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大跨波形钢腹板小箱梁顶推施工技术

日期：2015-9-16 15:48:10　来源：转载　浏览数：
　

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顶推施工法又叫拖拉法［１］，它用不到梁体重量５％的水平推力克服箱梁与滑道之间的摩阻力，便可以将箱梁架设到位，因此它是架桥工艺中耗用能量最少的施工方法，也是费用最低的施工方法。据不完全统计，中国自１９７８年陕西狄家河大桥引进顶推工艺开始，迄今已有近百座桥梁采用过顶推工艺，总长近３×１０４　ｍ。其中，预应力混凝土箱梁顶推长度之最为浙江钱塘江二桥引桥（１　５０４ｍ）；跨径之最为福建丘墩桥（７６ｍ）；系杆拱顶推最大跨径为广东韶关五里亭大桥（１２０ｍ）；混凝土斜拉桥顶推最大跨径为衡山湘江大桥（２×９０ｍ）。进入２１世纪，大跨主梁逐渐采用钢结构，钢桥顶推施工应运而生，具有代表性的顶推施工钢桥有：南海紫洞大桥（６９ｍ＋１４０ｍ＋６９ｍ）的双向顶推钢管桁架斜拉桥、济南黄河二桥（２×６０ｍ＋１３０ｍ＋３８６ｍ）的独塔双索面斜拉桥钢箱顶推、佛山平胜大桥（２００ｍ＋３５０ｍ）的自锚式悬索桥钢箱顶推、杭州九堡大桥（３×２１０ｍ）的钢箱系杆拱整体顶推。这些顶推工艺施工的多姿多彩的桥梁反映了中国改革开放３０年来桥梁工程顶推施工技术的巨大进步；但对于中国公路桥梁中应用最为广泛的ＰＣ小箱梁，由于速度慢、工期长及跨径受限制等因素，对其进行顶推施工并未推广开来。因此，引入新材料、采用新施工工艺对ＰＣ梁桥顶推跨度和顶推速度进行研究具有重大意义。
    １　传统ＰＣ箱梁顶推施工存在的问题
    目前，中国采用顶推施工建成的桥梁仅仅有３×１０４　ｍ左右，而预应力混凝土梁桥单跨实际顶推跨径不足５０ｍ，因此，无论从顶推规模还是顶推跨径来看，顶推施工在中国并未推广开来。究其原因，主要存在以下问题［２－５］。
    （１）临时墩的设置。迄今为止，中国跨径大于５０ｍ且采用顶推施工的ＰＣ梁桥，基本上是先在跨中做好钻孔桩临时墩，顶推完成后再将其拆除，既增大了投入又延长了工期，十分不经济，这是阻碍大跨径连续梁顶推技术运用的重要原因。
    （２）速度慢、工期长。在常规顶推技术中，ＰＣ箱梁顶推的一般跨径Ｌ≤５０ｍ，绝大多数施工都是在支架上逐段现浇梁段后再逐段顶推。每孔工期约１０～１５ｄ，建造速度在１．２～１．７ｍ·ｄ－１之间。另外，由于顶推平台设在两岸引桥上，要等到引桥基础和墩身工程快完成时，才能开始顶推平台准备工作，候时达半年以上。实践证明，在台座上现浇梁段再顶推的施工方法远不能满足长跨桥梁的工期要求，造成长梁顶推方案因工期问题而被迫弃用。
    （３）没有统一的顶推施工标准图。由于ＰＣ箱梁顶推设计涉及到很多复杂的工艺问题，导致至今尚未颁布“顶推设计标准图”。在任务紧急的情况下，一般设计单位无图可套，只能改用简支梁或挂篮悬筑施工，这同样是顶推连续梁推广数量不到简支梁万分之一的关键原因。
    ２　波形钢腹板小箱梁的设计
    针对传统ＰＣ箱梁顶推中存在的问题，本文结合在建的某４×６５ｍ连续梁桥，引入波形钢腹板和Φ２１．８ｍｍ大直径预应力束，设计了适合于顶推施工的波形钢腹板小箱梁。
    ２．１　主梁构造
    主梁宽１７ｍ，采用４片波形钢腹板小箱梁，如图１所示，具体构造如下。

