单线连续箱梁顶推施工方案的选择

2006年度优秀科技论文（技术总结）4×5×4040m单线连续箱梁顶推施工方案的选择第1页共7页4×5×4040m单线连续箱梁顶推施工方案的选择内容提要：本文简要介绍了如何制定连续梁顶推施工的合理方案，将从顶推工艺、梁场设计、导梁选择等几个方面阐述。关键词：连续箱梁顶推支座石咀大桥是石太铁路客运专线上的一座复杂大桥，设计院要求梁部施工采取顶推法施工，此设计在全线上属于唯一一座采取此种施工方法的大桥，并且在目前全国客运专线施工中也是第一座顶推桥梁。我国于七十年代首次在西延铁路狄家河桥上采用顶推法施工，接着广东万江公路桥又顺利顶推成功。八十年代，铁路顶推PC连续梁沉寂了大约10年，而公路桥顶推施工却蓬勃发展，相继在湖南、贵州、广东、内蒙古等地用顶推法修建了十多座PC连续梁桥。进入九十年代后，铁路和公路PC连续梁顶推施工均出现了新的飞跃发展势头。据不完全统计，至2004年底，采用顶推施工的铁路、公路PC梁桥已达70余座。我集团公司在1992年承担了宝中铁路中卫黄河特大桥的施工任务，并获得“国家优质奖”工程称号。施工总结了“分段制梁、分段张拉、多点顶推、集中控制”的多点顶推架设工艺。1．常见顶推施工方法顶推法施工的关键是在一定的顶推动力作用下，梁体能在滑道上以较小的摩擦系数向前移动。滑道上采用一种硬度高、同不锈钢之间的摩擦系数很小（f=0.07-0.04）的聚四氟乙烯材料。它同垂直压强成反比，同速度成正比。施工实测数据表明，一般为0.04-0.06，静摩擦系数比动摩擦系数大些。顶推施工方法分为：1.1按顶推动力装置的多少分1.1.1单点顶推顶推动力装置集中设置在靠近制梁场的桥台或桥墩上，支承在纵向滑道上的垂直千斤顶和支承在台（墩）背墙的水平千斤顶联动，能使梁体以垂直千斤顶为支承向前移动。狄家河桥就是采用这种方法施工的。见图12006年度优秀科技论文（技术总结）4×5×4040m单线连续箱梁顶推施工方案的选择第2页共7页另一种单点顶推的方式是水平千斤顶通过拉杆带动梁体前移，滑道为固定的不锈钢板，滑块在滑道上支承梁体。1.1.2多点顶推由于单点顶推存在一个严重的缺点，就是在顶推初期和后期，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。1.2按支承系统分1.2.1临时滑道支承装置顶推施工在永久墩台和临时墩顶设置临时滑道装置进行顶推施工，待梁体就位后起梁、取掉滑道、更换支座、落梁。这是一项复杂的工程，起梁和落梁必须有设计程序，确保梁体的安全。永久墩台的支承垫石顶面标高必须符合设计要求。1.2.2永久支承兼用滑道的顶推施工在条件适当的桥梁顶推施工设计中，把永久支座作必要的临时处理，使其成为临时滑道，当顶推结束后，起梁、拆除临时的滑道，把梁体落在永久支座上。1.3按顶推方向分1.3.1单向顶推单向顶推即只在桥的一端设置制梁台座，分段预制，逐段顶推，直到全桥就位。对于多联的连续梁桥，顶推时，必须把两联之间临时连接起来，全桥就位后，再取掉临时连接。1.3.2双向（相对）顶推在桥的两端台后均设置制梁台座，同时分段预制梁体，逐段顶推。这种顶推方式，必须解决两联梁体即将到位时，导梁的处理问题。通常的解决方式是第一联首先按常规方法就位，第二联顶推到适当位置时，把导梁移至梁顶部，使导梁在第一联梁体顶面滑移。1.4按动力装置的类别分1.4.1步距式顶推大部分顶推桥梁均采用穿心千斤顶、纲绞线束、自动工具锚、拉锚器体系作为顶推动力装置。为了多台千斤顶同步运行，采用主控台控制各个泵站操纵千斤顶，既可以集中控制，又可以分级调压，也可以限定差值（各墩台设计允许的水平推力与施加给墩台的水平力之差）。但是，由于步距式顶推是以水平千斤顶的工作行程为一个顶推步距，当水平千斤顶回程时，梁体便停止前移。