浅谈桥梁工程中顶推法施工技术的探讨
摘要：桥梁是线路的重要组成部分，每当运输工具发生重大变化,便推动了桥梁工程技术的发展。19世纪20年代,随着铁路的出现，桥梁工程建设技术不断翻新,从工程技术的角度来看，桥梁发展分为古代、近代和现代三个时期：古代桥梁一般为倒躺树木自然形成；在近代桥梁施工中钢材成为重要的造桥材料；20世纪30年代，预应力混凝土和高强度钢材相继出现，材料塑性理论和极限理论的研究，桥梁振动的研究和空气动力学的研究以及土力学的研究等进展使近代桥梁施工技术应运而生。目前桥梁施工有悬臂浇注施工、顶推法施工等方法。现在单对桥梁顶推施工方法进行了研究，本文阐述了其施工原理和施工工艺，指出其优缺点和不足之处，为以后同类工程施工提供一定的借鉴。
关键词：桥梁工程；顶推法；施工技术
一、引言
50多年前，顶推法施工技术就已经在德国运用，中国运用这一技术大概也有三十多年了。顶推施工方法的雏形来自早期钢桥的拖拉法、导梁拖拉法、纵向连接拖拉法等，它用千斤顶取代了传统的卷扬机滑车组，用板式滑动装置取代滚筒。这一取代使施工方法得到了发展和提高，从而降低了用滑车组卷扬机拖拉在启动时造成的冲动，板式滑动装置避免了滚筒支承线接触作用引起的应力集中。
二、顶推法施工原理
顶推法是梁体在桥头逐段浇筑或拼装，用千斤顶纵向顶推，使梁体通过各墩顶的临时滑动支座面就位的施工方法。施工原理是沿桥纵轴方向的台后设置预制场，分阶段预制梁体，纵向张拉预应力筋后，通过水平千斤顶施力，借助滑移装置和顶推装置，将梁逐段向前顶推，就位后落梁并更换正式支座。
单点顶推的动力学原理为，当集中的顶拉力满足下式时，梁体才能向前移动：
H>ΣRi（fi±αi）
Ri—第i桥墩（或桥台）滑道瞬时的垂直支反力；
fi—第i桥墩（或桥台）支点相应的静摩擦系数；
αi—桥梁纵坡坡率，正为上坡顶推，负为下坡顶推。
多点分散顶推施工的动力学原理为，当ΣFi满足下式时，梁体才能向前移动：
ΣFi>Σ(fi±αi)Ni
Fi—第i桥墩（或桥台）千斤顶所施的力；
Ni—第i桥墩（或桥台）支点瞬时支反力；
fi—第i桥墩（或桥台）支点相应摩擦系数；
αi—桥梁纵坡坡率，正为上坡顶推，负为下坡顶推。
桥梁顶推法施工示意图
三、顶推法施工工艺
顶推方式是根据主梁长度、设计顶推跨度、桥墩能承受的水平推力、项推设备和滑动装置等条件进行选择的，例如单点顶推、多点顶推或双向顶推等。主要流程如图1所示。
图1顶推法施工流程图
3.1布置预置场
预置场地应设在桥台后面的桥轴线的引道或引桥上。若为多点顶推时，可在桥两端设场地，从两端同时顶推。预置场地应考虑几个长度，包括梁段底板与腹顶板预置长度、梁段悬出时反压段的长度、机具设备材料进入预置作业线的长度和导梁拼接长度；预置场地的宽度应考虑梁两端的施工作业的需要。为了便于混凝土的养护，预置场地上空宜搭设固定或活动的作业棚，。
3.2顶推装置
顶推装置由千斤顶、高压油泵、拉杆(束)、顶推锚具(自动工具锚、拉锚器)组成，顶推动力一般使用水平千斤顶或自动连续千斤顶及其配套的普通高压油泵或专用的液压站作为动力装置，拉杆体系最早使用精轧螺纹钢，1988年以后逐渐采用高强钢丝束、钢绞线束群锚体系，拉锚器的施力位置由拉箱梁腹板两侧逐渐过渡到拉箱梁底板的方式，并由穿过箱梁顶、底板布设传力型钢演变为仅在箱梁底板中心线预留孔插入牛腿式钢块拉锚器。拉锚器的间距应能保证墩上千斤顶有施力点和便于主墩上千斤顶统一更换拉索以提高顶推工作效率
3.3滑移和导向装置
滑移装置可分为：①普通的滑移装置；②起循环作用的滑移装置；③起连续作用的滑移装置；④导向装置及其他附属装置。滑道一般采用单滑道板形式，滑道板为一块整钢板，置于滑道垫块钢架之上。该种形式的滑道能很好的承受各向作用力，而且标高容易控制，拆除也较方便。
为了控制梁体在顶推过程中的中线始终处于规范范围内，必须设置横向导向装置。尤其在圆曲线上顶推，横向导向装置显得更加重要。纠偏器装在预制台座前临时墩的两旁，且固定一对，以控制每段梁尾端的横向位置，保证梁尾与预制模板正位接头。顶推时，作好横向偏差观测，主要观测主梁和永久墩的弹性横向位移。
3.4临时墩和导梁
