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摘要：本文以湖南省长沙市福元路湘江大桥河东水中引桥采用步履式千斤顶实现空间曲线顶推为例，详细阐述顶推施工的要点。
关键词：桥梁 曲线 顶推施工
一.概述
福元路湘江大桥河东水中引桥上部结构跨度布置为90+5×85+60m，道路平曲线处于半径R=2809.29m的圆曲线上，桥面宽度31.5m，结构形式为等高度单箱单室钢－混凝土组合结构连续箱梁，梁中心线高4.5m。
二.总体施工工艺
引桥钢槽梁拟采用多点自平衡顶推法安装。其主要施工工艺为：
⑴ 钢槽梁按设计图纸在专业钢结构加工厂加工成板单元，运输至现场。
⑵ 钢槽梁板单元件在总装区专用胎架上进行匹配制造，拼装成整体节段后，利用平板车运输至存梁区涂装、储存。
⑶ 在桥位上搭设钢槽梁拼装顶推平台及顶推临时墩。采用固定式提梁设备，安装提梁桁吊。
⑷ 完成涂装的钢槽梁节段用平板车运至拼装顶推平台附近，用提梁设备或龙门吊提升上拼装顶推平台上逐段拼装、施焊环缝。
⑸ 钢槽梁节段拼装一定长度后，将导梁与钢槽梁连接，用步履式顶推设备将钢槽梁顶推出拼装平台。
⑹ 钢槽梁节段拼装与顶推交替进行，直至顶推到位，逐步拆除导梁。将钢槽梁落于永久结构墩上，进行墩顶结合段施工。
三.顶推路线布置
河东水中引桥平曲线处于同一半径R=2809.29m的圆弧段上；竖曲线处于3段曲线上：靠近主桥侧24.785m部分处于半径R=110000m圆弧段上，靠近岸上引橋侧15.562m部分处于半径R=2000m圆弧段上，中间部分纵向坡度-0.3%。
根据设计要求，为保证顶推施工过程中钢槽梁腹板受力，底板不受力，采用成桥曲线线形作为顶推线形，为减少顶推到位后落梁高度，顶推施工时考虑支座垫石后浇，选择PM28墩顶标高（支座垫石+支座高度）+1.5m（即设计梁底线形+0.13m）作为顶推梁底线形控制标高。
四.顶推施工原理
步履式平移顶推装置进行顶推，工作原理是竖向千斤顶顶起槽形梁，水平千斤顶完成向前顶推，落梁后搁置于垫块上，千斤顶回油完成一个行程的顶推工作，顶推过程中是一个自平衡的顶推动作过程。顶推步骤见下图。
顶推设备复位
以此四步步骤动作为一个循环，反复即可实现钢槽梁的顶推平移就位。
五.顶推施工步骤
⑴ 顶推设备安装
导梁安装完成后，需安装顶推设备进行钢槽梁顶推施工。顶推装置布置原则是在需要布置顶推设备的引桥墩及临时墩上每墩两套为一组，在墩顶的上、下游对称布置。顶推设备直接采用履带吊在栈上桥将设备吊至墩顶安装。
⑵ 顶推设备调试
顶推设备安装完成后，连接好系统的油路及电路，进行调试以保证在手动、自动模式运行下，执行元件按设定的运动方式运行。联机调试时，启动泵站，选择手动运行模式，在主控台操作面板上控制执行元件伸缸或缩缸动作，检查其进行的动作是否正确，调节行程检测装置的检测元件，使检测装置的接触及检测正常。
⑶ 顶推施工
首先选择手动模式，检查油泵，顶升顶，纠偏顶、顶推顶，压力表，传感器等是否异常。
启动各墩上的顶推设备，由配在顶升系统上的压力传感器检测到的压力值转换成支反力值，然后由该值的换算值给顶推油缸设定压力，顶推油缸在要求的压力下提供顶推力，并且控制临时墩上两侧顶推油缸同步顶推。这里实时检测顶升支撑油缸的支反力，一方面保证顶推油缸顶推力的实时精确性，另一方面通过调节顶升支撑油缸保证行进过程中钢槽梁的受力均衡，保证钢槽梁单点单侧最大允许支反力不超过6000kN。完成推进一个行程之后，所有顶推油缸缩回至下一个行程的起点，随后可以进行下一个行程的顶推。
