广东九江大桥长梁顶推工艺.docx

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广东九江大桥长梁顶推工艺

广东九江大桥长梁顶推的设计和施工

广东九江大桥跨越珠江水系主干流西江，是广（州）湛（江）公路干线上的一座特大型桥梁，江面宽1300多米，最大水深26.98米，平均水深16.44米，桥梁全长1675.2米，桥面宽16米，主跨为160*2米独塔斜拉桥；南主桥为40＋50*13米预应力连续梁；北主桥为40＋50*6米预应力连续梁；南北引桥均为16米跨预应力空心板梁，下部构造采用桩基础，南主桥为4d170厘米嵌岩桩，桩长达50米，双柱式墩，墩高达22.85米，本文着重介绍南主桥690米长14跨一联的连续长梁顶推的设计和施工。

一、设计

预应力连续梁桥采用顶推法施工，实质上是沿用拖拉法架设钢桥的发展，自从委内瑞拉的卡罗尼桥用顶推法施工获得实践成功以来，这种施工方法相继在欧洲、美国、日本和苏联已被广泛采用，我国在七十年代中期引进了这一先进的施工技术，先后在铁路和公路部门修建连续梁桥，至今在陕西、广东、湖南、贵州、内蒙古、广西和四川先后已用此法建成通车和正在建设中的共有十余座大桥，同时由平坡梁的顶推发展到竖曲线梁的顶推，由单点顶推到柔性墩多点顶推；广东九江大桥的南主桥是在2.6%的纵坡上，顶推跨径50米14孔一联全长690米的连续梁桥，它的顶推工艺，是国内十余年来试验研究和实践的发展的结果。

用顶推法施工的桥梁，实现了预应力混凝土的纵向架设，它是通过墩座上的滑移装置来实现的，在设计计算上除那些一般必须考虑的荷载情况外，架设条件对结构设计特别重要，这些条件既影响上部构造，也影响桥墩和桥台。

通常在预应力混凝土桥设计中，虽然对使用阶段时设计荷载作用的应力状态，甚至对于施工过程结构体系变化的应力状态进行分析时都有设计原则，然而在顶推法施工的情况下，例如，在顶推架设连续梁式结构的桥梁时，由于在顶推过程中，上部构造承受连续变化的弯矩，全梁截面内产生与营运阶段作用时不相同的交替应力，即每个截面从正弯矩区移到负弯矩区，又从负弯矩区移到正弯矩区，拉应力就在截面上下缘交替产生，为此，在设计中必须对各截面的应力值进行周密的研究。

1.截面选择及梁段划分：

箱型截面具有较大的抗扭刚度；同时又具备宽大的顶板和底板，更能有效地为适应施工力矩变号的特点进行预施应力，也便于顶推过程中的纵向调整，所以，箱式截面最适合于采用顶推施工的桥梁截面。

箱式截面在预应力混凝土桥梁中，可由单箱或多箱组成，不论从结构上或是顶推施工速度上来分析，无疑单箱截面要比双箱截或多箱优越，但也要结合可能具备的技术装备条件来综合考虑。

九江大桥是根据已具有的顶推设备和装备条件拟定的双箱单室截面形式，如图一所示。

顶推法施工的特点多采用等高梁的结构型式，梁的高度则是为了适应顶推架设时减少应力调整所需的预应力筋用量，也考虑了经济方面的诸因素。

因此，梁高不按通常柔度比（即梁高与跨度之比）1/18－1/22，而采用了3米梁高。

梁段的划分，首先要考虑到施工设备的能力与技术水平，以一节梁段的混凝土灌注工作在一个台班之内完成为宜；但从设计的观点考虑，施工缝希望设置在应力较小的截面，即弯矩零点附近，在通常情况下，施工缝不能设置在支座截面，以避免负矩区截面削弱，根据国外一些资料的介绍，梁段划分的长度推荐在10-30米范围内选择，在国内，大多考虑施工条件的因素，标准梁段选用在10-20米范围，九江大桥14孔690米梁划分为42节段，其标准梁段长16.667米。