为了在顶推的过程中为了减少过大的悬臂弯矩，可设置临时墩和导梁。
在连续梁的跨度大于顶推跨度时，宜设置中间临时墩，在不设临时墩时，为满足安装钢导梁和连续梁前期顶推抗倾覆的要求，在制梁台座前和连续梁第一跨内设临时墩，作为顶推施工的过渡段，保证梁体线形与已经顶推出去的梁体完全一致，避免大梁从制梁台座上顶推出去以后，与接灌的下一梁段出现大的转角。临时墩应能承受顶推时的最大竖向荷载和最大水平摩阻力引发的变形。在此原则前提下，尽可能降低造价，便于拆装。为提高临时墩的稳定性，防止临时墩在箱梁顶推过程中产生较大的水平位移，保证顶推安全，将临时支墩与相邻的主桥墩和制梁台座进行撑拉连接，用水平或斜拉钢绞线束临时加固。
导梁设置在主梁前端，可为等截面或变截面钢板梁，导梁结构必须通过设计计算，从受力状态分析，导梁的控制内力是导梁与箱梁连接的最大正、负弯矩和下翼缘的最大支点反力。国内外的施工经验表明:导梁长度一般为顶推跨径的0.6至0.7倍，较长的导梁可以减小主梁的负弯矩，但过长的导梁也会导致导梁与箱梁连接处负弯矩和支反力的相应增加，合理的导梁长度应是主梁最大悬臂负弯矩与使用状态支点负弯矩基本接近。导梁的刚度对主梁内力的影响远较其长度对主梁内力的影响为小。导梁的刚度在满足稳定和强度的条件下，选用较小的刚度及变刚度的导梁，将在顶推时减小最大悬臂状态的负弯矩，使负弯矩的2个峰值比较接近。此外，在设计中要考虑动力系数，使结构有足够的安全储备。为减轻自重最好采用从根部至前端为变刚度的或分段变刚度的导梁
3.5落梁
落梁工作是全梁顶推到位后将梁安工在设计支座上的工作。施箱梁顶推到位以后,逐节拆除钢导梁,解除纵向临时预应力索,张拉后期纵向预应力索,并对管道压浆,达到强度后进行落梁工作。落梁即将箱梁顶起来,拆除顶推用的滑道装置,并将永久橡胶盆式支座就位安装,将箱梁均匀平稳地降落到永久支座上,再固定永久支座。
四、顶推施工方法的优点及不足之处
随着顶推能力的增加和顶推机具的发展，顶推施工方法在连续梁以外的桥型正在广泛的应用，如拱桥和斜拉桥等的施工。斜拉桥一般是在场地、运输条件受限的情况下才选取采取顶推施工法的，和悬臂拼装施工相比，顶推方法施工大量的临时墩和顶推点复杂的局部构造势必造成经济上的浪费，但是顶推施工在一些方面上还是有优势的。运用顶推法施工桥梁与其他施工技术相比具有很多优点，可以使桥梁上部结构的施工不影响桥位处现有的交通状况，减少施工设备，缩短结构的施工工期，降低桥梁的施工成本，提高结构横截面的使用效率，减少混凝土变化的影响。
顶推施工方法的优点可概括为以下几点：
1)顶推施工的桥梁一般单跨顶推力通常在50t到100t之间，远比梁体自重小，所以顶推设备轻型简便，不需大型吊运机具，保养与运输方便，适合特殊场地使用。如水深较小浮吊不能进入的河流或者深谷等。
2)对桥下地基和净空无要求，不影响通车或通航，由于预制场通常设在岸上，搭建拆除简单，混凝土或者是钢构件运输方便。
3)对混凝土桥的顶推施工来说，浇筑混凝土仅需一套模板周转，节省材料；施工工厂化，易于质量管理。搭设平台的材料大多为型钢和钢板，便于取材和重复利用。
4)场地固定集中，便于安全施工，受环境干扰小。
5)工作条件相对较好，所需劳动力比较少，劳动强度相对不高。
顶推施工方法尚存的不足之处：
1)由于顶推悬臂弯矩不能太大，且施工阶段的内力与运营阶段的内力也不能相差太大，所以顶推只适宜较多跨，跨数太少极不经济。
2)对于多孔长桥，因工作面所限，顶推过长，施工工期相对较长。
3)对于桥的形式有一定要求，弯桥只能是曲率恒定的桥梁，而且通常要求梁高不变，底面是直线。
五、施工案例设计
下面就根据以上关于桥梁顶推法施工技术的理论设计一个施工案例。
工程概述:某供水工程与河道交叉位置的管桥项目，在1#镇墩、1#桩柱、2#桩柱、3#桩柱、4#桩柱、5#桩柱、6#桩柱、2#镇墩上吊装两排并行的dn3100mm钢管管道，单管总长约160多米,设计桩号k23+741.2至桩号k23+917.5。其中1#~2#、2#~3#、3#~4#、4#~5#桩桩的跨度均为30米，5#~6#桩的跨度为22米。长度30米管道单重为75吨，长度22米管道单重为55吨。地面至管道顶最高点为19.8米，施工地面是某河河道。
