循环托举式多点同步连续顶推施工工法钢梁顶推

循环托举式多点同步连续顶推施工工法1前言随着桥梁建设事业的飞速发展，桥梁结构不断推陈出新，建桥技术也在不断开发新方法，顶推施工技术就是其中一种：当桥梁跨越峡谷、不可间断的运输线（河道、公路、铁路等）、难以拆迁的建筑物等时，或有特殊要求而其他施工方法不能满足施工要求时，采用顶推法施工从空中完成跨越，无疑是一种很好的方法。顶推法施工还具有节约工期、质量可控、安全可靠等优点。目前顶推施工中普遍采用的是拖拉式顶推施工工艺，其步骤为：⑴在桥轴线岸侧设置拼装平台，用于梁段拼接成型；⑵在顶推墩（结构墩或临时墩）墩顶设置滑道系统，要求尽量减少摩擦系数，一般采用滑道梁顶面铺不锈钢板+四氟滑板的方法；⑶在顶推墩（结构墩或临时墩）墩顶设置顶推设备（连续水平千斤顶），并用牵引索（钢绞线）与梁体上锚固点连接；⑷启动顶推设备，拖拉梁体在滑道顶面向前滑移，继续拼接梁段，拖拉梁体前移至指定位置。杭州市XX大桥引桥为一种新型钢-砼组合结构连续箱梁，根据桥位所处施工环境及桥梁结构特点，其钢结构（槽形钢梁，亦称钢槽梁）部分宜采用顶推法施工，但拖拉式顶推施工工艺不能满足施工要求。以杭州市XX大桥为依托，在国内首创了超长联大跨度无临时墩循环托举式多点同步连续顶推施工工艺，并在此基础上总结提炼，研发出“循环托举式多点同步连续顶推施工工法”。该工法能有效解决具有特殊受力要求桥梁、多段竖曲线或平曲线桥梁的顶推，具有适用范围广、顶推施工精确同步、施工进度快、综合成本低、安全环保等优点，该工法的研发必将使我国的顶推施工技术进一步提升到国际先进、国内领先的水平。2工法特点1)本工法适用范围广，不仅可代替拖拉式顶推工艺适用于普通线形钢箱梁顶推，而且能满足具有复杂竖曲线或平曲线钢箱梁的顶推，甚至对于具有特殊受力要求的钢槽梁，能在不降低其技术经济性指标的前提下顺利实施顶推。2)本工法相对拖拉式顶推施工工艺，可以避免梁体拖拉滑移过程中底板与滑道梁可能出现的应力集中现象，不用对钢梁底板加强，且对于自重较轻、跨越能力较大的桥梁可实现大跨度无临时墩顶推，材料用量省，综合成本低。3)本工法所采用的专用顶推设备中，设置有多种高精度传感器，通过液压系统和电控系统的精密控制，顶推施工精度高，安全可靠。4)本工法采用专用的集成顶推设备，所有顶推设备通过网络系统集中统一控制，机械化程度高，施工速度快。5)本工法所采用的专用顶推设备可重复周转使用，减少材料浪费，更符合节能低碳环保的要求。3适用范围本工法适用于钢梁的顶推施工，特别适用于具有特殊受力要求的钢梁（如钢槽梁）、具有复杂竖曲线或平曲线的钢梁顶推施工。4工艺原理循环托举式多点同步连续顶推施工工法的工艺核心主要包括两部分：循环托举式顶推设备及多点同步控制系统。4.1循环托举式顶推设备4.4.1顶推设备介绍顶推设备根据钢梁的技术参数（如梁体重量）和结构特点（如结构受力要求）等综合确定。以杭州市XX大桥南引桥钢槽梁为例：顶推施工时单个顶推设备应满足最大竖向承载力500t的要求，顶推设备与钢槽梁接触的顺桥向长度不小于1.6m，同时应具有竖向支反力调节能力和水平调节能力。按以上要求，顶推设备设计如下：1)结构尺寸顶推设备分为上滑移块和下支撑架，之间设置滑移面。根据受力计算及构造要求，上滑移块顺桥向长度2.15m，横桥向宽度50cm；下支撑架顺桥向长度2.95m，横桥向宽度1.56m；顶推设备总高度1.07m，以满足体系转换时支座安装的要求。2)具体构造竖向顶升油缸（承载能力设计值160t，行程30cm，共4个）安装于下支撑架内，油缸的底脚为球铰形式，支撑在桥墩顶面，下支撑架和上滑移块之间通过安装的滑板和不锈钢板进行滑动，顶推力由安装在上滑移块内的顶推油缸（承载能力设计值70t，行程35cm）提供，滑动时顶升油缸和下部结构相对于桥墩不动。