小半径曲线钢箱梁步履式顶推施工测量关键技术

小半径曲线钢箱梁步履式顶推施工测量关键技术

窦雪飞

中铁大桥局第七工程有限公司  湖北武汉  430000

摘要：小半径曲线钢箱梁一般应用于高速公路的匝道，为满足一级安全等级的要求，提高道路安全可靠性，从而设置了平曲线超高5%［1］。为减小顶推过程中的侧向滑移，钢梁安装时需要进行绕纵向轴线整体旋转2%。顶推前钢箱梁的安装线形受到竖曲线与平曲线的曲率变化的影响，安装定位工作无法做到原位拼装，钢箱梁拼装的竖曲线与平曲线需要进行设计调整，通过竖向旋转和纵向平移坐标系后，进行钢箱梁的定位安装。步履式顶推全过程监测支架、导梁及钢箱梁的变形，保障施工的安全和质量。

关键词：曲线钢箱梁；步履式顶推；异位拼装；变形监测；线形控制；

1  概述

钢箱梁步履式顶推施工在桥梁工程中的应用较为广泛，而小半径曲线钢箱梁，并且设有超高变坡率横坡，同时设置连续变曲率竖曲线钢箱梁的顶推施工较为复杂。钢箱梁的安装定位工作无法做到原位拼装，即钢箱梁节段安装位置与成桥位置不同。安装定位线形的竖曲线与平曲线需要进行重新设计调整，通过刚体平移和转动，实现基准相位与即时相位下坐标换算［2］，找准控制基准点与基准线，进行钢箱梁无应力线形的拼装定位［3］。步履式顶推全过程监测支架、导梁及钢箱梁的变形，保障施工的安全和质量。本文总结实际施工经验，结合施工测量关键技术，指导钢箱梁在顶推过程中的节段拼装和线型控制。                            

2 工程概况

武汉至大悟高速公路桃源集互通共有7联钢箱梁，其中G匝道第一联钢箱梁上跨福银高速。钢箱梁为单箱两室结构，桥面设单向5%~-1.1%横坡，顶、底板平行设置，梁高3m—3.4m，顶板宽13m，底板宽9m，钢箱梁平面位于R300m圆曲线及缓和曲线上，钢箱梁的纵坡为3%。跨福银高速的中跨钢箱梁采用步履顶推法安装，其余节段采用支架法安装。钢箱梁沿纵桥向划分为18个节段，节段9~11先在临时支架上进行拼装，拼装到预定长度后进行顶推，顶推共分3轮，第1轮、第3轮各拼装及顶推3个节段，第2轮拼装及顶推1个节段，顶推段钢箱梁总长84.3m。 

图1：钢箱梁顶平面图

3钢箱梁异位拼装线形研究

3.1 平曲线调整 

由于钢箱梁顶推段位于平面线形R=300M圆曲线及缓和曲线上，异位拼装时，采用建筑旋转平移理论的运动学特征［4］，需要将设计平曲线进行调整，本项目采用的方式是坐标系平移，保持原平曲线形相对关系不变。在施工中以曲线钢梁的两端点建立顶推轨迹线，起点位于待拼装钢箱梁外侧腹板前端点上，是拼装及顶推坐标系的坐标原点；顶推到位后的钢箱梁外侧腹板前端点作为线形终点，该两点的坐标连线作为顶推前进的方向线，是拼装及顶推坐标系的X方向；钢梁的拼装坐标按该直线的坐标方位角和水平距离进行计算。拼装支架及顶推支架的平面坐标定位均按调整后的线形进行计算，导梁的安装及行走轨迹也按该方向进行。

图1钢梁拼装平曲线调整示意图

3.2 竖曲线调整

钢箱梁无应力线形一般以“以直代曲”的原则在场内进行梁段的制作，钢箱梁成桥高程=设计高程+设计预拱度+施工预拱度［5］，受竖曲线的影响，相邻梁段的曲率变化比较大，梁端末端出现倾角a，则钢箱梁各轮次的拼装基线不共线，且与拼装平台线形也不平行，为此还需要将竖曲线调整。选取顶推段钢梁范围墩柱最高点H1，支座系统高度h1，拼装高程基准H=H1+h1+0.1m，以钢箱梁的底板中心线前后端点连线进行竖向旋转至水平状态，使拼装基线倾斜角度r=0，旋转后的钢梁两端底板高程为H，保证钢梁原曲率不变，控制拼装钢箱梁的高程。基于“竖向转平施工”对钢梁顶推施工各轮次的梁段竖向线形进行预测和控制。