2.导梁的选择

在顶推法施工中，为减轻主梁跨墩悬臂应力，通常在主梁前端安装一组钢导梁，根据国外资料和我们多座桥的实践，采用实腹钢板梁为佳，其特点是：

结构合理，受力明确，刚度大变形小，用钢量亦小，导梁设计的控制因素是：

导梁的最大正弯矩和下翼缘要承受的最大支点反力。

因此，内力计算首先要考虑顶推过程中弯矩与反力的变化，以确定最不利的控制截面位置。

根据国内外资料介绍及实践表明，最大正弯矩值约在桥跨75%处产生，如图二所示。

由于顶推主梁前端设置一组重量较轻的钢导梁，使顶推梁的内力计算直接受到导梁长度及刚度的影响。

导梁长度不仅影响架设时主梁的内力，同时也影响到最大负责弯矩截面的位置。

因此，导梁长度的选择对研究主梁内力变化，从而更经济合理地布置预应力筋起着重要作用。

九江大桥单箱顶推时，以变截面计算导梁恒载重量为每米10KN－－33KN，采用不同长度的导梁进行计算，绘制弯矩包络图，其结果如图三。

从图中可知，导梁长度仅限于对多跨连续梁第一跨计算截面的负弯矩有较大的影响，对其它各跨正负弯矩影响不大，但当导梁长度小于跨长的60%，负弯矩值急增，一般认为导梁长度宜在顶推跨长的0.6L－－0.8L范围内选择，九江导梁选取跨长的0.68L为34米。

国内外资料表明，导梁抗弯刚度对连续梁的第一跨产生的负弯矩值有较大的影响，对其余各跨则无影响，而对正弯矩的影响甚微，九江大桥曾采用三种不同刚度的变截面等长度的导梁进行分析计算，如图所示：

图四中的a）为导梁刚度的一半，b）为导梁刚度的二倍，c）则是导梁刚度为一时的计算结果。

图四中第一个峰值为-42380KNM，图a）第二个峰为-43910KNM，图b）第二个峰值为-37340KNM，图c）第二个峰值为-38460KNM。

从力学分析来看，悬臂部分是静定结构，其负弯矩与导梁刚度无关，由图中亦可知，不论导梁的刚度大小，在同等的长度下，其第一峰值是不变的，图四中的第二峰则随导梁刚度不同其负弯矩亦不尽相同。

一般认为，两个峰的数值相近较好，这给预应力筋的配置较为方便。

但从图四b）看，导梁刚度大，可降低第二峰值，但所需的钢材较多，图四c）中第二峰值需较b）稍大，因其所需的钢材可节约很多，且两个峰值相接近。

这是比较理想的，九江导梁设计即按此确定。

国外文章介绍，选用顶推梁与导梁的刚度比在5－20范围内，而第二峰值的变化不大于10%，并且认为其刚度比在9－15之间为最好。

由上分析可以看出，导梁的刚度选择对弯矩值的影响不大，在满足稳定和强度要求的条件下，选用刚度较小的导梁还是较经济合理。

3.预应力体系的选择及布设

我们过去设计和建造了好多座预应力混凝土桥梁，均采用高强钢丝弗氏锚或墩头锚预应力体系，这种体系吨位小，布束困难，张拉费时，锚具用钢量亦大，对于顶推施工的桥梁，张拉时间长就直接影响到顶推周期直至全桥施工进度。

当今国外大吨位钢绞线预应力体系广泛应用在公路，铁路桥梁，大坝，核电站以及高层建筑中，随着我国公路桥梁建设事业的发展，大吨位钢绞线预应力体系使用在九江和洛溪的特大型桥上势在必行，同时又可促进国内预应力工艺设备的进一步发展，因此我们选用了瑞士罗辛格公司VSL后张锚固体系，作为九江大桥连续梁的预应力体系,预应力筋用0.6英国标准BSS888-1900缓慢低松驰钢绞线,标准强度为1770N/mm2。

箱梁采用中心配束，适应顶推阶段正负弯矩变化，同时也考虑了营运阶段的作用，待顶推完毕，根据营运阶段正负弯矩的分布，再施加设置在箱梁腹板内的弯束预应力完成全梁的预应力工艺。

九江箱梁选用6-4和6-12两种钢束配束，6-4张拉吨位为795KN，6-12为2385KN。

实践表明在预应力混凝土梁中采用大吨位预应力体系效果显著，配束容易，施工操作方便，张拉快捷，一节梁段张拉半个台班之内即可完成。

同时中国建筑科学研究院结构所，广东省公路工程处和柳州建筑机械总厂共同研制成功的国产QM钢绞线群锚张拉锚固体系于87年9月通过部级鉴定，并使用在九江南主桥最后三孔，满足了设计和施工的要求，达到了VSL同类产品的性能指标，填补了国内高强度钢绞线预应力体系及工艺设备的空白，为国内预应力工艺设备发展迈出了可喜的一步。

4.顶推内力计算

用顶推法施工的连续梁，由于施工过程中梁体向前移动，使截面内力及支座反力均随着梁体移动而不断变化，除此之外，还由于支座沉降，梁体不平和顶起梁体置换滑块时造成支座强迫位移所引起的附加内力，因此，对顶推法连续梁的内力计算，不但需考虑顶推过程中在各种状态下顶推梁的恒截内力，同时还要考虑在各种状态下支座变位时的附加内力。