水平调节则通过4个横向调节油缸（单个承载能力设计值35t，行程5cm）实现，顶推设备构造图如图4.4.1-1所示。图4.4.1-1顶推设备构造图/mm钢槽梁结构特点要求顶推设备必须能保证其竖向荷载传递到钢槽梁腹板，为满足该要求，采取在上滑移块顶面设置过渡垫块的方法，实际施工中采用长2.0m、宽15cm的板式橡胶支座，既能保证使钢槽梁腹板受力，又能保证钢槽梁梁底受力均匀，如图4.4.1-2所示。图4.4.1-2过渡垫块布置示意图/mm4.4.2顶推设备工作原理该顶推设备利用“顶”、“推”的两个步骤交替进行，先将钢槽梁托起；再向前托送；然后顶升油缸回油，将钢槽梁搁置于临时支撑上；最后顶推油缸回油，继续实现下一个循环。通过顶推步骤的循环，最终将钢槽梁顶推到预定的位置，该施工工艺我们形象地称之为“循环托举式多点同步连续顶推施工工艺”，其工作原理如图4.4.2-1所示。步骤一：顶升——开启支撑顶升油缸，步骤二：顶推——开启顶推油缸，使钢槽直至钢槽梁被顶脱离临时钢垫梁；梁与上滑移块整体向前滑移，直至顶推油缸一个行程行走到位；步骤三：降低——开启支撑顶升油缸，使步骤四：回位——开启顶推油缸，使上钢槽梁与上滑移块整体往下降，直至钢槽梁滑移块往回移动，直至顶推油缸回位。与上滑移块完全脱离；图4.4.2-1循环托举式顶推设备工作原理4.2同步控制系统确保所有顶推设备同步工作是保证多点同步顶推施工质量和安全的关键。XX大桥南引桥钢槽梁顶推行进距离达920米，顶推施工投入的顶推设备多达22套。本桥液压顶推控制采用基于CAN总线的网络系统，本套控制系统在每个桥墩上设有一个分控制器，分控制器主要包括两个模块，泵站驱动模块和传感器采集模块,分控制器主要的作用是采集传感器的反馈数据和接收主控制器的驱动液压电磁阀指令，分控制器的数据包括：顶升、顶推行程数据，压力数据及各种故障的报警信号，分控制器通过CAN总线与主控制器连接。主控制器是一个标准的嵌入式工控机平台，接收各种传感器发送过来的实时数据信号，经过相应的控制算法处理，输出处理后的控制数据和指令信号，达到对整个系统的集中同步控制目标，包括：顶升、顶推装置的控制，压力数据、位移数据的计算处理以及各种故障的报警。控制系统通过泵站驱动模块和传感器采集模块、行程压力等传感器等以及分控制器、主控制器组成了一个闭环的反馈系统，实时调节各点的顶推位移、角度和载荷。油缸的位移通过位移传感器检测，油缸大腔的压力通过压力传感器反馈，所有的传感器信号通过总线传送给主控计算机进行分析和处理，然后根据控制算法输出泵站驱动信号，调节油缸的动作和速度，从而实现各个桥墩上面的顶推系统同步上升、同步下降、同步顶推及轴线偏位调整等操作。在现有的液压系统中，专门设计了液压锁、安全阀等措施，实现对每台油缸的载荷保护，使整体提升和下降更加可靠安全。在实际工程中，由于顶推结构特点各不相同，施工工况复杂多变，必须采取合适的控制策略，通过计算机软件灵活的配置功能来实施。针对XX大桥工程，制定了“位移同步，载荷跟踪”的控制策略，以各个支墩顶升油缸的支撑力为依据，以顶推油缸的顶推力和位移作为控制参数，实现力和位移（速度）的综合控制。控制系统具有手动控和自动控制两种操作模式。通过计算机软件配置，可单动、可分组动，也可群组动作，操作灵活方便。这样既能实现整个施工精准同步进行，又能对于一些异常情况进行人工干预，保证系统能应对各种复杂的工况和突发情况。5施工工艺流程及操作要点5.1施工工艺流程本工法的施工工艺流程如图5-1所示。图5-1施工工艺流程图5.2施工操作要点5.2.1顶推大临结构施工1)拼装平台钢梁节段需要按拼装线形分轮次拼装焊接形成整体后才能实施顶推，实现钢梁节段的拼焊需要设置拼装平台。