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用顶推法架设预应力混凝土梁

1. 前言
这里介绍的顶推法是预应力混凝土梁的架设方法之一，是由西德的昂哈特和鲍乌尔创造的。在预应力混凝土梁的技术领域中也和其他建设领域一样，为了使施工方便、速度加快和经济合理等付出了很大努力，因此现场架设方法有了很大的发展。欧洲的斯拖巴库活动脚手架、悬吊挂车、自伸式悬吊脚手架，都是分跨移动架梁的活动脚手架，这些方法在日本都已引进。雷昂哈特-鲍乌尔顶推法参照了移动脚手架中大型支承梁的推移，将以前用于钢梁中的推顶方法发展到架设重量大的混凝土梁。架设时，在桥台后面每次灌注10-20m长的混凝土梁，连续灌注，顺次推顶。前述移动脚手架中采用了重约为250t的钢脚手架支承梁,而在推顶法中只采用了30t左右的钢导梁和推顶装置，以及10-20m长的模板设备，即可进行施工。由于这种在设备上的差异和两种方法各具特征，所以其适用范围各不相同。移动脚手架用于30-45m长的连续梁，桥长500-1000m或大于此数值是适合的；推顶法根据推顶力、模板倒用次数等条件，用于桥长为400-600m是适合的。这两种方法都是周期性的施工方法。以移动脚手架进行一跨长为30-45m梁的施工，需10-14天；以推顶法进行一个10-20m长的块件施工，需5-7天。在工期方面两者没有多大差异。
推顶法与采用脚手架的施工方法比较，它只用导梁和推顶设备，临时设备少；每次制造的长度短，所以模板的倒用次数多；模板的组装、脱模容易；与工厂制造一样，工程进展不受气候影响，而且混凝土的质量好。
在西德用推顶法施工的桥梁共有16座。日本用推顶法施工的北海道幌萌桥（长170m）正在施工。下面将对本施工方法作详细介绍。
2. 推顶法的特征
在桥台后面设置两三个块件长的制造台，在制造台上设一个块件长的模板。首先在梁前端位置安装一钢导梁，并灌注块件①，推顶块件①，继续浇筑块件②，将①＋②推顶出一个块件的长度，再灌注块件③。下面以同样的顺序反复依次灌注和推顶。在继续灌注混凝土时，为了承受梁悬出部份所产生的弯矩，在桥轴方向施加预应力，当跨长超过35m时，需在跨中设临时支柱支承。在这些临时支柱及各桥墩上梁可以滑移。在梁的支承位置临时设置聚四氟乙稀及镍铬钢钣的滑动支座。以桥台前墙支承其反力的水平设置的千斤顶提供推顶力。梁的推顶完成之后，在桥墩和桥台上安装原设计的支座，并对梁施加设计上所需的预应力，施工即告完成。
3. 推顶法创造的经过和应用
推顶法如前述及，是由西德什图加特市设计所的佛立芝·雷昂哈特和威廉·鲍乌尔创造的。由他们创造的预应力混凝土梁的架设方法有雷昂哈特-鲍乌尔法和雷阿巴法。雷昂哈特-鲍乌尔法是将一片主梁所必须的预应力钢丝（预应力钢绞线）集中在一根管道内。采用集中钢丝束是这种方法的一个大特点。在这种钢丝束的配置方法中，钢丝束是沿预应力梁腹版外面配置的，这就叫外钢丝束。
1959年动工、1962年竣工的长度为288m的阿加桥，在架设时，将梁分成8m一段进行制
造。在跨度范围内设置满布脚手架，在脚手架上进行推顶。各段之间的接缝在现场浇注，并以上述外钢丝束的方式施加预应力。日本采用上述方法于1964年修建了神奈川县柿生桥（长110m）。采用这种方法需在全跨内设置脚手架。此后对分段施工而不采用脚手架的施工方法开始进行了研究。
1964年架设的委内瑞拉的卡罗尼桥，是在桥头引线上分块预制全梁块件，将外钢丝束沿梁轴线水平设置，并施加轴向压力然后推顶至架设位置，最后利用钢丝束的上下弯曲，以达到设计上所需的预应力。卡罗尼桥的跨度为48＋96＋96＋96＋96＋48m，有4个96m的跨中，分别设置坚固的混凝土临时支柱。推顶卡罗尼桥时首次采用的推顶装置和聚四氟乙稀板的滑动支座是现在雷昂哈特-鲍乌尔推顶法的基础。