⑷ 竖向调整
顶推过程中钢槽梁的受力状态与成桥时受力状态完全不同，整个顶推过程的监控应以支反力控制为主，标高控制为辅的原则进行。因此每轮顶推前依据监控指令，明确该轮顶推钢槽梁所经墩台的竖曲线变化范围（即标高变化值）及钢槽梁许用支反力（即墩台的许用压应力）变化范围。
⑸ 导梁过墩
各支墩需布置竖向千斤顶及临时支垫。因钢槽梁自重使钢导梁前端下挠，当导梁前端台阶（第一节）到达时将离顶推设备滑箱较贴近，此时需顶起导梁，并在前端导梁与滑箱之间设足够高的支承垛（支承垛下也需设滑板，能使支承跺与导梁一起滑动），使得导梁底面略高于滑箱，当导梁到达滑箱上方时再起顶拆除支承垛并徐徐落顶，使之就位于顶推设备上，然后开始正式顶推。导梁临时起顶用的千斤顶采用50t螺旋顶，因千斤顶行程较小而起顶高度可能较大，故在实施竖向起顶时需多次支垫和倒顶。
⑹ 导梁拆除
钢导梁拆除在PM19b→PM19a（PM22b→PM22a）墩之间进行，采取逐节拆除方式拆除，在后一节段导梁前端到达PM19b（PM22b）墩处临时墩且前一节导梁前端支撑于PM19a（PM22a）墩处支撑梁上后即可拆除前一节段导梁，直至钢导梁完全拆除，钢槽梁主梁顶推到位。钢导梁在PM19（PM22）墩处利用履带吊或浮吊进行拆除。
六.顶推施工主要控制措施
6.1顶推施工时观测项目
为了确保槽形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，在风力、温度、日照等环境影响下进行施工过程分析，找出不利状态、最大变形值并进行详细观测和有效的控制，具体包括以下内容：
⑴ 拼装平台的沉降和变形。
⑵ 槽形梁节段运输及起吊就位后的变形。
⑶ 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，梁段平面点标高，横向位置（坐标）变化。
⑷ 滑箱顶面标高的变化：沉降和压缩变形、温度升降的变化、所有滑箱施力墩顶推时纵向位移及标高变化。
⑸ 槽形梁挠度观测，关键截面的应力测试；钢导梁挠度、受力变形观测及应力测试。
⑹ 槽形梁底板在滑箱上接触情况观测，钢槽梁内腹板、底板最不利受力状态内力检测和分析。
6.2同步顶推保证措施
在顶推过程中虽然不能保证摩擦力达到一致，但可通过千斤顶的同步来保证顶推力的一致来减小结构偏转的不利情况的发生。
当顶升千斤活塞伸出将槽形梁顶起后，顶推千斤活塞伸出将梁顶推前移，此过程需进行位移同步控制、压力均衡控制、横向调节控制。主控台除了控制所有桥墩上顶推千斤顶的统一动作之外，还必须保证所有顶推千斤顶每行程的同步。同步精度各墩之间可控制在5mm之内，同墩两侧可控制在1mm之内。顶推千斤顶缩缸则无需同步控制。
这是一个以位移控制为主，压力控制为辅的同步控制。
6.3竖向顶升控制
当竖向顶升千斤顶活塞伸出时顶推楔块和梁顶起，此过程主控台除了控制集群顶升千斤顶的统一动作之外，还要通过安装在滑道和滑箱之间的位移传感器检测顶升的高度，保证两侧顶升千斤顶的同步。控制策略为以其中一侧为基准，两侧位移差控制在设定范围内，若跟随侧顶升高度较大，则减小该侧比例阀的流量，反之，则增大该侧比例阀的流量。此过程同步精度可控制在4mm之内。