拼装平台应以刚度控制，以确保梁段拼接过程中不会沉降导致线形不符；拼装平台与第一个顶推墩（结构墩或临时墩）连接，拼装平台长度与每轮次顶推长度相关，一般前一轮顶推完成后在平台上预留2～3个梁段以便于下一轮拼接时调节线形，平台剩余长度应满足下轮梁段拼接需要。拼装平台顶面设滑道，滑道线形与成桥线形平行，滑道内设重物移位器式标高调节装置，用以实现梁段预拼线形。以杭州市XX大桥为例，XX大桥南引桥钢槽梁拼装平台纵向沿桥轴线布置在PS12到接线墩之间，长110m，宽28.4m，满足“存3片梁，同时拼装10片梁”的施工需要。拼装平台结构布置如图5.2.1-1所示。图5.2.1-1拼装平台立面布置图/cm为实现钢槽梁的无应力拼装线形，采用一种可调高滑块，即在顶面设置标高调节装置的重物移位器，如图5.2.1-2所示。在每片钢槽梁梁底均设置4组可调高滑块，通过滑块标高的调节可保证钢槽梁节段达到理论要求的轴线和标高，从而实现无应力拼装线形。顶推阶段可调高滑块可随钢槽梁在拼装平台顶面的滑道内前移，滑块两侧的导向定位轮还可保证钢槽梁在拼装平台上的轴线顺直。图5.2.1-2移位器式可调高滑块2)顶推钢导梁导梁是顶推施工工艺中必不可少的大临结构。通过设置导梁，可以减少钢梁悬臂长度，改善钢梁受力，便于钢梁顺利上墩。国内外的实践表明，导梁长度一般取用顶推跨径的0.6～0.8倍。XX大桥南引桥钢槽梁顶推不设临时墩，顶推跨度达85m，钢导梁全长51m，分成6节，第一节长8m，第二、三、四节长均为9m，第五、六节长均为8m，总重约100t。导梁节段之间采用高强螺栓连接，导梁和钢槽梁之间焊接。导梁由钢板加工成工型，两工型截面中心距11.05m，通过横向桁架连接，结构如图5.2.1-3所示。图5.2.1-3钢导梁结构布置图/cm3)顶推设备及临时钢垫梁顶推设备每个墩设置2台，上、下游侧各1台。根据顶推设备工作原理可知，要实现循环托举式顶推施工，必须要设置临时钢垫梁作为顶推设备降低及回位过程中钢梁的支撑。临时钢垫梁与顶推设备可顺桥向或横桥向布置，在顶推设备的前后或左右各设置一组临时钢垫梁。对于XX大桥南引桥，由于顶推设备、临时钢垫梁中心线必须对应钢槽梁腹板，而墩身顺桥向长度仅3m，顶推设备顺桥向长度2.95m，因此需在墩身两侧相应位置设置支架，再在支架顶面设置临时钢垫梁。施工中采用4根φ1200×14mm立柱钢管支撑在承台顶面，再在立柱钢管顶设2I45a的临时钢垫梁，临时钢垫梁顶面根据钢槽梁受力要求设板式橡胶支座，具体布置如图5.2.1-4所示。图5.2.1-4顶推设备及临时钢垫梁布置示意图/cm4)临时墩当结构墩间距较大，钢梁结构即使加上钢导梁也无法实现跨越时，就需要在结构墩之间设置“支点”，即临时墩，以减少钢梁悬臂长度，改善钢梁受力，顺利实施顶推。临时墩的设计需根据计算确定其最大承载力，保证临时墩承载力满足要求。采用循环托举式顶推施工工艺施工时，由于顶推设备不会给临时墩施加顺桥向的水平力，因此和普通拖拉式顶推施工工艺相比，可以不设平衡索，因此在构造上更简单，材料用量少，投入更节约。杭州市XX大桥南引桥采用的是一种新型槽形连续钢梁，其自重轻、整体性好、跨越能力强，可以实现85m无临时墩顶推，不仅大大节约了材料用量，而且工期更快（不用搭设临时墩），并避免了临时墩施工过程中的安全风险。5)导梁拆除平台钢梁顶推至最后一跨时，需要根据现场实际情况，确定是否需要设置导梁拆除平台。若结构墩墩顶空间足够，则可利用结构墩作为导梁拆除平台；若结构墩墩顶空间相对狭小，则需要根据结构受力情况和操作空间要求搭设导梁拆除平台。