城市橋梁改造中的既有連續梁橋頂升技術改造

游 煒

(廈門市市政建設開發總公司 福建廈門 361000)

引 言

隨著機動車數量的快速增長，既有城市橋梁往往不能滿足日益增長的車輛通行需求。這為城市橋梁建設帶來了一個新的課題:對既有城市橋梁進行擴寬或高架改造，以增加道路的通行能力。如果對建成時間較短的橋梁進行拆除重建不僅造成巨大的資源浪費，而且會引起環境污染問題。因此考慮既有城市橋梁建成時間較短，結構較新，為節省工程投資、縮短工期并且減少拆除重建產生的社會影響，在保證結構安全、運營后行車舒適的前提下，應盡可能多改造利用既有橋梁結構。橋梁頂升技術就是在這樣的環境下應運而生。

目前，城市橋梁頂升技術已經在廈門市湖濱東路跨線橋頂升工程、廈門市蓮岳路跨線橋頂升工程、天津獅子林橋頂升工程、天津北安橋頂升工程、上海吳淞江橋頂升工程、南浦大橋抬升工程等一系列重大建設工程中，獲得了巨大成功，取得了顯著的經濟效益和社會效益。傳統的橋梁頂升系統構成中主要有臨時支撐子系統、液壓頂升子系統、PLC控制子系統、隨動支撐子系統、縱橫限位子系統、監控量測子系統構成。在仙岳路與成功大道立交改造提升工程中，需要對一聯鋼箱連續梁和一聯預應力混凝土連續梁進行頂升改造。其中預應力混凝土連續梁一端頂升高度達到了11.181m，為目前國內最高。為增加頂升過程的安全性、縮短頂升工期，該頂升工程摒棄了傳統的隨動支撐技術，采用交替頂升技術。文章詳述了既有連續梁橋頂升技術改造的技術要點。

1 工程概況

仙岳路為廈門市主干道，其西段已實現全程高架橋。而中段仙岳路下穿鷹廈鐵路并于成功大道立體交叉，往東接金尚路高架橋。為提升仙岳路中段的通行能力和與成功大道的交通轉換能力，對仙岳路與成功大道立交工程進行提升改造，將仙岳路中段改為全線高架橋并在成功大道處增設三座匝道橋。原仙岳路西段高架橋在跨越臺灣街后落地，本次改造將跨越臺灣街的L3聯鋼箱梁和L4聯預應力混凝土箱梁進行頂升利用，接新建高架橋見(圖1)。

L3聯為鋼箱梁，配跨為36m+45m+36m，L4為預應力混凝土箱梁，配跨為3×36m，L3及L4聯一部分位于R=3000m的凸形豎曲線上，其后接縱坡為4.53%的下坡。箱梁梁高2.0m，橋寬25.0m，按整幅布置，采用扁平流線型箱梁截面。

由于L3聯箱梁的現狀橋面比擴建后的橋面起點低0.001m，終點低3.522m，且大部分位于豎曲線上，橋梁結構為向上的拱形，若整體頂升，則鋪裝調平層最厚處需增設97cm，無法滿足結構布置及受力要求。設計考慮對上部鋼箱梁進行整體頂升，然后切割成3段分段調整標高，最后將3段鋼梁重新焊接成整體的施工方案。L4聯改造前后平面及立面均位于直線段上，新橋面比現狀橋面高3.522～11.261m，因此，擬對該聯箱梁進行頂升處理，通過頂升、旋轉后，箱梁末端比新橋面低8.0cm，采用增設混凝土調平層能滿足設計要求。

圖1 L3、L4聯頂升改造示意圖

2 連續梁橋交替頂升的技術要點

連續梁橋為超靜定結構，在頂升過程中要保證結構為剛性的旋轉或平移，結構內部才不會產生次內力。頂升過程中最理想的狀態為剛體位移，即在同步頂升時要保證各頂點位置的位移相同，在旋轉頂升時要保證各支座處的豎向位移成比例。實際頂升時，各支座的實際位移與理論值相比不可避免的出現誤差。必須要控制各支座處的位移誤差，以控制梁體次內力的水平，保證結構的安全。此外，梁體在頂升時重量從支座轉移到液壓頂升系統和臨時支撐上，而且由于解除了支座約束，梁體在空間上易發生縱向和橫向的位移。這些因素在頂升方案編制時必須加以考慮并合理解決。