1）支座变位对内力的影响

连续梁采用顶推法施工时，由于顶推法这一特殊施工工艺的特点，预制梁是由一岸向另一岸逐渐推进，梁通过各支承点的支座，不但产生正负交替应力，还由于在顶推过程中体系的转换或因施工精度达不到理想状态，使通过支座时相当于给支座加以强迫位移，均会产生附加内力。

因此在设计计算时，对支座变位的影响必须给予重视，通常假定支座变位（上升或下降）一厘米来计算顶推梁的附加内力，然后与顶推时的内力叠加，并以此作为布置在顶推时所需要的预应力筋的依据。

实践表明，在一厘米支座变位的情况下，主桥中的内力约增加1.4%左右，而在主桥岸墩中，若产生一厘米变位，对岸墩以后梁段的内力将成倍增加。

图五所示为九江大桥计算结果；从图中可看出，当顶推梁伸出第一跨悬臂时，若主桥墩后的过渡支座产生变位时，其负弯矩的增长约为2倍多。

因此，在施工时各支座顶面及梁底制作误差要求±1毫米的纵向测量精度或±0.5毫米的横向相对精度得不到保证时，上述假定还必须相应提高。

2）预应力筋引起的次内力

当对结构预施应力为轴向边时，梁只发生轴向变形，但若作用力为偏心力矩时，将使梁产生挠曲变形，假如在超静定结构中，梁在支点处的变形（下压或翘高），由于支点处的变形，反映到支反力变化，即有一部份增加而一部份减少，由此将引起梁的内力变化，其变化值即为二次内力。

采用逐段预制逐段顶推的梁，对已预制好的梁段施加预应力将使该梁段产生翘曲变形，当推出该梁段后，再接着预制另一梁段，在两段梁上连接施加预应力对新的梁段及前一梁段均产生影响。

为此，在顶推桥梁中采取中心配束施加预应力的措施，以尽量减少二次内力，施工阶段的计算也简单得多，但在确定施加预应力程序时，应充分考虑其对梁产生的内力变化，必须始终保持达到中心预加应力的要求。

二、施工

采用逐段预制顶推的施工方法架梁，必须按照设计的要求严格控制，精心施工。

预制场的总体设计和制梁台的建造十分关键；顶推设备的选用，顶推工艺的确定亦十分重要，只有做好了这方面的工作，才能保证顶推施工的圆满实现。

1.预制场的总体设计和制梁台的建造

预制场一般设在桥台后的固定场地上，而制梁台又是预制的重要设施，其位置的确定，对梁在顶推阶段内力计算影响较大，首要满足第一孔时悬臂端的稳定性即在第一孔主桥墩后的梁段重量足以平衡悬出第一孔梁段的悬臂重量，减少梁尾端产生转角，保持梁的平顺延长，从而避免引起附加内力的产生。

整个预制场即在制梁台位置确定的前提下进行总体的布置设计。

如图六，九江南主桥制梁台位置原设计即在主跨边墩台16米处建造，根据现场地形的具体情况再后移16米，在16米跨引桥的38#和39#墩间建造。

这样更有利地保证了顶推悬臂的稳定平衡和主墩台梁段的平顺。

1）制梁台

制梁台是箱梁预制的重要设施，690米的长梁，42个节段都必须在其上预制推出，平台本身要能升降调整，又要具有足够的刚度，不容许非弹性变形存在，弹性变形也要控制在2毫米之内，平台面的平整度是顶推工艺的关键，根据以往经验，我们严格控制箱梁底板两侧与滑道支承间的1米宽的梁底平整度要达到±1毫米的精度，梁底两侧共设18个控制测点，用N3精密水准仪测量调整，保证每制一节梁都在这一精度范围之内。

制梁台的基础视地质情况而定，九江引桥基础为钻孔嵌岩桩，故加强38#、39#墩桩基建承台，并在38#与39#墩中间增加桩基临时墩，用YNK-M型万能杆件N1、N3、N4拼组成平行弦三角桁架体系支承于38#临时墩，39#墩上支承整个平台，8米桁架跨中挠度为－55毫米。

在承重桁架上弦节点按2.6%纵坡标高浇注混凝土支柱，在其顶面安装升降螺旋千斤顶，千斤顶支承25#工字钢横梁，横梁再支承25#工字钢纵梁，顶面拼焊7毫米钢板，采用冷热校正等工艺，严格控制平台精确度，建成长16.8米，宽4.18米的上下游两座分离式制梁台，以保证单室双箱的预制顶推，如图七。

2）预制场的设施

从总体设计图六可看出，制梁台只是预制场的一部份，在制梁台两侧及后端布置了工作平台，侧平台主要支承固定的整体外模，方便拆装外模操作，后工作平台标高低于制梁台尾端2.5厘米，保证预加应力的设备空隙，后工作平台的作用：

