步履式自动化顶推设备系统研究及应用

步履式自动化顶推设备系统研究及应用 

张鸿１，２，张永涛１，２，周仁忠１，２ （１．中交第二航务工程局有限公司，湖北武汉　４３００４０；２．长大桥梁建设施工交通行业重点实验室）

 摘要：大跨桥梁采用整体顶推法施工，由于顶推重量重，顶推跨径大，结构受力复杂，使 得目前中国常用的拖拉式顶推设备难以满足要求，需研发新型顶推设备系统。该文针对九堡 大桥３×２１０ｍ连续组合梁－钢拱拱桥顶推施工，研发出步履式自动化顶推设备系统，该设 备系统吸取了以往顶推装置的优点，集顶升、顶推、纠偏调整于一体，采用计算机集中控制，实 现了高度自动化、自平衡顶推，首次在国内外实现了３跨梁拱整体顶推。 

关键词：九堡大桥；步履式；顶推；顶推设备系统；自动化 

１引言 顶推施工方法以其具有对桥下通航和交通干扰 少、成本低、占用场地小等优点在中国广泛应用于中小 跨度桥梁施工中，且通常采用拖拉式顶推装置，一般来 说该装置具有顶推结构形式简单、顶推重量较轻，自动 化程度不高等特点。大跨径复杂结构形式桥梁，采用 顶推法施工，即将各种形式主梁连同其协作结构体系 （如拱、主塔等）一并顶推到位，可以最大程度地发挥顶 推施工方法的优势，但由于顶推重量重，顶推墩反力 大，顶推时主结构和临时结构受力复杂，常规拖拉式顶 推装置将难以适用，需研发新型的顶推设备系统。该 文以杭州九堡大桥工程主桥整体顶推施工为背景，对 步履式自动化顶推设备系统进行了深入研究。

 ２工程概述 九堡大桥属于杭州湾上规划建设的１０座大桥之 一，全长１８５５ｍ。主桥上部结构为３×２１０ｍ三孔连 续结合梁－钢拱组合体系拱桥，采用“Ｖ”形墩支撑。 拱肋系由主拱肋、副拱肋、主副拱肋之间的横向连杆以 及拱顶横撑等构件组成。主拱肋外倾１２°，立面矢高 ４３．７８４ｍ。副拱肋轴线为空间曲线。桥面系为主纵 梁、中横梁、端横梁、小纵梁组成的双主梁格构体系。 主桥结构如图１所示。 　其主要的施工工艺为：下部结构桩基、承台、墩身 施工完成后，在后场陆地上搭设拼装支架平台，钢拱梁 先梁后拱分节段在拼装平台上拼装成形。第一跨钢拱 梁拼装完成后，安装临时支撑，拆除拱肋支架，采用顶 推工艺将该孔钢拱梁顶推出拼装平台，然后拼装下一 孔钢拱梁，再将其顶推出拼装平台，最后拼装第３孔钢 拱梁。３孔钢拱梁全部拼装完成后，整体顶推到位。 图２为大桥顶推施工布置图。

３步履式自动化顶推设备系统的提出 九堡大桥为３跨连续梁－拱组合桥，大桥结构复 杂。顶推总重量达１４　０００ｔ，顶推距离近９００ｍ；顶推 时结构最大悬臂达９４ｍ，重心高度高，稳定问题突出； 桥位区常年处于大风环境，风荷载影响显著，顶推过程 中结构应力大；顶推时钢主梁只能腹板受力，单个顶推 墩反力达１　５００ｔ，结构不能因为顶推工艺要求而增加 临时钢材，要求顶推设备来满足结构受力要求，顶推设 备为自平衡系统，且具有实时纠偏功能；又采用３孔钢 拱梁整体顶推，国内外尚无成熟经验可借鉴，施工中不 确定性因素多，顶推施工难度极大，对顶推设备要求极 高。常规拖拉式顶推装置，显然从受力上就无法满足 要求；国外针对法国米约大桥（跨径组合２０４＋６×３４２ ＋２０４ｍ七塔斜拉桥），采用楔进式顶推系统将梁和塔 进行整体顶推施工，该系统具有自动化程度高、对永久 结构影响小等特点，但该系统过于庞大，且造价昂贵， 也不适用该工程需要。为确保九堡大桥顶推施工成 功，针对３跨连续梁拱整体顶推结构和受力特点以及 现场施工条件，研发了新型的适宜于该工程特点的顶 推装置———步履式自动化顶推设备系统。该设备系统 既具有楔进式顶推法的系统化控制优点，同时也具备 拖拉法操作的方便性。

