基于桥梁顶推施工的导梁控制技术分析

作者：汪立龙

来源：《中国住宅设施》 2019年第2期

摘 要:在桥梁工程中,顶推施工是一种常见的技术方案,其中导梁结构的设置是否合理,直接影响整个施工进程。本文结合工程案例,首先指出顶推施工技术特点,然后分析了导梁偏移的原因,最后总结了导梁控制技术要点,以供参考。

关键词:桥梁;顶推施工;导梁控制;技术要点

顶推施工法,就是先对梁体进行浇筑或拼装,然后利用顶推设备实现纵向移动,最终促使梁体就位。近年来,国家在基础设施建设上的投入力度加大, 顶推施工在桥梁工程中的应用更加普遍。现场施工中, 如何精准控制导梁的移动方向和速度, 成为技术人员关注的要点, 也是影响施工成败的关键[ 1 ]。以下结合实践, 探讨了基于有限元建模条件下的导梁控制技术。

1 工程概况

以国内某铁路桥梁工程为例,在铁路桩号为K 1 0 0 5 + 2 2 7 处,采用3 × 3 2 m 的预应力混凝土连续箱梁实现跨越,主墩编号为8 5 #、8 6 #, 桥梁和铁路的交叉角度约为8 5 °。该桥梁工程建设采用顶推施工法, 钢导梁材质选用Q 3 4 5 D 钢板, 截面形式是双工字型格构, 总长度为2 0 m, 顶板、底板厚度均为2 4 m m, 腹板厚度为3 6 m m。导梁和主梁的连接处, 有5 . 9 m 采用等截面, 高度为2 . 8 m; 其余1 4 . 1 m 采用变截面, 高度为1 . 3 m ~ 2 . 8 m。在导梁端部设置支座横梁,方便千斤顶进行顶升作业,边推移边抬高,促使梁体接触墩顶滑道。此外,导梁顶推过程中,对底部进行绝缘处理,能避免对已有线路造成影响。

2 桥梁顶推施工技术特点

2.1 适用范围

顶推施工法的施工节段一般在1 0 m ~ 3 0 m 之间, 每个节段施工周期为7 ~ 1 0 天, 适用于[ 2 ]: ① 中等跨径的简支梁、连续梁、等截面梁、拱桥纵梁、斜拉桥主梁等。② 跨越河谷、公路、铁路情况下, 跨度在4 0 m ~ 8 0 m 的桥梁工程, 孔跨数量一般不低于4 跨, 单向顶推总长度在3 0 0 m; 双向顶推最长达到1 0 0 0 m。③施工场地狭窄, 工期紧张, 大型架桥机等设备难以进入现场, 或者周边交通不便的工程。④ 既有铁路钢梁结构更换时,不再使用钢结构梁体的工程。

2.2 技术优势

顶推施工法的应用,技术优势如下:①施工用地小,梁体的生产制作可以在工厂内完成,提高构件质量。②预制梁体节段, 能避免高空作业, 方便现场施工管理, 提高施工安全性。③ 机械设备简单, 不需要大量的起吊机、脚手架,施工期间不会影响正常的交通。④设备、模板等可以循环使用,整个施工期间基本不会出现噪声,满足文明施工、节能环保的要求。

2.3 技术缺点

顶推施工法的应用,其技术缺点如下:①对桥梁结构的几何外形有限制,其中曲线型梁轴、变截面梁段、变坡度桥梁不适用。② 顶推作业期间, 桥跨结构的受力不断变化, 以预应力钢筋为代表的原材料用量增多。③ 顶推施工最多有两个工作面, 会限制施工速度, 桥梁长度越大, 施工进度越慢。④ 临时束多, 张拉工序繁琐, 跨径超过7 0 m 施工经济性差。

3 导梁偏移的原因分析

3.1 牵引力因素

顶推施工中,张拉牵引力要求梁体两侧同步进行,且张拉方向和力度大小保持一致。然而在实际作业中,受到参数设计、环境、设备、技术等因素的影响, 张拉牵引力可能出现偏差[ 3 ]。如果梁体左侧牵引力大于右侧,那么导梁会向左偏移;如果梁体左侧牵引力小于右侧,那么导梁会向右偏移。