图2 已顶推梁段末端倾角调整示意图

3.3 横坡调整

由于桥梁设小半径曲线，桥面设单向5%~-1.1%横坡，钢箱梁横截面等高，采用刚性旋转找坡。考虑顶推过程中侧向滑移的风险较大，需要将横坡进行调整，即拼装时钢箱梁横坡刚性旋转2%，以墩柱上两个支座中心线连线建立坐标系，调整梁段拼装时坡率，保持钢箱梁拼装时的相对高差不变，使拼装及顶推施工阶段的横坡为3%~-3.1%，顶推到位后通过千斤顶调整钢梁的绝对高程，横坡将恢复至设计坡率5%~-1.1%，钢箱梁的高程也恢复至设计状态的高程。

3.4异位拼装

钢箱梁异位拼装线形确定后，在支架上进行分片拼装，每次安装前在分配梁上放样出左侧腹板边线，在左腹部线左侧1cm处焊一个限位角钢、角钢超出钢梁底板高度10cm左右即可。单个钢梁号块吊装到位后复测特征点平面位置、高程，计算差值并分析横坡、纵坡等，利用吊机及千斤顶微调使之安装精度达到规范允许值，吊装完节段所有号块后，及时对钢梁整体线型进行复测并记录，符合规范要求后下焊接指令，进行钢箱梁焊接工作。钢箱梁焊接后，需对钢箱梁进行竣工测量。同时分析出焊接前后钢梁的变形值作为后续拼装节段的参考值。

4

钢箱梁顶推线形控制

4.1 施工工艺

步履式多点连续顶推［6］，利用“顶”、“推”的两个步骤交替进行，先将整体钢箱梁托起；再向前托送；之后将钢箱梁置于支墩临时结构上；顶推油缸缩缸到底，继续实现下一个循环。通过往复顶推步骤的循环，最终将钢箱梁送到预定的位置。

顶推工艺可以总结为八字工艺“多点、分级、同步、连续”。“多点”是把水平顶推力分散到各个顶推支架墩上，“分级”是千斤顶出力大小逐级升压，缓慢对梁体施力，“同步”做到所有千斤顶同步运行；“连续”将多台千斤顶纵向串联再通过自动装置来实现自动连续顶推千斤顶的各种动作。

4.2线形控制

钢箱梁顶推线形控制的工艺流程：钢箱梁平移、竖转、横坡调整后的数据计算→钢梁支架、顶推支架放样→钢梁撑管及千斤顶抄垫检查测量→钢梁安装定位测量→钢梁焊接前后变形测量→顶推前支架、导梁、钢梁初始监测数据采集→顶推过程中的变形监测→顶推过程中纠偏测量（轴线、横坡、纵坡）→顶推完成后钢梁线形调整→提供桥段预控数据→进行后一段安装定位。通过纠偏油缸的限位与纠偏功能，保证顶推全过程钢箱梁中线在允许范围之内，每轮次最后一段梁及最后一轮顶推时应注意减缓顶推速度，以便纠偏及纵移到位。平面位置顶推到位以后进行钢箱梁的姿态调整，落梁监测的同时进行横坡调整监测，使钢梁的竖曲线及横坡恢复至设计状态。

4.3 顶推施工变形监测

为了确保主梁最终成桥后符合设计的线型要求和应力状态，需要对拼装顶推过程在动态和静态下各种工况下进行施工过程监测分析，找出不利状态、最大变形值并进行详细观测和有效的控制，主要包括以下内容：