 ４步履式自动化顶推设备系统 

４．１　步履式自动化顶推设备系统总体设计 步履式自动化顶推设备系统包括以下３大部分： 顶推机械系统、顶推液压系统、顶推控制系统。其中顶 推机械系统是直接的顶推作用力装置，由上、下部结 构、三向油缸和滑移面组成；顶推液压系统包括支撑顶 升油压系统、顶推平移油压系统和横向调整油压系统。 顶推控制系统包括泵站驱动模块和传感器采集模块， 以及分控制器、主控制器组成反馈系统，通信网络和传 感器。 

４．２　步履式自动化顶推机械系统 步履式自动化顶推机械系统主要包括上部滑移结 构、顶升支撑油缸、顶推移动油缸、横向调整油缸，通过 计算机控制和液压驱动来实现组合和顺序动作，以满 足施工要求。 （１）上部结构支撑滑箱尺寸为２．７ｍ×２．５ｍ，以 满足钢拱梁的局部承压要求；顶面放置橡胶垫，使局部 承载均衡，保护钢拱梁底部受力；上部结构的底部固定 一块３ｍｍ厚的不锈钢板，与下部结构的聚四氟乙烯 构成滑移面，聚四氟乙烯做成蘑菇头形状，在蘑菇头之 间的间隙可放硅油，以减小滑移面的摩擦力；在上部结 构的滑道两侧各布置２台带导向轮的横向调整油缸， 顶推时起导向和纠偏作用。上部结构的两端有两个档 块，为顺桥向移动油缸的反力支座。 （２）下部结构的顶面布置了许许多多的蘑菇头， 蘑菇头既可承受竖向荷载，又可使摩擦力减小；中间放 一台双出头液压油缸，为顺桥向顶推装置；四周布置了 ４台支撑顶升油缸，通过控制支撑顶升油缸可以实现 钢拱梁的竖向运动。顶推系统参数如下：竖向为４台 ６５０ｔ千斤顶，最大顶升力１　８００ｔ，最大行程３０ｃｍ；纵 向为４台３５ｔ千斤顶，最大顶推力１４０ｔ，最大行程３５ ｃｍ；横向每侧２台共４台千斤顶，最大横向调整力８０ ｔ，最大行程５．５ｃｍ。 

４．３　步履式自动化顶推液压系统 顶推液压系统为油缸提供动力，根据主控计算机 的指令，执行规定动作。该系统主要分为两个部分：支 撑顶升系统、顶推移动系统和横向调整系统。支撑顶 升系统主要由变频电机、定量柱塞泵、换向阀、溢流阀、 比例阀、平衡阀、截止阀、液控单向阀、安全阀组成；顶 推移动和横向调整系统主要由变频电机、定量柱塞泵、 换向阀和溢流阀组成。顶推液压系统的特点：采用先 进的电液比例控制技术，实现同步控制，控制精度高， 各点之间的同步控制精度在±１ｍｍ 以内；专门设计 了对每台油缸的载荷保护，使整体顶升和下降更加可 靠安全；综合考虑液压系统的通用性、可靠性和自动化 程度，液压系统采用清晰的模块化设计。