在桥台后面，以10-20m梁长为一个块件，连续灌注，推顶的施工方法，最初是使用在1965年修建的库夫斯塔茵专用公路桥中，此桥为450m长的5跨连续梁桥，最大跨度为102.4m。由于跨度大，所以应设置临时支柱，使推顶跨度在35m以下。
本桥梁高为4.6m，因具有相当大的断面，所以推顶时不需施加预应力，而作为钢筋混凝土梁推顶。最后，用外钢丝束施加预应力。
从库夫斯塔茵桥起，到现在为止，在西德用推顶法架设的桥梁如下所列：
⑴库夫斯塔茵（公路）桥
450.6＝84＋3×102.4＋59.4
⑵库夫斯塔茵（公路）桥
469.8＝79＋2×102.4＋62＋63＋61
⑶塔巴山谷桥
658.4＝4×54.4＋60＋7×54.4
⑷柯哈山谷桥
478＝49.5＋68＋7×51.5
⑸舒波夫巴赫茨桥
280.5＝34＋5×42.5＋34
⑹罗依扎哈根山谷桥
586＝42＋46＋52＋9×45＋41
⑺克立根山谷桥
426＝32＋2×40＋42＋6×40＋32
⑻埃德尔桥
160＝24＋26＋26＋24
⑼呼恩斯提克山谷桥
275＝7×36＋23
⑽巴森海姆桥
467.4＝26.4＋3×47＋67＋4×47＋45

⑾马库贝尔山谷桥
401.2＝10＋40.12
⑿马斯霍克勒马哈桥

300＝37.5＋5×45＋37.5
⒀南站罗森海姆桥
336＝28＋8×35＋28
⒁得斯灵根桥
206＝30＋4×36.5＋30
⒂伊勒尔桥
370＝40＋3×45＋60＋75＋60
⒃布里希山谷桥
600＝35.5＋2×44.5＋49.5＋2×70＋5×49.5＋38.5
塔巴山谷桥是上列桥中最长者，长度为658m。其临时支柱是用混凝土版和钢筋组合而成。克立根桥长426m，是最大跨度为42m的11跨连续梁桥，由两片独立的梁组成，架设时，两片同时架设。工期为8个月。
到现在为止，推顶时在梁内不施加预应力而以钢筋混凝土梁推顶，待全桥架完之后再施加预应力的桥梁，只有库夫斯塔茵桥。一般采用的方法是设置临时支柱、使推顶跨度在35m左右且在推顶时施加预应力的方法。用推顶法施工的桥梁，其跨度与梁高之比应为12-15。
4. 推顶法的细节
4-1. 块件的制造
在推顶法中，如前所述，把梁分割成适当的长度进行施工。块件的长度是由跨度、桥长、工期等决定的，在施工实例中为10-26m，根据条件可达30m。一般情况下，块件的长度以10-20m为标准。块件的制造，虽然可在桥台后面的制造场连续灌注，但根据条件，也可将在工厂制成的预制块件连接后，进行推顶，在这种情况下，根据搬运条件，块件的长度为3-5m。关于块件的混凝土数量：对公路桥而言，当有效宽度为9.5m，单箱式3跨连续梁的跨度/梁高＝13，跨度为30-50m时，跨中部份的标准断面积为5-7m2，从这个数字推断，每一个块件的混凝土数量为100m3左右。
根据劳动条件，制造一个块件的基本作业周期，以一个星期为标准。即：星期五灌注混凝土，把周末作为混凝土的养生时间，星期一施加预应力并进行推顶。以这样的工程进度施工的块件长度可达20-30m。选择适当的块件长度或采用预制块件进行连接，可将周期缩得更短。
制造场布置。在桥台的后面，于桥梁中线的延长线上设置坚固的基础，此基础的长度为2－3个块件长度（从桥台前墙算起），制造场就设置在此基础之上。制造场由三个部份组成，模板安装部份在中间，最后一个制造部分是底版制造部份。在底板制造中，底版下面的加工是推顶法中的重要作业之一，因为它在推顶时，对梁的安装精度有影响，则应在钢板上进行施工，此钢板应坚固地支承在钢梁上。