对于墩台而言，每一个顶推步距都将经历从静摩擦到动摩擦再到停止的过程，墩台顶部的位移也随之从零到最大到较小到零周而复始地变化。同时，每当顶推力克服了静摩擦力时，梁体便突然前移，而由2006年度优秀科技论文（技术总结）4×5×4040m单线连续箱梁顶推施工方案的选择第3页共7页于静摩擦力突然减小，水平千斤顶的油压随之下降，梁体前移速度也随之减慢——这就是梁体爬行现象。1.4.2连续顶推采用串联穿心千斤顶、纲绞线束、自动工具锚、拉锚器体系可以实现连续顶推，许多桥梁顶推施工都采用这一新工艺。它通过连续千斤顶的连续工作，使一段梁体的顶推作业连续进行，避免了步距式顶推对梁体造成的爬行，减小了对墩台的反复冲击，也提高了顶推效率。2．工程概况石太铁路客运专线石咀大桥分左、右两线，线间距35m，左线中心里程DK97+207.05、桥长166.50m，右线中心里程为DK97+227.05、桥长206.50m，位于坡度6‰的直线上坡段。石咀大桥东接太行山隧道出口，左线桥后与隧道出口净距29.75m、右线桥后与隧道出口净距4.75m；石咀大桥西接长达2km的路基段。梁部采用单线、单箱、单室、直腹板、等高度连续箱梁（图2），箱梁顶板宽8.40m、底板宽4.00m、梁高3.00m；跨中截面顶板厚度0.25m、底板厚度0.30m、厚度0.50m；顶板设横向2%的排水坡、在支点处设横隔墙。图2-1石咀大桥连续箱梁截面图图(支点)图2-2石咀大桥连续箱梁截面图图(跨中)连续箱梁设计采用顶推工法施工，左线分为9段、右线分为11段预制；除首末段外、中间段为标准段，首末段长10.65m、标准段长20m，左线顶推总质量(含导梁)2904t、右线顶推总质量(含导梁)3587t。连续箱梁梁体采用C50级混凝土，设纵向预应力，并布设顶板体外临时预应力束。石咀大桥梁体重——不仅整联箱梁自重大，而且单位梁长自重大。箱梁平均自重173kN/m（最重段193KN/m），西延铁路狄家河桥连续箱梁平均自重80kN/m，宝中铁路黄河特大桥连续箱梁平均自重107kN/m。3．方案选择3.1总体方案根据石咀大桥的设计特点和结构形式，主要考虑技术经济性问题，选择单向单点连续顶推的施工方案，滑道系统采用临时滑道支承装置。采用单点顶推方案只需要两台300t的连续顶推千斤顶以及配套设备，多点连续顶推需要10台60t的连续顶推千斤顶以及配套设备。相比而言，前者节约费用100万。但是值得注意的是，顶推施工方案的选择必须得到设计院的承认，保证墩柱和基础的刚度，才能保证工程顺利进行。2006年度优秀科技论文（技术总结）4×5×4040m单线连续箱梁顶推施工方案的选择第4页共7页连续箱梁顶推系统包括7大部分，主要为制梁台座系统、导梁系统、模板系统、滑道系统、牵引系统、纠偏系统、起落梁系统。每个部分采取的工艺方法不一，但是功能一样，根据不同情况选取经济合理、技术可靠、操作方便的工艺方法。3.2制梁台座系统制梁台座系统包括基础、立柱、预埋件等部分，经常采用的台座有钢筋混凝土台座、钢管桩基础钢框架台座等。选择台座系统时，主要根据经济比选来选择，一般的钢结构台座系统投入较大，如果单位有大量钢管桩和30#以上的型钢，可以考虑采用钢结构台座。石咀大桥选择采用钢筋混凝土结构台座，考虑到客运专线对于桥台后过渡段的严格要求以及工后拆除混凝土台座的麻烦，台座顶标高为路基顶标高减去箱梁高度，不过还要考虑滑道结构和模板结构的厚度。制梁台座的设计包括台座位置确定、台座地基基础设计、扩大基础设计、立柱设计、预埋件设计等。因为预制节段在台座上预制并进行终张拉，所以台座的设计计算很重要。台座位置要保证各个工况情况下，满足抗倾覆稳定的要求，抗倾覆安全系数取1.3。根据建筑地基与基础的设计规范，进行地基基础设计，考虑到石咀大桥台后为湿陷性新黄土地基，采用灰土挤密桩处理，并且保证场地排水畅通。