摘要：本文根据多年的实践经验,分析介绍了顶推桥梁的技术原理、施工方法、及关键技术.
关键词：顶推法；桥梁工程；施工技术；应用
1、顶推法施工的技术原理及方法
1.1 顶推法施工原理
施工原理是沿桥纵轴方向的台后设置预制场, 分阶段预制梁体,纵向预应力筋张拉后,通过水平千斤顶施力,借助滑道、滑块,将梁逐段向前顶推,就位后落梁,更换正式支座。
1.2 顶推施工方法
施工的关键是在一定的顶推动力作用下, 梁体能在滑道装置上以较小的摩擦系数向前移动。施工实测资料表明,聚四氟乙烯板和不锈钢板之间的摩擦系数一般为0.04~0.06, 静摩擦系数比动摩擦系数大些。
1.3 顶推施工方法分类
1.3.1 按顶推动力装置分
(1)单点顶推。顶推动力装置集中设置在靠近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墩(台)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。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,在滑道前后设置垂直千斤顶用来起落单点顶推示意梁体使滑块能从前向后移动,这是早期做法。后来把滑道前后作为斜坡,滑块可以手工续进,就不必用垂直千斤顶顶起梁体后移滑块了。
(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。一般都采用穿心千斤顶、钢绞线束、自动工具锚体系。
1.3.2 按支承系统分
(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,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。
(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,把永久支座做必要的临时处理,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。国外的RS施工法,由于采用很薄的不锈钢带(0.6mm)和橡胶(3mm)组成的连续滑板,就象放映电影胶片一样自动循环,可以取消起梁、落梁的复杂工序,简化施工。
1.3.3 按顶推方向分
(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。对于多联的连续桥梁,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。
(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,使第二联导梁在第一联梁体顶面滑移。这种方法需要的设备多,只在桥梁较长,工期很紧张的情况下才考虑采用。
1.3.4 按动力装置的类别分
(1)为了使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,即可集中控制,又可分级调压,也可以限定差值(各墩台设计允许的水平推力与施加给各墩台的不平衡推力之差)。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→最大→较小→零这样周而复始的变化。同时,每当顶推力克服了静摩擦力时,梁体便突然前移,而由于动摩擦力比静摩擦力小,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。它对柔性高墩的安全存在严重威胁,因此,出现了连续顶推新工艺。
(2)连续顶推。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,避免了步距式顶推时梁体的“爬行”现象及对墩台的反复冲击,同时也提高了顶推效率。
1.3.5 按箱梁节段的成型方式分
(1)预制组拼,分段顶推。在墩(台)后设置制梁场、存梁场、拼梁线,按照设计顶推单元划分,将顶推单元分成若干个块件预制,在拼梁线上组拼,张拉预应力形成整体后顶推的施工方法。当台后场地条件好,具备运输和就地拼装能力,工期要求紧迫时,设计和施工方案可以考虑预制箱梁节段、墩(台)后拼装、分阶段顶推的施工方案。逐段预制,逐段顶推。在墩(台)后设置制梁平台,将连续梁分成若干个节段,按照设计顶推单元划分,每一个顶推单元为一个预制的基本节段,依次在制梁台座上制作,在墩顶设置顶推滑道、顶推千斤顶,通过各千斤顶出力, 牵引顶推传力拉索带动梁体在滑道上向前移动,前段梁顶出台座后,在台座上接灌下一梁段,将梁逐渐向对岸顶推。
2、顶推关键技术
2.1 制梁台座和节段的制作
制梁台座为预制箱梁节段和顶推作业的过渡场地。台座上一般设有可升降的活动底模架和不动的台座滑道。与制梁台座相配套的还有预应力钢束穿束平台、钢筋绑扎平台、测控平台及必要的吊装设备。这些设施使梁段制作具有明显的工厂化生产特点,从而有效地保证了箱梁的施工质量。梁体节段的预制周期制约全桥的施工工期。顶推节段长度一般为10~24m,又以16~20m居多。每联箱梁除首尾两节外,中间各节段长度均相等。顶推施工进入正常后,节段作业循环周期一般在7~15d。