5.2.2连续顶推施工根据桥梁孔跨布置、结构特点、桥位环境、操作需要等实际情况，计算确定上述顶推大临结构的构造形式，按要求施工并检查验收合格，然后按确定的顶推轮次进行连续顶推施工：1)按预拼线形在拼装平台上分轮次拼装焊接梁段，环缝焊接完成且焊缝检测合格之后，启动相应墩位泵站，通过总控室统一程控各墩位顶推设备，同步顶推梁体向前滑移，直至一轮顶推完成；2)第一轮钢梁顶推施工时，只有紧挨拼装平台的结构墩上的顶推设备（2台）参与工作，随着顶推轮次的进行，钢梁到达下一个墩位时，布置于该墩的顶推设备开始工作，逐渐形成多点同步连续顶推；3)一轮顶推完成之后，复测尾端梁段（一般侧2～3跨）的轴线、标高等参数，根据测量结果计算下一轮次的预拼线形，拼装下一轮次的钢梁并顶推，按此循环直至全部钢梁顶推到位；4)钢梁最后一轮顶推施工过程中，要适时拆除钢导梁。钢导梁拆除需根据其结构特点及现场的场地情况、起吊设备情况等综合确定拆除方法。5.2.3顶推线形控制钢梁顶推施工过程中，特别是针对XX大桥南引桥这类超长联超长距离顶推，其线形控制非常重要，应密切观测、及时调整。对于超长联钢梁超长距离顶推施工，当发现钢梁某个顶推墩的轴线偏位超出预定值时，可利用设置在该顶推墩顶面的顶推设备中的4台横向调节千斤顶进行轴线横向调整，及时便捷地纠正顶推过程中出现的偏差，避免超长联钢梁顶推过程中出现“蛇形前进”现象。竖向线形控制主要通过顶推设备中的竖向顶升千斤顶完成：4台竖向顶升千斤顶通过液压系统和电气控制系统的综合控制，可保证4个点均匀受力，自动适应和实现梁底竖向线形。6材料与设备本工法涉及的主要材料和设备如下表所示：序号名称规格单位数量1顶推设备加工工件/套222竖向顶升油缸缸160t/330cm台883水平顶推油缸缸7t/35ccm台444横向调节油缸缸35t/5ccm台885液压泵站40型台226压力传感器/个447行程传感器/套448角度传感器/套449计算机控制柜柜/套110高压油管/米若干11通信电缆/米若干12行走式提梁龙龙门150t座113导梁100t/551m套114履带吊50t台315汽车吊25t台316运梁平板车DCY1500t辆117板式橡胶支座座2m×15ccm×3cm个2218重物移位器100t台6019机械千斤顶15t台1220拖挂车15t台321电焊机/台3022测量设备徕卡套223手拉葫芦5～10t个20注：表中顶推设备加工件、油缸、泵站、传感器等的数量是根据XX大桥南引桥的实际情况确定的（XX大桥南引桥共11个顶推墩，共需顶推设备22套），类似工程施工时可根据具体情况调整数量。7质量控制7.1执行质量标准1)《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）2)《市政桥梁工程质量检验评定标准》（CJJ2-2008）3)《铁路桥涵施工及验收规范》（TB10203-2002）4)《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205-2001）7.2质量控制的技术措施及管理措施7.2.1技术措施1)顶推前，应和设计、监控等单位沟通，按照施工步骤进行全顶推过程的模拟仿真计算分析，确定好顶推过程中各点的竖向力、水平顶推力等理论数据，设定好每个点的受力、位移允许偏差范围，输入到中央控制器数据库中，作为控制参数。2)顶推系统使用前，应进行整体调试和演练，确保顶推过程中所有油缸、油路、控制系统的正常运行。3)顶推过程中，应掌握各工况下竖向顶升力和水平顶推力，并及时与监控提供的数据对比分析。4)顶推过程中若发现顶推力骤升，应及时停止顶推并检查原因，特别是检查顶推设备上滑移块及滑移面。5)导梁在顶推施工过程中正、负弯矩反复出现，要经常检查导梁连接螺栓和连接位置的焊缝情况。6)位移观测：位移观测主要是梁体的横向轴线偏移和竖向标高线形，在顶推过程需用顶推设备及时调整。