在每条箱梁中线上铺设一组轨道，便于整体内模的推进推出停放及转运材料，成型钢筋骨架，放置预应力设备及工具，波纹管及钢绞线等，也是预应力工艺的操作平台，长度一般应有制梁台的1.5倍以上，后面紧接引桥或路基。

垂直水平运输是预制场机械化程度的标志，采用了54米长的贝雷梁作栈桥，每条箱梁配两台5T单梁桥式吊机，承担场内一切运输。

制梁台顶搭盖了遮阴防雨棚，保证了长梁预制不受日晒雨淋天气影响，改善了劳动条件，确保了顶推周期工程质量和进度。

箱梁预制场实质就是临时的桥梁工厂，正确的设计布置，有利于保证工程质量和提高劳动生产率，做到文明施工，九江南主桥取得了六天完成一个顶推周期的成效。

2.顶推施工的实施

1）工艺设计及顶推装置

工艺也是根据选用的设备而定，九江南主桥采用了原柳州二桥所用过的设备，因此工艺也是仿效柳二桥的工艺，即是拖拉滑移的方式架梁，所不同的，在九江是柔性墩多点顶推。

滑移设施是1500*500*3毫米的不锈钢滑道和450*200*21毫米橡胶聚四氟乙稀面滑块的组合装置。

动力设备是柳州建筑机械总厂生产的YPD－60型双作用穿心或水平顶和配套的液压站。

拖拉设施是固定梁侧的拉锚器和迪维达格精扎螺纹钢筋及配套螺拇和连接器，如图八。

南主桥14孔梁15个墩，每个墩配备了4台水平顶两台液压站，每两台水平顶承担一条梁的顶推动力，由于两条箱梁不是同时顶推，液压站即可共用。

2）顶推施工

九江桥顶推施工因有梁长，墩高，跨度大的特点，从下部结构设计时就认真考虑了各墩所能承受的最大水平力以及相应情况的位移作为控制，所以我们在施工中采用了“分散顶推，分级调压，集中控制”的方法进行顶推施工。

分散顶推即多点顶推，在每个墩点都设置了施力的动力设备水平千斤顶；分级调压则是液压站上安装有三个电磁换向阀控制5个保证油压不超过容许范围；集中控制是通过顶推指挥室电器总控台与各墩液压站的分控台并联，由色灯信号和有线对话机联系指挥来进行操作的。

a.劳动力组合

每个主墩设6人，1名任墩长负责操纵液压站和总指挥联系；2名调整顶推夹具；3名接送滑块。

顶推箱梁前、中、后设三名木工负责导向纠偏。

在制梁台后端设三个监测组控制顶推中线。

总指挥室总指挥1人；土木、机械工程师各1人；修理工2人。

b.顶推操作

顶推前启动静阻系数按8%，动摩阻系数按4%来预计水平顶推的出力吨位，各墩液压站的五个挡位的施力值需要根据多种因素来考虑，一般一挡值小主要用作预紧拉杆；一档值大多作为启动档位使用；其余二、三、四档则根据多种因素综合考虑使用。

各墩准备就绪信号，送回总控台，总指挥通过总控台发出顶推指令，各墩水平顶即同时动作，然后根据推力需要逐步加大施力吨位，直到梁体开始前移，启动后摩阻系数下降摩擦力减小，此时就适当降低施力墩水平顶的出力等级来适应摩擦力的变化，使梁体平衡地向前推进，实现各墩同步顶推。

3.箱梁预制的工艺流程及顶推周期

箱梁混凝土采用吊斗供料，分两次浇灌，其工艺流程如下图所示：

自1986年8月20日上游导梁拼装完毕着手预制箱梁，9月20日推出第一段，由于诸多原因，周期为30天，下游第一段为25天，第4段至第12段平均周期为12天，经过合理调度劳力组合，采用非预应力筋骨架，第13至19段周期减为8天，后进一步加强管理，落实承包，狠抓工序衔接，加之操作熟练，从20段起周期加快到6天

三、体会和结语

九江大桥南主桥已胜利顶推就位，从设计到施工完成了主体工程的建设。

用顶推法架设的连续梁桥，在一定的环境和技术条件下是先进的工艺，但在其它场合不一定具有竞争能力，即是要综合考虑，因地制宜。

随着预应力工艺设备的发展，大吨位预应力体系在预应力混凝土桥梁中的应用日趋广泛，它标志着桥梁工艺的技术进步和发展。

顶推工艺以采用顶拉滑移方式为理想，多点顶推可运用于柔性墩上，但设备多，分布广，需严格控制同步；集中顶推对墩台或其基础受力大，但设备数量少而集中，亦较易控制操作，设计时可区别情况考虑选用。

应用顶推法施工架设连续梁桥，是国内近十年兴起的一种新工艺，我们虽然有所实践，但由于水平低，经验少，错弊在所难免，请给予指正。