侧模板和内模板的标准设置。内模板的支撑可在桥轴方向整体移动，内模的侧模板从水平方向脱模，顶版模板从垂直方向脱模。在灌混凝土之后，内模板、支撑与块件一起移到前面，然后再拖回到已经移动到侧模板安装位置的底版上。为了使内模板由于支承顶版的混凝土重量产生的反力不对底板有恶劣的影响，底版下应设支承。侧模板是以铰和千斤顶进行旋转脱模的。

此桥的最大跨度为52m，是13跨连续梁，梁高3m，宽15.25m。脱模是以按扭操纵机械进行的，只需数分钟即可完成。由于制造场上架设了雨棚，所以作业的进行不受天气影响。
4－2. 导梁
用推顶法推顶的梁前端应装导梁，导梁的长度一般为跨度的60%。为了使推顶时的挠度小，则采用钢板梁，由于推顶时其下翼底面在滑动支座上通过，所以在设计时应保证它的平滑性和对支点反力有足够的强度。为了使导梁的前端在推顶时能在各滑动支座上顺利地推出，则需装千斤顶和滑履，导梁与混凝土梁的连接部份，一般用预应力圆钢筋连接。
4－3. 推顶装置
推顶装置安装在制造场前的桥台前墙处，是用千斤顶张拉或推顶的机构。采用张拉时，在梁底板下面且与桥轴线方向一致、左右平行设置两根拉杆，各拉杆在桥台前墙处有一台千斤顶张拉。拉杆的后面与安装在块件底板下面的固定器和楔连接。千斤顶的行程为20-30cm。在水平千斤顶和垂直千斤顶组合的推顶装置中，在垂直千斤顶上面的支承钣上有细齿，在桥台上设有临时支承梁的支座。在垂直千斤顶起顶后支承着梁的情况下，起顶水平千斤顶进行推顶；垂直千斤顶落顶时，以临时支座支承着梁。垂直千斤顶下面的滑面为聚四氟乙稀板。
考虑到滑动支座部份的聚四氟乙稀板的特性，这些推顶装置的推顶速度约为1mm/秒。长度为20-30m的块件，推顶作业所需时间约1天。推顶力是根据滑动支座部份的摩阻力和梁的重量决定的。如后述那样，施工时的摩擦系数为0.04-0.05。当梁的断面积为6m2，桥长为400m时，推顶力为300t左右。用2台200t的千斤顶或4台100t的千斤顶作为水平千斤顶，即可进行推顶。如果桥在纵向有坡度时，向下方推顶时推顶力小，且推顶效果好，但坡度大于2%时，必须设制动装置。
4－4. 滑动支座
前述推顶法中的滑动支座是在卡罗尼桥的施工中首次采用的。卡罗尼桥的支座是把聚四氟乙稀板的新圆形支座放在梁的下面，并在镀铬钢钣上滑动。按照这个方法，经研究后进行了简化，即把用薄铁钣加劲的氯丁橡胶上铺了聚四氟乙稀的滑板放在镍铬钢钣上滑动。
滑板为30-40cm的方块，每台滑动支座处放数块，夹放在混凝土块上铺的镍铬钢钣与梁底面之间，与梁一起滑移，在镍铬钢钣的前面滑出，检起滑出的滑板再从后面夹入。聚四氟乙稀的摩擦系数随承受压力的大小和滑移速度而变化，在修建卡罗尼桥时，已由试验确定。日本产的聚四氟乙稀在试验中所得的结果与上述试验结果大致相同。由这个结果可以看出聚四氟乙稀的摩擦系数采用0.02是完全可以的,但考虑到施工时滑面的精度和滑面上的灰尘等影响，以0.04-0.05的摩擦系数确定推顶力是完全足够的。
将镍铬钢板的两侧用螺栓固定，并安装在加工平坦的混凝土块上。梁的混凝土强度为350kg/cm2时，以承压强度为120kg/cm2来决定承压面积的长和宽。上面铺了镍铬钢钣的混凝土块的受压强度为400kg/cm2以上，还应加足够的钢筋。
安装混凝土块时，为了调整其高度，在其底面安设螺栓。作为滑面的混凝土块的安装工作，与混凝土块的表面加工工作一样，是推顶法中重要的作业之一。安装公差为1-2mm。在滑面的外侧，为了确保梁在推顶时的方向，安装了坚固的导向设置。
滑动支座的混凝土块放在桥墩上和临时支柱上，并对准梁的腹板（一般为箱形断面）安装，考虑到安装在滑动支座上的导向设备的宽度，混凝土块应比梁的底版至少宽50cm，