2.1 臨時支撐技術

橋梁上部結構的重量是通過支座、墩臺傳遞到下部結構上的。頂升時主梁脫離原支座，主梁自重要有新的支撐體系來承擔，此即為臨時支撐。一般采用鋼管柱作為臨時支撐體系，見(圖2)所示。鋼管柱基礎可以利用原橋承臺或擴大基礎，或者當地基承載力滿足時設計為獨立的基礎。當原承臺或擴大基礎的寬度不夠時，可以采用植筋的方式對原承臺進行加寬。鋼管支撐要有足夠的強度、剛度和穩定性，而且鋼管支撐要易于接長、安裝，也不能影響對墩臺的改造施工。

臨時支撐體系還應該考慮主梁的臨時承力點位置。對于混凝土箱梁，臨時承力點應設置在橫隔板位置或腹板位置。鋼箱梁的臨時承力點最好設置在橫隔板和腹板的交界位置。通過分配梁、千斤頂將力傳遞到臨時鋼支撐上。

對于比例調坡頂升，臨時支撐設計還需要考慮以下兩點因素。一是，隨著梁體坡度的變化，主梁在縱向上的水平投影長度會變化。以3×36m連續梁為例，坡度從－4.53%變化到2.74%，梁體投影長度先增長0.11m，再縮短0.04m。這要求千斤頂在縱向上的位置可調，在頂升過程中確保千斤頂與鋼管柱對中。橫向分配梁要有足夠的寬度，且能承受千斤頂偏心壓力的作用。二是，隨著梁體坡度的變化，千斤頂的垂直度要保持基本不變。通過在千斤頂與分配梁之間增加楔形鋼板來實現，將千斤頂的垂直度誤差控制在0.5%以內。此外千斤頂的活塞頂帽帶有球形鉸，允許有0.5度以內的轉角。

臨時支撐系統的主要作用不僅是承擔上部結構橋梁箱梁的重量，還要解決比例頂升中的梁體投影長度改變和角度改變問題。因此需要考慮他的承載力、剛度及穩定性，保證梁體頂升時托架體系本身的狀態不變，同時保證梁體在頂升過程中的受力狀態不變，包括附加應力、位移等。

圖2 頂升臨時支撐系統

2.2 PLC液壓同步頂升控制技術

頂升指令控制系統為PLC液壓同步頂升系統，是一種反饋控制系統，包括控制主機、位移傳感器、變頻泵站等設備見(圖3)。PLC液壓控制同步頂升是一種力和位移綜合控制的頂升方法。這種控制方法是建立在位移和頂升力雙閉環的控制基礎上。為使液壓千斤頂平穩地頂舉橋梁。首先，在正式頂升前要對橋梁進行稱重。當主梁自重全部轉移到千斤頂和臨時支撐系統時，記錄各分組千斤頂的油壓值并換算成千斤頂的頂升力。在此后的頂升過程中，千斤頂的頂升力與初始值相比誤差應控制在±5%以內，此即為力閉環的原理。其次，在頂升前，依據縱向支座間距比例設定支座豎向位移比例，計算各支座的理論位移量。通過布置于支座斷面上的豎向位移傳感器反饋實際位移數據，計算實際位移與理論位移的差值，控制變頻電機轉速增減，從而控制千斤頂的頂升速度，實現位移閉環控制。

通過頂升力和頂升位移的雙閉環控制，可以控制梁體頂升時的位移和姿態。采用PLC系統的位移同步精度可以 達 到 ±2.0mm。這樣可以很好的保證頂升過程的同步性，使頂升過程中橋梁受到的附加內力下降至最低，確保頂升時梁體結構安全。

