大跨度自锚式悬索桥超宽钢箱梁顶推施工技术控制

大跨度自锚式悬索桥超宽钢箱梁顶推施工技术控制

喻仲平

湘乡城乡建设发展集团有限公司   湖南湘乡 411400

[摘  要]  昭华大桥为主跨168+228m独塔自锚式悬索桥，主梁为宽度39.6m钢箱梁，采用顶推进行施工。为保证钢梁施工精度和施工安全，对钢箱梁施工环节中的加工制造、临时结构设计、信息化控制与纠偏等方面进行研究，通过理论研究、现场监测与控制等手段，形成超宽柔性钢箱梁小应变多点自平衡顶推施工技术，使本项目钢箱梁安装精度达到毫米级，为同类型项目提供参考。

[关键词] 自锚式悬索桥 超宽钢箱梁 步履式顶推 施工控制

1. 前言

昭华湘江大桥主桥为独塔自锚式悬索桥结构，跨径168+228m，主梁为宽度39.6m，单箱三室结构，标准节段重量200t。本桥钢箱梁跨越水中航道且箱梁超宽，不适于水中吊装，因此采取顶推法进行施工；

本工程顶推临时墩高度较高，顶推过程中产生的水平力影响临时墩稳定性，而且顶推过程如果同步性较差，支撑力不均匀，水平力会进一步影响临时结构的稳定性。如何实现柔性-连续钢箱梁精细化同步顶推，临时结构稳定和安全以及顶推过程的可控可纠偏，是本工程建设的重点。

图1 昭华大桥主桥设计图（单位：mm）

图2 钢箱梁标准断面

本项目采用顶推法进行施工，首先将钢箱梁+前导梁作为一个整体梁段，并对不同支撑方式的顶推方案进行模拟分析；其次通过经济、技术比选，选择满足内力和变形要求的顶推方案。在此基础上对大临结构进行设计，选择合适的前导梁布置方案，根据顶推过程中的支撑力和水平力设计顶推临时墩，完成顶推方案研究。在此基础上设计顶推千斤顶和控制系统，使顶推过程同步和可控，再结合现场监控量测，对顶推过程进行必要的纠偏，实现超宽柔性钢箱梁顶推过程多点同步、受力均匀、实时纠偏、提高精度。

2. 关键技术

基于项目特点，为保证施工精度和施工安全，对大跨度超宽钢箱梁顶推施工中的小应变拼装技术、临时结构设计与分析、精细化施工技术进行研究和应用。研究技术路线为从确定钢箱梁制作参数开始，到过程分析、最后到施工监测与精细化施工措施四个实施流程。

图3 研究技术路线

2.1 小应变拼装技术

钢箱梁精细化加工制造是精度控制的基础，本项目采用数控下料、温度修正、应变修正等措施保证钢箱梁拼装过程中始终保持小应变状态，以减少钢箱梁在顶推和施工过程中有害次内力，确保成桥线形和内力。

首先通过有限元分析技术，对施工过程进行模拟分析，确定成桥状态，确定钢箱梁整体压缩量，在根据实时加工制造温度，确定钢箱梁温度补偿量和横向、纵向预拱度，对钢箱梁加工尺寸进行修正。

根据角焊缝收缩的经验公式计算板单元的焊接变形，并通过多条焊缝产生的焊接变形进行曲线拟合，设定反变形胎架，改善和控制板单元焊接变形，并确定板单元的拼装顺序，进行小了板单元拼装产生的应力，实现了大体积钢箱梁的小应变制作。

图4 昭华大桥有限元分析模型

2.2 临时结构设计

顶推临时结构的设计是施工的核心内容，顶推施工临时结构包含顶推临时墩和前导梁两部分①。顶推临时墩的确定是根据结构自平衡原理，将前导梁和钢箱梁视作一个整体，通过对钢箱梁+前导梁在不同支撑位置工况下的顶推过程进行模拟，对顶推过程中的钢箱梁线形、内力和临时结构造价进行经济比选分析，得到结构线形平顺，支撑点内力均匀、造价合理的最优方案。

通过对顶推施工过程模拟和经济技术分析，最终得到本项目采用60m桁架式前导梁，根据通航要求，9组格构式临时墩跨径布置为：59+59+57+2×75+53m，布置图如下图所示。昭华大桥全桥36个节段采用每三个节段为一个顶推轮次，全桥共计15个顶推轮次。