由于每个受力点（4台竖向顶升千斤顶）上安装1个压力传感器用于监控每个受力点的荷载。通过现场控制器或主控台上的面板可设定每个受力点的最高压力及同一桥墩上各受力点之间的最大压差，计算机通过监测各受力点的载荷变化情况，准确地协调整个系统的载荷分配。如果某个受力点的载荷达到设定的最高压力或同一桥墩上各受力点之间的最大压差大于设定值时，系统会自动停机，并报警示意。
6.4平衡度控制
由于每个桥墩的滑箱上安装有1个用于检测槽形梁在X轴、Y轴方向的倾斜角度的倾角传感器，因此通过设定每个倾角传感器在X轴、Y轴方向的的最大倾斜角度，即可控制槽形梁的平衡度。若哪个倾角传感器在在X轴、Y轴方向的倾斜角度超出设定值，系统即停机报警。
平衡度的检测及控制贯穿在整个顶推过程中。
6.5纠偏措施
在每个桥墩上适当的位置安装1~2个光电开关，检测中轴线是否与设计中轴线一致（槽形梁的中轴线用通长黑色标识线示出）。通过色差的检测，从而实现对槽形梁中轴线的检测。在水平顶推千斤顶伸缸，槽形梁平移过程中，若哪个光电开关检测不到中轴線，则发出一个信号趋动相应的横向调节千斤顶动作直到光电开关检测到中轴线后停止动作，从而实现横向纠偏。
6.6累积误差控制
在槽形梁平移过程中，主控台通过计算每个受力点水平顶推千斤顶移动的总位移，并用最大位移量减去最小位移量得出累计误差，若累计误差超出要求时则停止“自动”模式进入“手动”模式，单独调节某一侧油缸动作以纠正误差。若通过全站仪监测到累计误差超出要求时亦停止“自动”模式进入“手动”模式，单独调节某一侧油缸动作以纠正误差。
七.钢槽梁顶推施工难点及解决措施
7.1施工难点分析
⑴利用引桥墩作为顶推临时墩，顶推最大跨径达到了85m。顶推跨度大，相应滑道对墩顶反力最大达12000kN。
⑵河东水中引桥平曲线处于半径2809.29m的圆曲线上，竖曲线处于-0.3%的纵向坡度上，与主桥相邻部分处于半径R=110000m圆弧段上，与岸上引桥相邻部分处于R=2000m圆弧段上，顶推部分平纵曲线结合，对施工控制要求高。
7.2解决措施
⑴ 确保顶推平台、临时墩保证有足够的安全储备，并能适应变化的梁底线形要求，设置调节系统保证滑箱顶面与梁底面接触良好，均匀受力。
⑵ 制定详细的施工观测及控制方案，对拼装平台、滑箱、钢槽梁各部位、钢导梁都需要进行详细的观测及内力测试，确保结构的安全。
⑶ 顶推过程中涉及工况多，结构复杂，受力变化快，施工过程要根据监控计算结果，对结构（包括临时结构）进行优化设计。
⑷ 为保证结构安全，防止顶推时槽形梁底板出现较大局部集中应力，顶推设备在滑道与主梁之间设一刚度较大的滑箱，顺桥向滑箱长度不小于1.6m，以分散槽形梁底板集中应力。
⑸ 为保证槽形梁按平曲线轨迹进行顶推，各顶推设备沿平曲线轨迹布设，经现场测量精确定位顶推设备的平面位置及角度，同一墩顶设备在同一墩中心线半径上，确保同一墩顶的顶推方向沿此墩中心处平曲线切线进行。
根据现场测量指令，若顶推轴线与桥中心线的横向偏差超过25mm时，横向调整机构实时进行纠偏。
⑹在顶推设备滑道上增加钢楔垫块，并在钢楔垫块于钢槽梁梁底之间设置一层30mm厚钢板橡胶，由于钢槽梁和橡胶垫之间的摩擦系数大于纵坡系数，因此钢槽梁与橡胶垫之间不会产生滑动。为确保安全在钢楔块与顶推设备上部滑移梁四周分段焊接，确保不产生相对滑动。
同时，在顶推设备液压系统中，平推油缸带有双向液压锁，在静止或者顶推过程中，钢槽梁不会由于坡度带动上部滑移梁滑移。平推油缸带有平衡阀防止冲击，并通过比例流量阀限定顶推速度。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：桥梁 曲线 顶推施工
