我国桥梁建设的发展。

参考文献
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