3.2 挠度因素顶推施工中,导梁需要跨越一定跨度,本工程中为2 0 m。导梁在顶推前移过程中,其悬臂长度会不断增加,在重力作用下会导致前端挠度过大。如此一来,导梁和另一侧滑道的对接不准确,从而引起偏移现象。

3.3 线形因素

对导梁进行顶推时,如果定位有误差,或者千斤顶控制有误差,梁体的纵向位置就会偏离原来的设计方向,促使导梁出现纵向偏差。张拉作业中, 两侧千斤顶的参数设置有误, 或者张拉不同步、方向或大小不一致, 导梁在移动过程中就会出现横向偏移。

4 顶推施工中导梁控制技术要点4.1 有限元建模

利用M i d a s C i v i l 有限元软件,以施工图纸为准对整个桥梁结构进行建模,分析结构特征、受力特点、计算精度等, 建成空间杆系模型。其中, 主梁和导梁均采用空间梁单元, 将主梁划分为4 7 个单元, 长度为1 m, 使用强度等级为C 5 0 的混凝土;导梁划分为2 2 个单元,使用强度等级为Q 3 4 5 的钢材。

为了分析导梁顶推施工中的偏移情况,选取不利状态下的工况进行比较。依据建立的有限元模型,对导梁顶推过程进行模拟, 分析导梁和支架的受力变形特点, 避免和实际情况出现偏差, 提高现场施工的安全性。在不同工况下, 计算导梁在顶推过程中的受力, 考虑到临时支架失效的受力特点, 以保证计算结果的全面性[ 4 ]。结果显示,临时支架、滑道的强度和变形情况,导梁的强度等指标,均满足规范标准和安全要求。

4.2 长度控制

依据以往施工经验, 顶推施工时导梁的长度, 一般按照顶推跨度的6 0 % ~ 8 0 % 进行控制[ 5 ]。本工程中, 为了保证主梁安全受力, 减少对下方铁路通行的干扰, 导梁长度按照顶推跨径的1 倍进行控制。该桥梁顶推跨径为1 9 . 7 m ,分别选择1 2 m 、1 6 m 、2 0 m 三种长度方案进行比选,观察导梁、主梁在不利工况下的应力和变形情况。

利用有限元软件, 建立主梁、导梁有限元模型, 计算最大悬臂时的工况。结果显示, 导梁的应力较低, 变形处于允许范围内,采用长度为2 0 m 的导梁,能保证顶推施工的安全性,避免出现偏差问题。

4.3 横向限位控制

在主梁前端设置导梁,随着千斤顶的拖拉作用,导梁、主梁会相应滑移。如果导梁发生偏移,那么主梁也会跟着偏移, 因此必须对导梁进行限位控制。本工程中, 结合现场实际情况, 选用2 种横向限位装置, 在施工中交替使用。第1 种限位钢板的厚度为2 0 m m,由双工字钢组成,可对挡板进行横向加固,第2 种钢板挡板的厚度为2 0 m m,是由φ2 8 m m 的圆钢、厚度为6

2 m m 的钢垫块组成。相比于第1 种,最大的优点是可减少导梁和限位装置之间的摩擦力,而且布置简单、成本更低。

4.4 结论

利用有限元软件建立导梁的力学模型,分析不利工况下临时墩的受力、主梁和导梁的变形等情况,可以为实际施工提供科学依据。计算主梁和导梁的应力比,能避免施工过程中结构出现损坏,提高顶推施工的精准度。

结语综上所述,在桥梁工程中,顶推施工法应用普遍,虽然具有诸多技术优势,但也存在一些工艺缺点。本文结合实际案例, 分析了导梁偏移的原因, 主要是牵引力、挠度、线形三个因素的影响。利用有限元分析软件, 对导梁进行建模,模拟顶推施工中的受力情况,能实现控制目标,提高施工安全性。