还应留出在左右两滑动支座之间或两滑动支座前后安装千斤顶的位置。此千斤顶是用来克服临时支柱不均匀下沉和最后取出滑动支座的。一边推顶一边要对滑动支座进行准确地测量，要十分注意滑动支座的下沉。万一发生不均匀下沉时，用千斤顶顶起，提高滑动支座面，或在滑板与梁底面之间垫入衬垫，总之，施工时要注意不使梁产生不利的应力。
4－5. 临时支柱
如前述的那样，当桥的跨度超过35-40m时，在跨中设临时支柱。钢制的临时支柱应避免发生大的荷重变形和温度变形。一般将混凝土版用钢筋组装成高1.5m-3m的元件，然后再拼装而成。推顶时作用在支柱上的水平力，以斜拉的预应力钢丝束承受。
4－6. 预应力的施加
在制造场一边灌注混凝土一边推顶的阶段要对上下底版中配置的预应力钢丝束施加预应力，以提供轴向压力，然后再推顶。对于预应力钢丝束用连接器连接起来的方法是比较好的，但也有将上下底版中的钢丝束通过2-3个块件后即进行张拉的方法。
梁推顶完毕之后，进行主要的张拉工作，此种预应力的施加方法如前述那样，可采用外钢丝束的方法，也可采用钢丝束通过预先设置的管道内然后进行张拉的内钢丝束的方法。应根据张拉力的大小对上述方法进行选择。一般情况下，张拉力超过600-800t时，采用外钢丝束的方法效果较好。
采用推顶法时，从梁的第一个块件顺次施加轴向压力之后，至少数个月之后再进行主要的张拉工作，这种情况下，由混凝土收缩徐变引起的预应力损失，比就地灌注的一般预应力混凝土要少。
采用外钢丝束时，需在箱形梁腹版内侧以5-10m为间隔设置肋，用以支承钢丝束并使钢丝束弯曲，弯曲部与弯曲部之间钢丝束为直线，主要张拉工作进行之后，用混凝土包裹。以12-24根钢丝为一束，在张拉端部，按一般的方法进行张拉和锚固。
在腹版上预埋了钢筋和螺栓，以便张拉后在钢丝束的外侧配置钢筋，然后用混凝土或压浆混凝土包裹。
预应力为120t的外钢丝束，在肋处和支点上的内横梁处预埋了具有所需弯曲半径的钢管，预应力钢丝束通过钢管进行设置。
采用外钢丝束，可以观察出跨中钢丝束的张拉情况，其摩擦损失也较少，并能节省预应力钢丝束的设置时间而缩短块件的制造工期，还因为能减少梁腹版中钢丝束的数目而提高了混凝土的灌注质量。从设计上来看,也还有减少腹版厚度的优点。
5．顶推法的适用范围
预应力梁的架设方法多种多样，应按照桥梁所在的地区条件、结构形式、工程规模等选择适当的方法。因要有效的使用各种施工方法，则各种施工方法就有其一定的适用范围。推顶法适用于长桥，因模板的倒用次数越多，就越经济。但从一个制造场连续推顶出去的梁长以600m为限。如果桥长在600m以上，当梁的总重量大时，也可以考虑到桥墩上设置辅助推顶装置或从两边桥台推顶的方法。即使在桥梁的长度比较短的情况下，在跨越铁路和交通量大的公路或深谷时，推顶法也可适用。
推顶法也适用于不是缓和曲线而是圆曲线的桥梁，西德的罗依扎哈桥、柯哈桥、塔巴桥等都是曲线桥梁，这三座都是具有大曲线半径的桥梁，但对小曲线半径的桥梁也适用。1972年，在意大利半径为150m的马芝哈斯特桥，就是使用推顶法施工的，这是一跨度为30m
的10跨连续梁桥，桥长300m。
在地震多的日本，从耐震上来考虑，限于采用多跨连续梁。而在西德的长桥却不被采用，因此将梁的端部临时连接起来进行推顶就有必要了。
到现在为止，用推顶法架设的桥梁都是采用箱形梁，因为推顶时对在梁内产生的正负交变力矩而言，箱形断面是有利的。采用Ｔ形梁时，对推顶时负变矩产生的下缘侧的压应力有进行特殊设计的必要。
6. 结束语
在这个施工方法的创造中，完成了一项重要的任务将聚四氟乙稀作为滑移机构。此种方法不只限于用在桥梁的架设方面，在其他领域中也可以应用，实际上在西德的建筑结构物中已有应用。
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