我国首次顶推法施工_狄家河大桥顶推工艺_secret.doc

我国首次采用顶推法施工的桥梁
xx大桥（铁路桥）的设计与施工

为研究预应力混凝土梁向32m以上跨度发展的途径，试验在中跨范围以混凝土梁代替钢梁的形式，同时考虑中跨度混凝土梁的架设方法，铁道部于1974年决定在xx大桥修建四孔跨度40m预应力混凝土箱形连续梁桥，并采用新技术顶推法架设。于1975年完成设计，1976年8月开始制梁，1977年9月22日至11月22日胜利地完成了顶推架梁任务。
一、设计
梁采用等高变截面箱形连续梁。梁高3m。由于支座设置情况及宽跨比的因素选用底宽2.6m。腹板最小厚度为16cm。顶底板厚度按钢丝束布置的构造要求分别采用15、23、32cm三种。支座处设置横隔板。
制梁的施工方案有长段和短段两种，接头有树脂接缝和混凝土灌筑两种。梁部在1973年底设计时，根据当时要求通车日期紧及施工单位交通运输情况确定工厂预制梁段、用汽车运至工地拼装的原则，梁段按4m一段、环氧树脂胶接缝施工。顶推分段长度考虑分段处正负弯矩较小处为宜，即位于1/4跨度。本梁分50.55m、40m、40m、30.55m四段顶推。顶应力按顶推分段进行张拉。桥台台后的顶推拼装场地布置考虑了临时支墩（跨度15m）的滑道方案和台后小平车方案，考虑施工拼装方便，采用了小平车方案。为减小顶推过程中的悬臂负弯矩，采用梁端设置钢导梁方案。导梁长度是按最大悬臂的负弯矩值和顶推过程中产生的负弯矩值基本接近来确定，本梁采用30m。
顶推由动力部分及滑动部分组成。动力部分采用了水平千斤顶垂直千斤顶方案。滑移部份则采用以不锈钢板作滑道，夹钢板的橡胶块嵌聚四氟乙稀板做滑块的方案。
预应力配筋必须满足顶推过程中各截面力矩变化的要求。在配筋体系上考虑到施工工艺及张拉设备的具体情况，在集中强大钢丝束和分散配筋的两个方案中，采用了后一方案。在分散配筋中考虑直线配筋和曲线配筋两种。本梁按直线配筋设计。由于顶推阶段力矩变号，运营阶段的配筋与顶推阶段的配筋是有矛盾的。本梁在设计时虽以运营阶段为主，但必须充分考虑顶推时的要求，尺可能使顶推阶段的预应力钢筋作为运营阶段的一部分，在使运营阶段预应筋力增加量较少时，为满足顶推需要所增加的预应力束不再拆除，在某些截面设置了顶推阶段需要的预应力筋后对运营阶段的受力影响较大时，则按临时预应力筋设置，顶推就位后予以拆除。预应力筋的连接采用了特殊设计的连接器。
全梁内力计算按运营阶段和顶推阶段分别计算。运营阶段的内力计算采用了定点法确定各截面内力，并用弯矩分配法核对，同时采用电算进行了校核。顶推阶段内力计算由于在顶推过程中梁体各截面的内力均在变化，为简化计算按等截面设计。梁端的钢导梁的刚度比梁体的刚度小得多，在同一跨时，不能取平均刚度，计算时先按单跨固端梁算出每顶推一段(2m)时的固端弯矩和支点反力。本梁并非固端，则在每顶推一段时，按该跨以后几跨的变形协调条件求出对该固端转角的影响，推导出不同情况下的计算公式，算出每顶推段时各支点处的支点反力、弯矩以及全梁全截面的弯矩和剪力。在全梁顶推过程中把各截面中每顶推一段所计算出的弯矩和剪力控制值画出包络图作为顶推阶段内力计算依据。
本梁各截面的预应力配筋计算基本上按照1975年部颁“桥规”进行，对不能适应连续梁部分作必要的补充。截面计算按运营状态和顶推阶段分别进行。在运营状态条件下验算
截面的强度、抗裂性、预加应力时的应力、运营状态下的应力、剪应力和主拉应力等。在计算有胶接缝的截面时不计入混凝土的抗拉能力。在顶推阶段时验算截面的强度、抗裂性。在有胶接缝的截面计入半值的混凝土抗拉能力。
在验算预应力配筋的计算中应计入由于预加应力对各截面所产生的次力矩。本梁次力矩是按力矩分配方法计算。