①拼装平台的沉降和变形。

根据拼装平台的设计计算书，确定沉降和变形的最大数据作为预警值，采用全站仪观测平台的支架沉降及垂直度偏位情况。

②环境监测

因温度影响、日照不均匀、焊接累积误差而产生纵向长度变化；风的作用力对顶推影响，主纵梁平面点标高，横向位置（坐标）变化。桥梁施工过程中，环境温度的大小及日照温差会影响到结构体系内的内力分布；并且，结构的温度变形还影响到施工中构件的架设精度及测量精度。对日照温差影响较大的情况，一般要求高程测量在清晨日出前进行。在实际施工中，由于工期限制，某些工序的高程测量需要立刻进行。把这样测量的数据用于施工控制分析中时，就必须考虑温度修正量。施工监控期间，温度每个小时记录一次。

③顶推支架的变形监控

顶推支架在顶推的过程中在纵向水平力的作用下，会产生纵向偏移，理论上最大应力出现在纵向滑移梁上，分配梁设计最大竖向位移9.8mm，最大水平位移11.7mm。最大应力出现在下层横向分配梁上，顶推前在支架钢梁上布点，贴棱镜反射片，采用三角高程方法进行监测，其精度要求不低于四等［7］。通过全站仪在顶推过程中观测支架的位移、挠度、沉降等实时监控，其变形数据与设计分析基本吻合。

竖向位移图

               纵向位移图

④钢箱梁的轴线偏位监控

钢箱梁在顶推的过程中由于曲线半径小，重心偏移，左右两侧腹板受力不均匀，会使得梁体产生轴线偏位。将全站仪的棱镜固定在梁端顶推轨迹线中心点处，通过回顶的时间间歇差，观测梁体的轴线偏位，并进行轴线纠偏调整。

⑤ 钢箱梁及导梁挠度观测

每跨尾部接头端面竖向转角挠度测量，关键截面的应力测试；导梁挠度、受力变形观测。主梁底板在垫梁上接触情况观测，主梁内腹板、底板最不利受力状态内力检测和分析。根据顶推墩布置情况,进行以下9种工况计算：
工况1：节段13--节段15拼装完成
工况2：钢箱梁最大悬臂
工况3：导梁上接收墩
工况4：导梁上接收墩顶推10m
工况5：导梁上接收墩顶推20m
工况6：导梁上接收墩顶推30m
工况7：导梁上接收墩顶推39m
工况8：钢箱梁尾端离开顶推架T3
工况9：顶推到位

顶推过程中最大应力144Mpa<295Mpa钢材强度，最大应力出现在导梁上；钢箱梁最大悬臂时导梁前端下挠254mm。导梁上布设3个断面，钢梁上布设5个断面，贴棱镜反射片，采用三角高程方法进行监测，其精度要求不低于四等。

5结论

   通过对小半径曲线钢箱梁步履式顶推施工中的线形控制，总结出一套异位拼装线形的计算方法，将设计图纸上钢箱梁位置进行平移-旋转-改变横坡的方式进行调整，并在线路之外的支架上分块拼装。 结合步履式顶推施工工艺，对顶推钢箱梁的全过程监测，钢箱梁线形与原设计基本保持一致，各类监测数据均未超出模拟分析数值，整体控制良好。桥梁顶推段平稳通过高速公路并顺利落墩，该测量关键技术在武大高速项目中应用取得了良好效果，为类似结构的顶推施工提供了参考。

参考文献：

【1】张航,张肖磊,吕能超.高速公路小半径平曲线超高可靠性设计[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2019,43(03):452-456.

【2】董创文,李传习,王琛.考虑相位变化及组拼高程误差的顶推梁体无应力线形的实现[J].土木工程学报，2013,46(08):74-82.DOI:10.15951/j.tmgcxb

.2013.08.006

【3】秦顺全．分阶段施工桥梁的无应力状态控制法［Ｊ］．桥梁建设，２００８（１）

【4】曾 亮，肖建庄，陈立浩，等．建筑旋转平移的基本方法探究［Ｊ］．建筑科学与工程学报，２０２１，３８（４）：５７－６４．

【5】熊正强.变曲率竖曲线连续钢梁桥顶推施工线形控制研究[J].中外公路,2015,35（4）:187-191.

【6】赵运输. 钢桁梁整体式多点连续顶推施工监控研究[D].郑州大学,2010.

【7】JCJ 8-2016, 建筑变形测量规范[S]