扩大基础和立柱设计采用SAP2000计算，考虑弹性地基因素，计算弹性地基系数输入程序，计算结果简图如下图3。基础和立柱配筋采用计算输出的最大受力荷载验算。图3弹性地基计算简图3.3导梁系统导梁采用重量轻、刚度大的变高度变截面板式梁，主梁全长25米，预埋段1.96米，引导段0.9米。为了便于运输吊装，主梁分为两片，每片分为四段，最重段为12.871吨，工地连接采用精制螺栓。由于下翼缘要通过滑道，故其采用埋头精制螺栓。为增强导梁横向钢度和抗扭性能，两片主梁间设置了上下平纵联和四个横联，为增大主梁连接处的刚度将板梁上翼缘的连接板设置于上翼缘上方。由于导梁前端较矮，为减少顶推时前端重量，导梁前端仅设下平纵联，引导段采用圆弧，做成象鼻嘴形式，象鼻嘴与主梁采用对焊连接。主梁及翼缘连接板、腹板连接板采用桥梁结构钢16Mnq，平纵联、横联及节点板采用16q，螺栓采用符合国标的铆螺3（ML30CrMnSi）。导梁在箱梁端跨节段灌注前就位，两者之间用精扎螺纹钢连接，以减少箱梁端跨在顶推悬臂时的梁体内力。导梁如图4所示。导梁设计验算可以采用medias有限元软件计算，也可以采取手算方式验算每个工况的受力情况。导梁设计验算的关键一环是导梁与混凝土箱梁连接处的受力验算，如下图求导梁与混凝土梁连接处C的最大弯矩和剪力：2006年度优秀科技论文（技术总结）4×5×4040m单线连续箱梁顶推施工方案的选择第5页共7页上翼缘：-Mmax=QL2/2（当X=0时）Q左=-QL下翼缘：Mmax时，X=？求RB：ΣMA=0：RB=[q导L（L/2+L。-x）+q箱梁/2（L跨长-x）2-q箱梁L12/2]/L跨长（1）Mc=RBX-gL2/2（2）将RB（1）式代入（2），得三次方程求Mc的微分方程dMC/dx=0得二次方程，解之，得X值。X值即为导梁上墩之后，连接处发生最大负弯矩的工况距离。图4导梁图3.4模板系统模板系统包括底模、侧模、内模、端模、侧模滑道以及千斤顶支撑系统等。如图5所示。跨长L1L。-xL。xg导梁长LCBA2006年度优秀科技论文（技术总结）4×5×4040m单线连续箱梁顶推施工方案的选择第6页共7页图5模板系统立面图3.5滑动系统滑动系统包括滑道、滑块、楔块、滑板等。滑道除个别工程利用盆式支座等形式外，一般均采用图6所示的方式。图6滑道示意图一般设计的滑块为400×400×13mm，其中1.5mm聚四氟乙烯在下方，其余为两层2mm钢板和橡胶，这三种材料在工厂以特殊工艺压制而成，设计承压应力5-8Mpa。不锈钢板厚2mm，滑道横向宽度可设计为500mm，纵向长度由最大垂直反力和滑道设计承压应力确定。为了保证滑动系统的受力达到设计要求，支座系统采取钢盒混凝土加强；为了调整6‰的坡度，需要加入调坡楔块。3.6牵引系统牵引系统包括千斤顶、临时拉索、拉锚器、辅助设备、千斤顶支架等。选择千斤顶需要计算总顶推力。总顶推动力H=K∑Rifi±GI（式中K是安全系数，1.5-2.0，Ri是墩台滑道的垂直反力，fi是相应的静摩擦系数，G是箱梁总重量，I是顶推坡度，上坡取+，下坡取-）。根据石咀大桥右线顶推总重量约为3600t，选择两台300t千斤顶即可完成顶推工作。临时拉索采取预应力钢绞线，拉锚器和千斤顶根据单边受力300t计算。3.7纠偏系统2006年度优秀科技论文（技术总结）4×5×4040m单线连续箱梁顶推施工方案的选择第7页共7页为了控制梁体在顶推过程中的中线始终处于规范范围内，需要设置纠偏系统。纠偏系统分为被动导向装置和主动导向装置。3.7.1被动导向装置当梁体横向位移较小时，可采用图7所示的楔块挤压法纠偏。楔块靠近墩顶锚碇的部分是固定的，靠近梁体的半块同梁体之间设置橡胶板随梁体前移，楔块的斜面非常光滑，当梁体前移时，梁体就会被挤向图示方向。图7被动导向装置3.7.2主动导向装置当梁体偏移较大或被