预应力配筋计算中的预应力损失考虑了混凝土的收缩和徐变、钢绞线应力松驰、锚具变形、钢绞线回缩、接缝压缩、管道摩阻、混凝土的弹性压缩等。其中混凝土徐变及弹性压缩损失计算公式，“桥规”规定的办法对本连续梁不尽适合，我们根据“桥规”规定的精神，针对连续梁和本设计的配筋形式，另行推导公式计算。其余均按“桥规”规定的办法计算。
本梁在设计中还进行局部应力、桥面及支座等的计算。
二、施工部分
(一)梁段预制
本桥全梁分为41块，除两端块长为2.55m外，其余梁块约长4.0m。由于梁块拼装为无厚度接缝采用环氧树脂胶粘剂，预制梁块必须依全梁顺序接连灌筑，梁块之间不立端模，以达到梁块接缝密贴。制梁台座设计长度为40m，采用整体混凝土基础，其上为槽钢横梁，横梁两端有橡胶支垫。底板为6cm厚的木板，上铺一层8mm厚的钢板。底板4m一段，以达到分段震动的良好效果。箱形梁模板为要保证梁的外形尺寸规则、混凝土表面光滑、美观、孔道位置正确、底板与侧模分别震动以加大震动效果、节省木料易于拆装、接缝严密、结构牢固等要求，采用了钢制侧模和端模，钢、木结合的内模。为了获得较好的震动效果，使底模外部震动器的负荷尽量小，两侧外模的重量由台座承受。内模用塑料布条封盖板块间的对缝，用泡沫塑料条填塞内模部和端模与已制梁块间的接缝，以达到防漏浆的效果。外模与已制梁端和底板边缘之间，用薄橡胶板和泡沫塑料条作填塞物。预埋铁件如人行道螺栓预开方洞，用特制橡胶块堵塞。腹板、底板及顶板钢筋均制成整片，进行吊装。管道位置的固定采用单片定位箍架，用角钢在标准台具上焊制。采用外径50mm的钢丝网胶管作为制孔器。用28mm的钢管作芯棒，避免挤压变形。
梁块质量：全梁41块，经28天试件抗压强度，用600号普通水泥制作的13块，为508～596kg/cm2，用500号普通水泥制作的28块为451～511kg/cm2。
(二)梁块拼装
干拼是胶拼前的准备工序，在干拼时排除中线和水平的误差，以保证胶拼的质量。干拼是在改制的62A型轨节台上进行。拼梁时，除保持梁块密贴外，重要的是始终保持梁底坡度的一致性，否则形成折线将给顶推工作造成大量困难。干拼结束后，应将全部钢绞线束都穿入孔道。
胶拼使用环氧树脂胶的配合比是根据气温和拼装梁块的数量进行调整的。胶拼前，将钢绞线穿入孔道后，把梁块拖开，使与基准块离开0.8m，利用梁的通气孔，穿入钢管搭起简单脚手架。涂胶不宜过厚，能复盖住表面即可，涂完胶后，移动台车使梁块向基准块靠拢，当中线、水平、接缝均吻合后，将车轮固定，即可进行胶拼下一块。为了使胶缝紧密接触，将梁胶拼成整体，并保证在正式张拉前梁块之间不会发生错动，进行挤胶张拉。
本桥张拉分三部分：挤胶张拉、顶推阶段张拉、运营阶段张拉。要使工作顺利进行，首先要做好一系列准备工作：油表和YC－60型千斤顶、电动油泵的检查、校验，油管接头的装配，张拉工艺的培训和张拉台架的安装等。
(三)顶推架梁
本桥顶推采用的是水平——垂直千斤顶方案。
1.试验：为了保证顶推架梁的安全，正式顶架梁前，在岸上作最大悬臂状态的模拟试验。目的是：事先了解导梁的最大挠度；导梁与混凝土梁接头处的最大变矩值；导梁与混凝土梁联结板的强度；钢绞线锚具在未压浆状态下，当导梁悬出后的锚固性是否可靠；台车在顶推时的受力情况是否符合设计计算。
2.准备工作
(1)根据水平－垂直千斤顶顶推原理分析，在顶推初期或末尾，垂直顶上梁的反力较小时，就不能顶推使梁前行。所以在事先准备绞车、钢丝绳、滑车组等拖拉设备。利用拖拉设备带动设在轨道台车上的工字梁，推梁前进。导梁通过延安侧桥台时，其下用φ50mm圆轮作滚动支承。用拖拉法将导梁悬出延安侧桥台24m后，顶推架梁开始。
(2)顶推设备的布置：顶推设备主要由水平千斤顶、垂直千斤顶和底盘滑道组成。顶推专用的千斤顶是由铁道部科学研究院与铁道部第一工程局桥梁处共同设计制造的。其性能如下表。