施工方案介绍:
5.1顶推准备
在1#桩以北与原地面相接处及2#桩南侧4米范围内，沿管桥纵向设51米长的空中工作平台及顶推作业面。2#桩南侧4米处设置混凝土顶推后备；在1#、2#桩之间及2#桩附近用万能杆件或门式支架搭设支墩、万能墩，其地基应经过处理，满足承载力要求；在支墩上架设两片贝雷梁，中心间距4.6米。横向用槽钢及相应连接件将两片桁梁连在工字钢上，纵向铺设两条轻型钢轨滑道及木板作为工作平台。在顶推过程中，为保证管道中线的准确，防止管道左右横向偏移，拟在顶推平台51米的范围内滑道上，设置管道临时横向固定装置，使管道只能沿纵向移动。
5.2管桥顶推
管桥顶推施工前预先安装各墩帽上的设计支撑环，并使顶推管桥底高于设计的支撑环底部约30cm。在搭设的平台上，将3.6米钢管对位焊接，然后进行钢管顶推作业，使其向南侧的3#桩推进。每推进3.6米长后，停止顶推作业，进行钢管对位焊接，同时架设经纬仪进行平面位置进行校正。如此交递推进，顶推管桥通过3#桩、4#桩、5#桩最后到达终点6#桩位，顶进总长为161米。顶进过程可以采用卷扬机等牵引措施。
5.3管桥架设
管桥顶推到位后，在各个墩位上用千斤顶对管桥进行起顶，拆除所有的滑轨、支架和支墩，将管桥落管于支撑环上完成管桥的架设。在管底管桥起顶位置应用钢板焊接板和环管下半部的支撑肋板，增加管桥起顶处受力面积以防止其局部变形。管桥在1#桩以北及5#桩以南部分在伸缩节安装好后，用吊车起吊进行对位焊接，从而完成全段管桥的施工。
5.4设计验算
1）、主要数据：单根钢管c1=2.316t/m，方木g2=0.4t/m2，单排门形支架重g3=0.24t/排(含加固钢管重)，操作人员及施工荷载g4=0.4t/m2
2）、最下排的支架计算：
p=2.316×0.9=0.4×1.82×0.9-0.24×1.82×0.9+0.4×1.80×0.9
=3.81（t）p/2=1.9（t），
k=[p]/（p/2）=4/1.9=2.1安全
地基承载力δ=3.8/(1.82×0.9)=0.0232mpa安全
5.5大型吊车抬吊法
对某河河岸场地进行平整，作为管桥的加工场地和吊装作业场地。同时修筑一条通往河岸工作的临时便道，作为材料进场和吊装设备的进出通道。3#、4#桩跨越某河主河道，中间的临时支墩基础采用围堰筑岛，搭设与3#、4#桩围堰筑岛部分相连的栈桥，以便施工人员进出及作业，其施工作业应抓紧在枯水季度进行。
以50t吊车为例说明管桥吊装施工（如有100t以上的吊车，可直接起吊30米整跨管段，施工更为简单）。在1#~5#桩中每跨的跨中用万能杆件或门支架搭设一个临时支墩，使每个跨度由30米缩短为15米。将管道在地面按15米对位焊好后，用两台50t吊车将其分段吊装至设计桥墩和临时搭建的支墩上，进行对位焊接。每跨管桥对位焊接完成后，拆除临时支墩再移至下一跨。照此方法进行管桥施工，直至完成全段管桥的施工作业。所有施工作业完成后，应拆除围堰筑岛，使河道恢复畅通。
六、顶推法施工技术在我国的发展状况
我国在70年代首次在西安至延安铁路狄家河桥上采用顶推法施工，接着广东万江公路桥又顺利顶推成功。经过30多年的发展，顶推施工工艺不断的完善，顶推方式也呈现多样化。从用水平加竖向千斤顶直接顶推梁体到只用水平千斤顶并通过拉杆顶拉梁体；从单点集中顶推到多点分散顶推；从间歇顶推到连续顶推。我国桥梁顶推法施工技术不断进步，使用范围不断扩大，在公路桥乃至铁路桥中的应用日益增多。因此，顶推法是适合我国国情的一种较好的建桥方法，其应用发展前景十分广阔。
七、结语
我国将要修建的各类桥梁中，中等跨度的多跨长箱梁桥占有相当的比例，而我国大型架梁吊装设备严重不足，所以顶推法是适合我国国情的一种较好的建桥方法，其发展前景是广阔的。随着预应力材料强度和预应力工艺水平的不断提高，设计计算理论和方法的不断改进，以后顶推施工配套技术的将会日益完善。
参考文献：
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