一.概述
福元路湘江大桥河东水中引桥上部结构跨度布置为90+5×85+60m，道路平曲线处于半径R=2809.29m的圆曲线上，桥面宽度31.5m，结构形式为等高度单箱单室钢－混凝土组合结构连续箱梁，梁中心线高4.5m。
二.总体施工工艺
引桥钢槽梁拟采用多点自平衡顶推法安装。其主要施工工艺为：
⑴ 钢槽梁按设计图纸在专业钢结构加工厂加工成板单元，运输至现场。
⑵ 钢槽梁板单元件在总装区专用胎架上进行匹配制造，拼装成整体节段后，利用平板车运输至存梁区涂装、储存。
⑶ 在桥位上搭设钢槽梁拼装顶推平台及顶推临时墩。采用固定式提梁设备，安装提梁桁吊。
⑷ 完成涂装的钢槽梁节段用平板车运至拼装顶推平台附近，用提梁设备或龙门吊提升上拼装顶推平台上逐段拼装、施焊环缝。
⑸ 钢槽梁节段拼装一定长度后，将导梁与钢槽梁连接，用步履式顶推设备将钢槽梁顶推出拼装平台。
⑹ 钢槽梁节段拼装与顶推交替进行，直至顶推到位，逐步拆除导梁。将钢槽梁落于永久结构墩上，进行墩顶结合段施工。
三.顶推路线布置
河东水中引桥平曲线处于同一半径R=2809.29m的圆弧段上；竖曲线处于3段曲线上：靠近主桥侧24.785m部分处于半径R=110000m圆弧段上，靠近岸上引橋侧15.562m部分处于半径R=2000m圆弧段上，中间部分纵向坡度-0.3%。
根据设计要求，为保证顶推施工过程中钢槽梁腹板受力，底板不受力，采用成桥曲线线形作为顶推线形，为减少顶推到位后落梁高度，顶推施工时考虑支座垫石后浇，选择PM28墩顶标高（支座垫石+支座高度）+1.5m（即设计梁底线形+0.13m）作为顶推梁底线形控制标高。
四.顶推施工原理
步履式平移顶推装置进行顶推，工作原理是竖向千斤顶顶起槽形梁，水平千斤顶完成向前顶推，落梁后搁置于垫块上，千斤顶回油完成一个行程的顶推工作，顶推过程中是一个自平衡的顶推动作过程。顶推步骤见下图。
顶推设备复位
以此四步步骤动作为一个循环，反复即可实现钢槽梁的顶推平移就位。
五.顶推施工步骤
⑴ 顶推设备安装
导梁安装完成后，需安装顶推设备进行钢槽梁顶推施工。顶推装置布置原则是在需要布置顶推设备的引桥墩及临时墩上每墩两套为一组，在墩顶的上、下游对称布置。顶推设备直接采用履带吊在栈上桥将设备吊至墩顶安装。
⑵ 顶推设备调试
顶推设备安装完成后，连接好系统的油路及电路，进行调试以保证在手动、自动模式运行下，执行元件按设定的运动方式运行。联机调试时，启动泵站，选择手动运行模式，在主控台操作面板上控制执行元件伸缸或缩缸动作，检查其进行的动作是否正确，调节行程检测装置的检测元件，使检测装置的接触及检测正常。
⑶ 顶推施工
首先选择手动模式，检查油泵，顶升顶，纠偏顶、顶推顶，压力表，传感器等是否异常。
启动各墩上的顶推设备，由配在顶升系统上的压力传感器检测到的压力值转换成支反力值，然后由该值的换算值给顶推油缸设定压力，顶推油缸在要求的压力下提供顶推力，并且控制临时墩上两侧顶推油缸同步顶推。这里实时检测顶升支撑油缸的支反力，一方面保证顶推油缸顶推力的实时精确性，另一方面通过调节顶升支撑油缸保证行进过程中钢槽梁的受力均衡，保证钢槽梁单点单侧最大允许支反力不超过6000kN。完成推进一个行程之后，所有顶推油缸缩回至下一个行程的起点，随后可以进行下一个行程的顶推。