图5 昭华大桥顶推临时墩设计

并采用采用sap2000有限元校核结果表明临时墩安全系数1.78，过程中结构最大变形123mm，满足设计和规范要求；

2.3 顶推设备选型

本项目采用步履式顶推设置，顶推设备包含液压千斤顶、泵站、控制系统三部分组成。设备型号BL720，最大顶推功率400t，全桥共计投入34套，最大顶升量25cm，前移量30cm。

控制台采用西门子PLC同步控制系统，包含括实时控制系统硬件模块，实时控制系统软件模块，实时控制网络，泵站电子控制单元（ECU），传感器控制单元（SCU）。

控制系统可实现单台和多台顶推设备在自动、手动双模式控制下的三向调节。整套设备采用先进的电液比例同步控制系统，能保证钢箱梁在顶升、下放及前进过程中实现同步动作，能够进行横桥向及竖桥向的自动和手动调整纠偏，确保顶推精度。

并制定了“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。

图6 步履式顶推设备

2.4 顶推施工控制

顶推施工监测与控制是施工成败的关键。本项目采用自动与手动监测相结合的方式，对钢箱梁内力和线形在顶推过程中进行实时全程监测，确保顶推受控。线形监测通过在前导梁和钢箱梁中轴线及和左右边线的前部、中部和尾部布置测控点，采用测量机器人和可视化程序对顶推过程中进行数据实时采集和分析，确保里程方向同时顶进，横向不出现偏差。

应力监测通过振弦式传感器，对钢箱梁跨中和塔根部三个部位部署应变计，并通过金玛智能综合采集仪，对钢箱梁顶推过程中的应力变化进行实时采集，作为线形测控数据的补充，同时对结构次内力进行监测和预防。通过线形和应力监测协同监测，确保钢箱梁顶推达到设计线形，内力符合设计要求。

昭华大桥整个顶推工艺钢箱梁顶推偏量小于10cm，最终落梁水平偏差为5mm，临时墩位置高程偏差为8mm。

2.5 技术特点

柔性-连续钢箱梁小应变整节拼装及多点自平衡顶推具有如下特点：

（1）制作反应变胎架，消除应力：对钢箱梁尺寸和下料长度进行修正，确定拼接顺序，支座反应变胎架，实现小应变拼装。

（2）多点自平衡顶推，荷载均匀：综合分析得到最佳的顶推临时结构工况，实现线形平顺，内力均匀，结构合理的目标。

（3）自动信息化控制，同步顶推：采用先进的顶推控制系统，实现多套联动协同控制欲自动纠偏，确保毫米级顶推。

3. 总结

“柔性-连续钢箱梁小应变整节拼装及多点自平衡顶推施工”工艺成功应用于昭华湘江大桥钢箱梁施工中，大桥已于2020年5月竣工通车。

施工过程中，有效解决了施工进度及安全管理方面的管理难点，现场钢箱梁整体拼装变形得到有效控制，顶推过程中，钢箱梁能够平衡有序的向前推进，钢箱梁线性随着顶推轴线变化得到有效控制，轴线偏差在5mm以内。有效提升钢箱梁安装精度，通过自平衡原理消弱了临时墩的水平受力，提高了临时墩的安全稳定性，减少了临时结构的投入，有效的提高了悬索桥钢箱梁顶推的施工功效，节约了施工工期。

（1）对超宽大跨度钢箱梁进行焊接机理研究，根据焊接产生的箱梁变形制作反应变胎架，实现小应变精细化钢结构拼装。

（2）整套设备采用先进的电液比例同步控制系统，能保证钢箱梁在顶升、下放及前进过程中实现同步动作；

（3）步履式顶推设备集顶升、平推及横向调整于一体，能够进行横桥向及竖桥向的自动和手动调整纠偏，确保顶推精度。

（4）科学合理设计前导梁和临时墩，确保连续梁结构体系内力均匀，实现多点自平衡。

参考文献：

[1] [1]中交第一公路工程局有限公司. 公路桥涵施工技术规范: JTG/T F50—2011 / 中交第一公路工程局有限公司主编.[M]. 人民交通出版社, 2011.