 ４．４　步履式自动化顶推施工控制系统 九堡大桥主桥顶推过程中，最多顶推点达２０个， 顶推反力大，顶推工艺复杂，为保证各点顶推施工同步 性，设计采用计算机集中控制系统。主要包括实时控 制系统硬件模块，实时控制系统软件模块，实时控制网 络，泵站电子控制单元（ＥＣＵ），传感器控制单元 （ＳＣＵ）。 主控制器是一个标准的嵌入式工控机平台，处理 各种传感器发送过来的信号，经过一定的控制算法和 控制策略之后，输出控制信号，实现对整个系统的集中 控制，包括：顶升、顶推装置的控制，压力数据、位移数 据的计算处理以及各种故障的报警。 每个桥墩上设有一个分控制器，分控制器主要包 括泵站驱动和传感器采集两个模块，前者进行驱动信 号的转换和实现，后者主要采集油缸的当前状态信息， 包括油缸的行程、钢拱梁底部坡度、油缸的压力等，实 时反馈给主控系统。所有的传感器信号通过总线传送 给主控计算机进行分析和处理，然后根据控制算法输 出泵站驱动信号，调节油缸的动作和速度，从而实现各 个桥墩上的顶推系统同步上升或者同步下降，也可对 单个油缸调整高差。 控制系统采取“位移同步，载荷跟踪”的控制策略， 以各个支墩顶升油缸的支撑力为依据，以顶推油缸的 顶推力和位移作为控制参数，实现力和位移（速度）的 综合控制。并且具有人工手控和自动控制两种操作模 式。通过计算机软件配置，可单动、分组动，也可群组 动作，操作灵活方便。这样既能实现整个施工精准同 步进行，又能对于一些异常情况进行人工干预，保证系 统能应对各种复杂的工况和突发情况。

 ４．５　步履式自动化顶推施工原理 步履式自动化顶推基本原理是利用竖向千斤顶将 拱梁多点整体托起，水平千斤顶向前顶推实现拱梁移 动，然后下放临时搁置完成拱梁的一步移动，循环 “顶”、“推”、“降”、“缩”几个步骤逐步完成结构的顶推， 具体如下：１）顶———开启支撑顶升油缸，使钢拱梁被 顶推装置整体托起，脱离垫梁；２）推———开启顶推油 缸，使钢拱梁与顶推装置上部结构一起向前移动；３） 降———支撑顶升油缸回油下降，钢拱梁整体下降搁置 于临时垫梁上；４）缩———顶推油缸回缸，顶推装置回 到初始顶推状态，完成一个顶推过程。准备下一循环 过程。 

５结语 

针对大跨复杂结构桥梁整体顶推施工，吸取以往 拖拉式顶推装置以及楔进式顶推设备系统的优点，研 发了步履式自动化顶推设备系统。该设备系统将滑移 面由箱梁底部改到顶推设备内部，大大减小了顶推前 进时的摩擦力，避免了对主结构的可能损伤，满足了桥 墩不受水平荷载以及永久结构设计受力要求，实现了 真正的自平衡顶推；系统集顶升、平移、横向调整于一 体，实现钢拱梁的竖向、顺桥向的移动或调整，从而保 证钢拱梁的坡度、全桥线形；系统采用计算机集中控制 系统，设备集成化、自动化高，操控安全、方便、可靠。 在杭州九堡大桥顶推施工中，采用步履式自动化 顶推设备系统，顶推速度达５ｍ／ｈ，在整个顶推施工过 程中顶推设备系统运行状态稳定良好，确保了大桥顶 推施工过程的安全性，至顶推完毕成桥状态下结构内 力和线形均满足设计要求，在国内外成功首创了３跨 梁拱整体顶推法施工。 步履式自动化顶推设备系统的研发将使顶推工艺 理念及顶推设备得到一次重大的革新。随着它在今后 这一批大跨径桥梁的顶推施工中的应用，顶推施工理 论将变得更加完善，适用性更强，应用前景更广阔。 

参考文献： ［１］　张鸿，张永涛，周光强．大跨梁拱组合桥顶推法施工关键 技术研究［Ｃ］．２０１０组合结构桥梁和顶推技术应用学术 会议论文集，２０１０． ［２］　周光强，杨绍斌，申蒙，等．杭州九堡大桥主桥顶推方案比 选［Ｃ］．２０１０组合结构桥梁和顶推技术应用学术会议论 文集，２０１０． ［３］　Ｍｉｃｈｅｌ　Ｖｉｒｌｏｇｅｕｘ，Ｃｌａｕｄｅ　Ｓｅｒｖａｎｔ，Ｊｅａｎ－ Ｍａｒｉｅ，ｅｔ　ａｌ． Ｍｉｌｌａｕ　Ｖｉａｄｕｃｔ，Ｆｒａｎｃｅ［Ｊ］．Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ， ２００５（１）． ［４］　上官兴，付书林，万艺，等．中国桥梁顶推技术综述．２０１０ 组合结构桥梁和顶推技术应用学术会议论文集，２０１０．

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