⑷ 竖向调整
顶推过程中钢槽梁的受力状态与成桥时受力状态完全不同，整个顶推过程的监控应以支反力控制为主，标高控制为辅的原则进行。因此每轮顶推前依据监控指令，明确该轮顶推钢槽梁所经墩台的竖曲线变化范围（即标高变化值）及钢槽梁许用支反力（即墩台的许用压应力）变化范围。
⑸ 导梁过墩
各支墩需布置竖向千斤顶及临时支垫。因钢槽梁自重使钢导梁前端下挠，当导梁前端台阶（第一节）到达时将离顶推设备滑箱较贴近，此时需顶起导梁，并在前端导梁与滑箱之间设足够高的支承垛（支承垛下也需设滑板，能使支承跺与导梁一起滑动），使得导梁底面略高于滑箱，当导梁到达滑箱上方时再起顶拆除支承垛并徐徐落顶，使之就位于顶推设备上，然后开始正式顶推。导梁临时起顶用的千斤顶采用50t螺旋顶，因千斤顶行程较小而起顶高度可能较大，故在实施竖向起顶时需多次支垫和倒顶。
⑹ 导梁拆除
钢导梁拆除在PM19b→PM19a（PM22b→PM22a）墩之间进行，采取逐节拆除方式拆除，在后一节段导梁前端到达PM19b（PM22b）墩处临时墩且前一节导梁前端支撑于PM19a（PM22a）墩处支撑梁上后即可拆除前一节段导梁，直至钢导梁完全拆除，钢槽梁主梁顶推到位。钢导梁在PM19（PM22）墩处利用履带吊或浮吊进行拆除。
六.顶推施工主要控制措施
6.1顶推施工时观测项目
为了确保槽形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，在风力、温度、日照等环境影响下进行施工过程分析，找出不利状态、最大变形值并进行详细观测和有效的控制，具体包括以下内容：
⑴ 拼装平台的沉降和变形。
⑵ 槽形梁节段运输及起吊就位后的变形。
⑶ 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，梁段平面点标高，横向位置（坐标）变化。
⑷ 滑箱顶面标高的变化：沉降和压缩变形、温度升降的变化、所有滑箱施力墩顶推时纵向位移及标高变化。
⑸ 槽形梁挠度观测，关键截面的应力测试；钢导梁挠度、受力变形观测及应力测试。
⑹ 槽形梁底板在滑箱上接触情况观测，钢槽梁内腹板、底板最不利受力状态内力检测和分析。
6.2同步顶推保证措施
在顶推过程中虽然不能保证摩擦力达到一致，但可通过千斤顶的同步来保证顶推力的一致来减小结构偏转的不利情况的发生。
当顶升千斤活塞伸出将槽形梁顶起后，顶推千斤活塞伸出将梁顶推前移，此过程需进行位移同步控制、压力均衡控制、横向调节控制。主控台除了控制所有桥墩上顶推千斤顶的统一动作之外，还必须保证所有顶推千斤顶每行程的同步。同步精度各墩之间可控制在5mm之内，同墩两侧可控制在1mm之内。顶推千斤顶缩缸则无需同步控制。
这是一个以位移控制为主，压力控制为辅的同步控制。
6.3竖向顶升控制
当竖向顶升千斤顶活塞伸出时顶推楔块和梁顶起，此过程主控台除了控制集群顶升千斤顶的统一动作之外，还要通过安装在滑道和滑箱之间的位移传感器检测顶升的高度，保证两侧顶升千斤顶的同步。控制策略为以其中一侧为基准，两侧位移差控制在设定范围内，若跟随侧顶升高度较大，则减小该侧比例阀的流量，反之，则增大该侧比例阀的流量。此过程同步精度可控制在4mm之内。
由于每个受力点（4台竖向顶升千斤顶）上安装1个压力传感器用于监控每个受力点的荷载。通过现场控制器或主控台上的面板可设定每个受力点的最高压力及同一桥墩上各受力点之间的最大压差，计算机通过监测各受力点的载荷变化情况，准确地协调整个系统的载荷分配。如果某个受力点的载荷达到设定的最高压力或同一桥墩上各受力点之间的最大压差大于设定值时，系统会自动停机，并报警示意。