    （１）外形尺寸。顶底板混凝土厚度为０．４０ｍ（在支座截面加厚至０．８０ｍ），箱顶宽３．８ｍ，箱底宽２．２ｍ。波形钢腹板选用１２００型，其厚度为１０ｍｍ（在支座处加厚至１２ｍｍ）。为了加强波形钢腹板箱梁的抗扭刚度，隔１５．２５ｍｍ设置一道横隔板（宽度为０．５０ｍ）。横隔板在单箱预制块组拼时安装模板进行现浇生成，从而确保两条波形钢腹板小箱梁的整体性。
    （２）腹板工钢梁。为了充分发挥波形钢腹板的作用，在其上、下端加焊宽０．４０ｍ的顶底水平钢板（厚２０ｍｍ），形成工钢梁。工钢梁抗弯刚度很大，可以直接用来做顶推施工中所必须的前端导梁。与普通预应力混凝土顶推连续梁相比较，用波形钢腹板代替钢导梁，可以节省数百万钢材，同时免去导梁的安装、拆卸工序，节省大量劳力。用波形钢梁做钢导梁，顶推到位后可作为劲性骨架，装模板后可直接浇筑顶底板混凝土。
    ２．２　大直径预应力
    箱梁顶推施工有两种不同的工况，因此对顶底板预应力索的设计分为前期索和后期索。其中，前期索是直线型的通索，要求逐段张拉和接长形成；后期索是顶推到位后为满足二期恒载和活载要求，在所需要区段补充施加的预应力，弯曲后再锚固形成。
    传统的Φ１５．２４ｍｍ钢绞线齿轮式联结器尺寸较大，当超过顶底板混凝土厚度时，将导致结构尺寸增大，因此并不适合顶推施工。而小箱梁内空间小，后期预应力张拉操作难度大，故应尽量减少预应力束根数。为此，本文引入Φ２１．８ｍｍ大直径钢绞线，它根数多、直径大、强度高，一根的破断力为Φ１５ｍｍ钢绞线的２．２倍。经过反复的仿真计算分析，最终确定本桥前期束布置为：上、下缘分别为全长贯通的８孔和４孔１２Φ２１．８ｍｍ大直径钢绞线；后期束布置为：上、下缘均为３孔１２Φ２１．８ｍｍ大直径钢绞线，采用分段布置，其位置分别位于支点上缘和跨中下缘。其中，后期索是在结构支座安装后、桥面施工前进行。
    ３　分条分块预制组拼
    自１９８０年湖南伪水大桥连续梁实施柔性墩多点顶推工艺以来，国内所有的顶推桥梁基本上沿用了在支架上逐段现浇梁块再逐段顶推的方法。顶推分段长度一般为Ｌ／３左右，施工周期长，顶推平均速度慢；而且顶推平台设在两岸引桥上，必须等引桥基础和桥墩工程完成后才能架设，致使台座准备工作不能提前进行。因此，长梁顶推方案往往都因工期问题而被迫弃用。针对现浇顶推存在的问题，中国学者在湖南南县哑吧渡大桥设计施工中提出“箱梁分条、分块预制，台座上组拼竖曲线连续顶推”的方法［６］。该方法首次将中国装配式箱形拱的结构移植到连续梁中，用预应力代替拱的轴向力，实现了结构轻型化和装配化；全桥顶推只用了一台１００ｔ连续千斤顶，费用低廉，对地方桥梁建设有很大的现实意义。此后，在韶关五里亭大桥施工中［７］，预制组拼顶推工艺得到了新的推广。
    凭借分条分块预制顶推能改变传统现浇顶推工期长、速度慢的缺点，顶推工艺在中小跨径施工中更具竞争力。因此，在４×６５ｍ波形钢腹板小箱梁中采用分条分块预制顶推工艺，其连续梁箱块预制场布置如图２所示。

    （１）分段选择。本桥全长２６０ｍ，共分成八大段，其中第一段长度为４３．００ｍ，相应的顶板和底板顶推时均未浇筑，波形钢腹板作为钢导梁使用，待全桥顶推到位后再装模板浇筑顶底板混凝土；第二段至第八段长度均为３１ｍ，以便于波形钢腹板小箱梁的预制和吊运。考虑到工期和顶推过程的稳定性，每两条组成一组，进行同步顶推。
    （２）拼装台座。３１ｍ长波形钢腹板小箱梁预制完成后，通过横跨拼装台座的两台龙门吊机起吊至拼装台座上进行拼装。为满足顶推设计标高要求，首先在拼装台座下打入钢管桩，然后在台座上安装竖向千斤顶调节其上小箱梁的标高，以使其满足设计要求。
    ４　墩上临时钢斜撑顶推方案本桥单跨跨径达到６５ｍ，按照传统的顶推施工方法，必须在单跨中间设置一个临时墩，但考虑水中设置临时墩造价高，本文在顶推施工时提出在桥墩上利用基础钻孔桩施工平台的钢管桩作斜撑，将６５ｍ桥跨的中间支点跨径减少至５０ｍ。该方法的突出优点如下。
    （１）顶推施工时钢束数量与顶推长度成正比，确保顶推施工跨径不超过５０ｍ，可有效减少施工预应力，降低工程造价。
    （２）取消施工临时墩，减少了顶推施工工序，加快了顶推施工进度。
    （３）就地利用桥墩钻孔桩施工平台的钢管桩，减少了施工钢材的倒运。
    （４）墩上临时钢斜撑在顶推完成后可以拆除和回收，同样降低了造价。
    图３为波形钢腹板小箱梁“预制组拼钢斜撑”顶推施工方案。该方案将小箱梁分条分块预制与下部基础施工同时进行。为提高小箱梁的质量，设计要求小箱梁预制后需存放９０ｄ，以消除大部分混凝土的收缩徐变。小箱梁单次组拼长度为６２ｍ，按１０ｄ完成６２ｍ箱梁组拼顶推计算，平均速度可达６．２ｍ·ｄ－１。
    桥墩上设置悬出长度７．５ｍ的对称钢斜撑，用以确保顶推实际跨度仅为５０ｍ，这样两个月左右即能完成２６０ｍ两条小箱梁的顶推任务。然后转移顶推设备进行另外两条２６０ｍ小箱梁的顶推施工，待全桥顶推到位后，再立模现浇钢导梁对应的４３ｍ长节段的顶板和底板（浇筑时间约为２个月），则全桥施工总工期不到１０个月。可见预制组拼钢斜撑顶推施工技术是高效的。

５　结　语
顶推施工法具有造价低、施工安全简便及质量可靠等优点，因此有很大的发展潜力。本文针对传统ＰＣ梁桥顶推法存在的问题，引入波形钢腹板和Φ２１．８ｍｍ大直径预应力束，设计了大跨波形钢腹板小箱桥，提出了波形钢腹板箱梁分条分块预制顶推和临时钢斜撑相结合的施工方案，实现了大跨度梁桥顶推跨径和顶推速度的突破，可为同类型桥梁的设计施工提供参考。