千斤顶类别
代号
起重能力(t)
最大行程(mm)
大缸活塞面积(cm2)
小缸活塞面积(cm2)
垂直千斤顶
水平千斤顶
V314
H200
垂直314
水平200
100
500
1257
804
239
188．5

顶推设备安装在延安侧桥台梁垫上。在铸钢底盘、不锈钢滑道上安装水平－垂直千斤顶，并用分配梁将两个千斤顶连接起来。水平顶的后座支于延安侧桥台背墙上，下座固定于滑道上。垂直顶下部镶一块聚四氟乙烯板坐于滑道上，其上部设一特制的硬橡胶板。
在各墩西安侧桥台支承垫石上，设置预制的混凝土块（其高度与箱形梁的正式支座相同），其上安装铸钢底座不锈钢滑道。
3.顶推过程
开始用盾构千斤顶作动力，钢横梁带动混凝土滑块使梁体前行。用这种方法顶推完第一拼装段，在第二拼装段顶推到混凝土梁端距1号墩1.4m时，由于拼装梁底板不平，形成梁尾部翘起，延安侧桥台支点反力增大而出现梁块之间胶缝开裂，立即降低延安侧桥台支点高度同时更换顶推设备。安装使用顶推专用千斤顶（即V314－H200千斤顶）。顶推速度达每分钟5～6cm。
顶推力按下列情况分别计算：
(1)全梁拼完，梁前端距延安侧桥台支承点距离为97.2m时，顶推力为69吨。
(2)全梁即将顶推完（导梁已拆除）,梁重全部支承在滑道上时,顶推力为68吨。
在顶推过程中，顶推力的大小是取决于梁体的总重和滑板与滑道之间的摩阻情况。正常情况顶推水平顶实用顶推力根据油压表读数，换算为32.2～48.2吨。但由于滑板使用受压变形，顶推力将增大至80吨。根据顶推纪录水平顶油压表的读数，推算出各阶段中滑道不锈钢板与聚四氟乙烯板间的摩擦系数值为0.047～0.066。当第四阶段顶推至最后，梁体
在台后剩余7.5m时，梁底混凝土与垂直顶上橡胶板的摩擦系数为0.32。顶推工作要求滑板与滑道间的摩擦系数愈小愈好，而垂直顶上的橡胶板与梁底混凝土间的摩擦系数愈大愈好。
滑道顶面标高按设计纵坡进行换算。梁体通过滑道时，在梁底与滑道之间设置滑板，滑板是用硬质橡胶与钢板组成的夹层板，并在其表面镶嵌一层聚四氟乙烯板。
顶推时，由于梁重不断加大，滑板大部分都被压辗坏，聚四氟乙烯板被梁体与滑道挤压变形，并与橡胶板分离。为了继续顶推，采用旧输送带直接压在聚四氟乙烯板上，用30吨螺丝顶将滑板续进的办法，坚持到全梁就位。
顶推工作中的几项措施：
⑴分担反力的顶推措施：在第二阶段顶推时，梁底折线影响到墩台的反力值，导致顶板上缘一些胶缝经过延安侧桥台时出现开裂现象。确定以分担反力的办法，随时调整各支点滑板的高度，确保各支点反力不致过大或过小，使梁体顶推时的内力基本保持设计数值，将大部分施工误差集中到第一拼装段去。
⑵顶推时对V314顶大油缸送油量的控制：往往按设计反力值送够了油压，而临时支点并未脱空，因而必须进行超顶或降低临时支点，这都是不允许的。从施工角度看，临时支点的标高应是定值，每次顶推起顶时，均应以此高度为准。至于超顶数值，应在设计中考虑此因素，在配筋中留有储备，以保证梁体的顶板胶缝不致开裂，及腹板钢筋混凝土有足够的抗弯和抗剪能力。
⑶纠偏：顶推过程中，梁体中线经常离开桥轴线。采用的纠偏办法是：在钢滑道外侧安装角钢支架（以支承螺丝顶），水平方向安装30吨螺丝顶顶住梁体下缘，当梁体顶推前进时，对螺丝顶进行加压，梁体即向对方移动，这样顶压数次后，就可纠正过来。
⑷墩顶纵向位移：在顶推过程中，用仪器观测到1号墩墩顶最大位移值为16mm，2号和3号墩墩顶位移值为6～15mm。当顶推前进时，位移随之发生。而当脱空回程时，该值逐渐回到零位。因此，这个位移值完全是弹性的。