6.4平衡度控制
由于每个桥墩的滑箱上安装有1个用于检测槽形梁在X轴、Y轴方向的倾斜角度的倾角传感器，因此通过设定每个倾角传感器在X轴、Y轴方向的的最大倾斜角度，即可控制槽形梁的平衡度。若哪个倾角传感器在在X轴、Y轴方向的倾斜角度超出设定值，系统即停机报警。
平衡度的检测及控制贯穿在整个顶推过程中。
6.5纠偏措施
在每个桥墩上适当的位置安装1~2个光电开关，检测中轴线是否与设计中轴线一致（槽形梁的中轴线用通长黑色标识线示出）。通过色差的检测，从而实现对槽形梁中轴线的检测。在水平顶推千斤顶伸缸，槽形梁平移过程中，若哪个光电开关检测不到中轴線，则发出一个信号趋动相应的横向调节千斤顶动作直到光电开关检测到中轴线后停止动作，从而实现横向纠偏。
6.6累积误差控制
在槽形梁平移过程中，主控台通过计算每个受力点水平顶推千斤顶移动的总位移，并用最大位移量减去最小位移量得出累计误差，若累计误差超出要求时则停止“自动”模式进入“手动”模式，单独调节某一侧油缸动作以纠正误差。若通过全站仪监测到累计误差超出要求时亦停止“自动”模式进入“手动”模式，单独调节某一侧油缸动作以纠正误差。
七.钢槽梁顶推施工难点及解决措施
7.1施工难点分析
⑴利用引桥墩作为顶推临时墩，顶推最大跨径达到了85m。顶推跨度大，相应滑道对墩顶反力最大达12000kN。
⑵河东水中引桥平曲线处于半径2809.29m的圆曲线上，竖曲线处于-0.3%的纵向坡度上，与主桥相邻部分处于半径R=110000m圆弧段上，与岸上引桥相邻部分处于R=2000m圆弧段上，顶推部分平纵曲线结合，对施工控制要求高。
7.2解决措施
⑴ 确保顶推平台、临时墩保证有足够的安全储备，并能适应变化的梁底线形要求，设置调节系统保证滑箱顶面与梁底面接触良好，均匀受力。
⑵ 制定详细的施工观测及控制方案，对拼装平台、滑箱、钢槽梁各部位、钢导梁都需要进行详细的观测及内力测试，确保结构的安全。
⑶ 顶推过程中涉及工况多，结构复杂，受力变化快，施工过程要根据监控计算结果，对结构（包括临时结构）进行优化设计。
⑷ 为保证结构安全，防止顶推时槽形梁底板出现较大局部集中应力，顶推设备在滑道与主梁之间设一刚度较大的滑箱，顺桥向滑箱长度不小于1.6m，以分散槽形梁底板集中应力。
⑸ 为保证槽形梁按平曲线轨迹进行顶推，各顶推设备沿平曲线轨迹布设，经现场测量精确定位顶推设备的平面位置及角度，同一墩顶设备在同一墩中心线半径上，确保同一墩顶的顶推方向沿此墩中心处平曲线切线进行。
根据现场测量指令，若顶推轴线与桥中心线的横向偏差超过25mm时，横向调整机构实时进行纠偏。
⑹在顶推设备滑道上增加钢楔垫块，并在钢楔垫块于钢槽梁梁底之间设置一层30mm厚钢板橡胶，由于钢槽梁和橡胶垫之间的摩擦系数大于纵坡系数，因此钢槽梁与橡胶垫之间不会产生滑动。为确保安全在钢楔块与顶推设备上部滑移梁四周分段焊接，确保不产生相对滑动。
同时，在顶推设备液压系统中，平推油缸带有双向液压锁，在静止或者顶推过程中，钢槽梁不会由于坡度带动上部滑移梁滑移。平推油缸带有平衡阀防止冲击，并通过比例流量阀限定顶推速度。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。