对于钢槽梁这类具有特殊受力要求的桥梁，更应注意严格控制梁体轴线偏位，一般不允许偏位超过2cm。7)每轮次顶推完成之后，梁段拼装、焊接、环缝涂装等所需时间较长，对于超长联钢桥顶推，当拼接的梁长较长时，温度变化对梁长的影响较大，应在顶推墩墩顶设置滑移装置以适应温度变化导致的梁段伸缩。8)当由于墩身顺桥向长度较小而需设置钢管支架时，钢管支架的设计应注意顺桥向的稳定性，钢管支架要具有一定抵抗顺桥向水平力的能力，且支架顶面的钢垫梁应有足够的刚度，防止顶推过程中因局部压应力过大导致变形。9)顶推到最后梁段时要特别注意梁段是否到达设计位置，须按照监控指令，在温度稳定的时段顶推到最终位置，并根据温度仔细计算测定梁长。7.2.2管理措施1)施工前应编制科学合理的专项施工技术方案并经专家评审通过，再编制详细的施工组织设计和施工作业指导书，并按要求组织三级技术交底。2)建立健全专项质量控制体系，编制详细的工序质量检验控制点，施工中严格执行工序“三检”制度，加强过程控制。3)通过QC小组活动等质量控制手段，积极推动技术进步，改进完善施工工艺，解决施工过程中碰到的问题。8安全措施1)钢梁顶推施工的技术含量高、涉及面广，因技术问题造成的安全事故通常又很大，因此，需编制钢梁顶推施工专项安全方案，经专家论证后按要求实施。2)顶推施工大临结构受力复杂，关系到顶推的整体安全，应仔细分析顶推施工全过程工况，根据最不利工况的受力情况进行设计，并需要请设计、监理、监控复核验算确认。3)严格控制大临结构施工质量，确保施工质量满足结构设计要求，对于单项大临结构应实行完工检验制度，验收通过后方允许投入使用，如拼装平台需经过预压、提梁龙门需经过试吊等。4)顶推墩、拼装平台等大临结构应做好临边防护，按要求设置护栏、安全网；施工现场的脚手架、梯子等设施，应设置安全标志和警告牌，不得擅自拆动。5)顶推设备及其同步控制系统的专业性强，参与顶推施工控制的人员必须经过专业培训，骨干人员必须有丰富的顶推施工经验。6)正式顶推前，应组织相关人员进行“演练”。7)进入施工现场必须按要求佩戴安全防护用品，如安全帽、救生衣等，在无可靠防护的2m以上高处作业必须系好安全带。8)现场施工用电必须严格执行JGJ46-2005《施工现场临时用电安全技术规范》。9)应定期对顶推设备、大型起吊设备等进行保养，保证设备正常运行。10)应密切注意天气预报，六级风以上天气要停止顶推，在十级风来临前，要用风缆将导梁和钢梁固定在顶推墩和拼装平台上。11)应加强对梁体关键部位、顶推墩、顶推设备等的受力监控，与计算分析结果对比，发现异常立即停止顶推，问题解决后方可继续施工。12)钢梁顶推前移不宜在夜间进行。13)顶推设备拆除、大临结构拆除等应注意对既有工程实体（如钢梁、墩身、承台等）的成品保护。14)针对桥位处特定的施工环境，合理组织安排施工。如XX大桥位于钱塘江，整个施工安排应避开钱塘江大潮期间，以确保大临结构及顶推施工安全。15)若顶推施工跨越既有道路，应采取可靠措施（如改道等）防止过往车辆对梁体造成碰撞等损害，同时也防止施工中的坠落物体对车辆、行人等造成打击伤害。16)遵守其他常规安全施工要求。9环保措施1)加强对水环境的保护，生活污水、生产废水按要求处理，不得直排入江；2)顶推设备为全液压结构，应经常检查油封，并在顶推墩顶面设置防止漏油的措施，以免设备漏油造成水体污染。3)水上大临结构施工注意对航道的保护，尽量避免将施工用材掉入水中，对掉入航道并可能影响通航安全的必须清除。4)安排专人清扫施工场地和便道，并经常洒水，防止扬尘对人的危害和大气环境的污染。5)严格控制人为噪音、施工机械噪音，采取合理措施防止噪音对周围居民生活的影响。10效益分析循环托举式多点同步顶推施工工法是一种新型的、先进的顶推施工工法，与普通拖拉式顶推施工工法相比具有