⑸对桥墩偏压的影响，在顶推过程中，因需要检查支点反力或更换滑板和调整滑板的厚度，均须在桥墩的一侧设置千斤顶。当支点反力较大再加上超顶的因素，荷载将达到400吨左右，这样将对桥墩形成较大的偏压。除在设计桥墩时应考虑检算，在施工时应尽量缩小其偏心距离，本桥经过检算已超出规定，由于在墩颈部设有钢筋，所以没有发现裂缝。
(四)孔道压浆
按照顶推架梁的要求，压浆分为两个阶段——顶推阶段和运营阶段（即落梁前）。
在拼装顶推阶段，每一拼装梁段建立预应力后，即将已张拉完成的钢绞线束进行压浆。但为了避免运营阶段未穿钢绞线张拉的孔道堵塞，在顶推阶段只对梁四角处N1号12束（全梁贯通带连接器的钢绞线束）进行压浆。其余的孔道，是在顶推架梁结束，运营阶段建立预应力张拉工作完成后进行的。
(五)落梁
落梁工作是在顶推工作结束，全部钢绞线进行张拉、压浆后，将墩台上的钢支座安装好，全梁落到正式支座上，这是箱形连续梁的最后一道工序。
落梁工作是按照墩台处支座反力的大小，在各墩台上均设置两台千斤顶。以拼梁时梁底原始工作线作为梁体原始状态，以标高控制落梁。每次落梁高度不超过2cm。因西安侧桥台为固定支座。应先落完，顺序为三、二、一号墩及延安侧桥台。

关于活动支座摇轴的倾角问题：根据设计混凝土梁的伸长值，确定摇轴偏向延安方向的数值。将各支座下摆向西安方向移动各数值的一半，即可符合摇轴倾角的要求。
(六)对梁缝开裂和腹板裂纹的分析
在顶推过程中裂缝及裂纹出现的主要原因分析如下：
1.负弯矩过大，顶推阶段预应力不足以抵抗上翼缘的拉应力，因而发生较大的伸长，超过了混凝土胶缝的允许变形值。这类裂缝均发生在顶板接缝处。
2.支点处梁底上、下游不平，该支点反力较大时，对腹板形成较大扭矩，当顶板开裂后，引起腹板裂纹。
3.腹板配筋较少。限于施工水平，在160多m长度范围内，很难做到绝对的平、直，必然给梁带来附加外力。
本桥箱形梁预应力配筋计算方面，为安全计，对运营阶段各环氧树脂胶缝的截面上不计混凝土的抗拉强度。在顶推阶段考虑属于临时状态，即使有的拼接缝出现裂缝，顶推完成后，还有五分之三预应力筋张拉，出现的裂缝将会在恒载和运营阶段的预应力筋补拉后全部闭合。
全桥落梁并考虑了支点反力，因此可以保证质量。
三、体会及改进意见
(一)多年来，我国在铁路建设中，除较大河流或一些有特殊要求采用大跨度钢梁桥外，无论遇到深沟、峡谷、急流或地质断层等情况，桥墩多高、基础施工多困难，一般都采用跨度32m或24m预应力混凝土梁。不但形成梁部与墩台极不合理的经济布置，而且浪费大量人力物力，延长施工工期。因此，混凝土桥梁向32m以上跨度发展，是我国铁路桥梁迫切需要解决的问题。
通过这座桥梁实践证明，顶推法施工可以发挥悬臂拼装法和悬臂灌注法的优点，而且避免出现两法的缺点。因为制梁是在桥台后预制台座上进行，可以做到工厂化、机械化施工，同时又不需要大型运输和吊装机具设备。可用较小的动力架设较重的桥梁。无高空作业，架设平稳安全。架梁操作也较简单。从制梁到顶推的全部过程，可大量节约劳力，减轻劳动强度。采用顶推法施工可以作到制梁、顶推架梁同时进行，墩台施工也可照顶推进度进行，有利于缩短工期，桥下不需要任何脚手设备，可保证桥下净空内的正常工作或通行。
顶推法架梁的缺点是：施工前需将桥头路基修至顶推需要的高度或设置临时支墩及制梁或拼梁时用的脚手架。连续梁的梁底达到平直，对施工要求较高，特别对采用无厚度密贴胶粘缝进行梁块拼装时，更应达到较高的精度要求。
(二)有关设计方面的改进意见：
1.顶推过程中结构的安全储备，按桥规规定，安装时的冲击系数为1.2。由于连续梁在顶推过程中处于超静定状态，且具有各断面力矩变号的特点，梁底平直的施工精度及顶推时的故障处理对梁体的超顶等，均对结构物的受力状态影响很大。为了确保顶推架梁的结构安全，除应制定施工规定外，设计要有安全储备。建议每次正常顶推过程中的起顶值控制在1cm左右，处理故障时最大起顶值不能超过2cm，设计弯矩的荷载增大系数在第一跨的影响范围内采用1.5，其他跨采用1.2。