(1)制梁台座位置的选择
制梁台座位置选择的原则主要有以下几个方面:首先, 必须保证墩台后端梁体在顶推过程中的总体稳定和抗倾覆安全,使梁段在预制场地范围内逐步顶推到标准跨。制梁台座的位置应尽量地向前靠,充分利用永久墩、台基础和墩身,少占引桥或引道位置,减小顶推工作量,避免顶推到最后时,梁的尾端出现长悬臂;其次除必须使顶推梁体尾端的转角为零,以保证梁体线形一致外,还应考虑拼装导梁的场地。
(2)制梁台座的结构形式
预制台座基础应根据地质、水文条件,选择合理的基础方案,必要时平台基础宜采用临时桩基础, 防止在浇注和顶推梁体时发生沉陷,影响预制梁段的接长或梁体的顶推。预制台座的构造布置可分为两部分:①为箱梁预制台座,即在基础上设置钢筋混凝土立柱或者钢管立柱,立柱顶面用型钢联成整体,直接支撑预制模板,只承受垂直压力,顶推前降下模板,脱离梁体;②为预制台座内滑道支撑墩或整体滑道梁,在基础上立钢管或钢筋混凝土墩身,纵向联成了整体,顶上设滑道,梁体脱模后,承受梁体重力和顶推时的水平力。预制台座一般采用刚性设计,台座结构形式宜采用梁柱式结构或整体框架结构,刚度、强度满足顶推施工的技术要求,表面平整、标高准确,不得发生沉降。
2.2 临时墩
由于支点负弯矩的增加与跨度的平方成正比, 在箱梁截面和预应力钢束强度有限的情况下,当跨度增加到一定限度时,预应力钢束就没法布置了,所以PC梁采用顶推法施工有个“适用跨度”的问题。提高适用跨度的途径之一是设置临时墩。在连续梁的跨度大于顶推跨度时,宜设置中间临时墩,在不设临时墩时,为满足安装钢导梁和连续梁前期顶推抗倾覆的要求, 在制梁台座前和连续梁第一跨内设临时墩,作为顶推施工的过渡段,保证梁体线形与已经顶推出去的梁体完全一致,避免大梁从制梁台座上顶推出去以后,与接灌的下一梁段出现大的转角。临时墩应能承受顶推时的最大竖向荷载和最大水平摩阻力引发的变形。在此原则前提下,尽可能降低造价,便于拆装。为提高临时墩的稳定性, 防止临时墩在箱梁顶推过程中产生较大的水平位移,保证顶推安全,将临时支墩与相邻的主桥墩和制梁台座进行撑拉连接,用水平或斜拉钢绞线束临时加固。
2.3 导梁
导梁设置在主梁前端,可为等截面或变截面钢板梁,导梁结构必须通过设计计算,从受力状态分析,导梁的控制内力是导梁与箱梁连接的最大正、负弯矩和下翼缘的最大支点反力。导梁的刚度在满足稳定和强度的条件下,选用较小的刚度及变刚度的导梁,将在顶推时减小最大悬臂状态的负弯矩,使负弯矩的2个峰值比较接近。此外,在设计中要考虑动力系数,使结构有足够的安全储备。为减轻自重最好采用从根部至前端为变刚度的或分段变刚度的导梁。
2.4 滑动装置墩顶
滑道一般采用单滑道板形式,滑道板为一块整钢板,置于滑道垫块钢架之上,该种形式的滑道,能很好的承受各向作用力,而且标高容易控制,拆除也非常方便。近几年,台座滑道采用了一种连续梁式的整体滑道,它是通过在滑道梁上铺设滑道板形成的。整体滑道构造为:活动底模板+滑块+滑道板+滑道梁+重轨支座。如在支座上设置滑道顶推,其永久支座需在厂家做特殊处理,即施工时上、下部临时固定,以承受顶推的水平摩阻力。再在永久支座纵向两边设垫块,上面盖一块厚40mm钢板做盖板,再设置滑道。箱梁顶推到位后,将梁顶起,拆开盖板及滑道,解除支座上临时约束,恢复支座设计功能,完成落梁工序。
2.5 顶推动力装置
顶推动力装置由千斤顶、高压油泵、拉杆(束)、顶推锚具(自动工具锚、拉锚器)组成,顶推动力一般使用水平千斤顶或自动连续千斤顶及其配套的普通高压油泵或专用的液压站作为动力装置, 拉杆体系最早使用精轧螺纹钢,1988年以后逐渐采用高强钢丝束、钢绞线束群锚体系, 拉锚器的施力位置由拉箱梁腹板两侧逐渐过渡到拉箱梁底板的方式,并由穿过箱梁顶、底板布设笨重的传力型钢演变为仅在箱梁底板中心线预留孔插入牛腿式钢块拉锚器。拉锚器的间距应能保证墩上千斤顶有施力点和便于主墩上千斤顶统一更换拉索以提高顶推工作效率。
2.6 顶推动力计算和设备配置
当顶推箱梁的各个主墩和临时墩的施工阶段反力Fi和摩擦系数f 已知后,即可计算出必须的顶推动力,从而确定顶推千斤顶的数量,并将各千斤顶按逐墩布顶的原则,布置在各主桥墩上。各顶推千斤顶通过液压站,在主控台的集中控制下,同时启动、同时停止,实现顶推的集中控制和同步运行。总顶推动力H=KΣRifi±GI,式中K是安全系数,K=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“-”。
结语
在预应力设计得到进一步改善后, 采用顶推法施工在直接成本方面同样是节省的。我国将要修建的各类桥梁中,中等跨度的梁桥占有相当的比例,而我国大型架梁吊装设备又严重不足,所以顶推法是适合我国国情的一种较好的建桥方法,其发展前景是广阔的。
参考文献:
[1]交通部第一公路工程总公司. 公路施工手册[M]. 北京: 人民交通出版社, 2000.
[2]杨昀. 用顶推法修建大跨度连续梁桥(丘墩大桥设计简介) [J].华东情报网, 1988.
[3]湖南省路桥公司. 广东九江大桥北岸50m梁顶推施工结构工艺改进[Z]. 1988.