2.台后的梁体支承情况必须受力明确且易控制，以确保设计内力的计算值。本梁设计
时，仅考虑干拼、胶拼的施工方便，台后采用了小车方案。由于刚度不强，有时为了保证梁体的坡度，施工中经常调整小车的垂直丝杠，而形成有时使台后的梁段受力不易控制。建议台后的支承方案在顶推过程中宜用小支墩滑道方案。
3.对全梁构造方面的改进意见
⑴预应力配筋在目前材料设备的情况下采用直线型分散配筋形式是合适的。但在管道布置上未留富余，施工时如出现意外，无法加强。建议在管道布置时要预留2～4束位置，以便随时可以加强施工阶段的预应力值。
⑵由于在混凝土灌筑时，不可能保证各管道间很密实，因此在管道布置上要考虑架梁阶段的管道与运营阶段补充张拉的管道间有适当的措施，确保架梁阶段张拉的钢丝束张拉后立即压浆。
⑶合理调整顶板底板及腹板的厚度，以降低结构经济指标。预应力钢筋的截面宜设暗锚，顶板锯齿板可考虑设在桥面上并尽可能减少锯齿板。全桥内轮廓尺寸不宜变化太多，以利施工。
⑷在第一阶段胶拼后，未及时进行张拉。由于受昼夜温差的影响，在梁段间的腹板胶缝发生了裂纹。因此，除施工应掌握胶拼后立即张拉外，设计时应考虑初拼张拉吨位，应能足够抵抗温度应力的影响。
(三)对顶推方案的选择：
本桥顶推采用水平垂直千斤顶方案，动力集中在一端桥台上。其主要缺点是：
1. 开始及最后顶推时，由于支反力不够，梁体不能滑移，必须采取其它措施。
2. 每次顶推起顶时，梁体必须超顶。
3.桥墩各滑道上，需反复递送滑块。由于聚四氟乙烯板挤压变形与橡胶板脱开，经常造成故障中断工作。
4.桥墩承受水平力，对高墩不利。
据报道，日本创造了在各桥墩上设置顶推装置的顶推方式（SSY式顶推装置）。这种方式是用穿心式水平千斤顶带动在滑架上的滑板与梁体同时移动；用竖向千斤顶起落梁体。这种顶推装置将为今后修建多联的长跨桥梁提供新的途径。
(四)对制梁方案的选择：
采用顶推法架设预应力混凝土连续梁时，梁段的接长有两种方式：
一种是预制拼装方式，按照设计顶推阶段，分段预制然后拼装。每阶段的长度可达50m左右。其优点是可提前预制梁块，能缩短工期，因其一次拼装梁段较长，对全梁预应力的配置连结方面较有利。其缺点是梁体存在接缝这一弱点。
另一种是直接在顶推梁体的尾部灌筑长段梁(10～20m)。其优点是可以缩小场地范围；减少拼装用的设备；梁体接缝较少。其缺点是配筋连接较繁。各项设备 材料必须备全，才能开始顶推，否则工序将会中断。这座桥考虑到初次施工，采用现场预制短梁段，分阶段拼装方案。但是，直接灌筑长段的优点较多，是今后顶推法发展的方向。
(五)对顶推和滑道的改进意见：
1.为了加快顶推水平千斤顶顶推速度，其行程应加长至1000至2000mm。这座桥最大顶推水平力为60吨，特殊情况下最大为80吨，所以水平顶的吨位不,需过大。
2.垂直千斤顶的顶部橡胶板，应用特制带短刺的钢板与橡胶压成整体，以增强其抗剪
能力，增大与梁底混凝土的摩擦系数。
3.应适当加长不锈钢板滑道长度，能使有三块以上的滑板均匀受压，滑道端部喂滑板的坡度应小于2°，滑道弧度并应变缓。以使滑板在滑移受压过程中避免线状接触，而使聚四氟乙烯板碾压变形。
4.本桥所用的滑块聚四氟乙烯板，当其受压力达50kg/cm2时，即开始发生变形，当压力达100kg/cm2时开始破损。应提高材料质量，以适应滑板的需要。
5.为适应顶推的速度，顶推千斤顶所用的油泵，应配备每分钟10～20升大容量的、进油速度快的油泵，并以电动集中控制。
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