圖3 PLC液壓同步頂升控制系統

2.3 縱橫向限位技術

頂升時，由于解除了永久支座對梁體水平位移的約束，極小的水平力就可能造成橋梁縱向或橫向的位移。若產生縱向位移，則可能造成伸縮縫過寬或過窄，支座中心偏離設計位置等危害;若產生橫向位移，則可能造成既有梁橫向錯位、軸線偏離設計位置等危害。水平位移嚴重的時會危及結構安全。因此，在頂升過程中要設置臨時的限位措施防止主梁產生過大的縱向和橫向位移。

在比例調坡頂升時，梁體一端頂升，另一端沒有頂升。此時，可以將沒有頂升的梁端縱向固定在相鄰的梁體上或橋臺上。通過在伸縮縫間插入鋼楔墊塊以防止伸縮縫縮小。通過千斤頂縱向限位裝置施加拉力，限制伸縮縫變寬趨勢。縱向限位裝置見(圖4)。需要注意的是比例調坡頂升時，梁端會產生轉角，縱向限位裝置的設計要充分考慮這一因素。

橫向限位裝置可以是限位柱或限位架，安裝在頂升梁端。橫向限位裝置見(圖 5。)若產生橫向偏移可以采用鋼楔墊塊或橫向千斤頂糾偏。在非頂升一端一般可不設專門的橫向限位裝置，但可以將部分縱向限位裝置與橋軸線呈45度角安裝，起到一定的橫向限位功能。

圖4 縱向限位裝置

圖5 橫向限位裝置

2.4 監控與量測技術

橋梁的頂升過程中，各千斤頂頂升速率仍有可能存在差異，將導致梁體出現相對位移差，主梁產生次內力，進而有可能使梁體受到損傷。鑒于連續梁頂升的風險性，一般要引入第三方單位對連續梁頂升進行監控。第三方監控內容包括，PLC測點豎向位移的復核測量、梁體應力的實時監測、梁體的投影伸長和橫向偏移、橋面控制點標高測量等。

PLC測點豎向位移的復核測量是通過在PLC采集豎向位移傳感器附近布置第三方監控位移傳感器，如光柵尺，實時測量各測點的豎向位移值，并與PLC系統測量數據進行對比，控制梁體的豎向位移誤差;梁體的應力測量是通過在梁體上布置電阻式或者鋼弦式應變傳感器，實時監測梁體的應變變化情況，確保結構受力狀態始終在安全范圍內;梁體投影伸長和橫向偏移監測的目的是掌握梁體的空間姿態;而橋面控制點標高測量的目的是復核PLC的累計位移量，消除多次累加的誤差。

2.5 交替頂升技術

由于千斤頂的行程有限，一次行程達不到設計頂升高度。液壓千斤頂收缸，需要對梁體進行可靠的支撐。傳統的做法是采用隨動頂升技術。隨動頂升為每個支撐頂點布置安裝一組可主動施加頂升力的千斤頂和一組被動跟隨千斤頂，并分別由各控制臺控制液壓泵站驅動兩組千斤頂。頂升過程中，由主動千斤頂進行梁體頂升，跟隨千斤頂同時跟隨頂升。一個行程過后，主動千斤頂收缸，主梁自重轉移到跟隨千斤頂。收缸后的主動千斤頂的活塞下墊設相應高度的鋼支撐墊塊，主動千斤頂調整到位并重新受力后，跟隨千斤頂收缸，并在收缸后千斤頂的活塞下墊設相應高度的鋼支撐墊塊。重復以上步驟，直至完成整個頂升過程。

頂升過程中，隨動千斤頂雖然實時跟隨，但其并不提供頂升力，只起到在主動頂失效后的保護作用。主動頂達到行程收缸，梁體自重是逐漸轉移到跟隨千斤頂上的，因而不可避免的會對跟隨頂產生壓縮。由于各跟隨頂的支撐剛度不同，壓縮量必然不同，而且壓縮量是不可控制的。分析隨動裝置頂升的工作過程，每行程頂升循環都需要對主動頂和隨動頂進行抄墊，工作效率較低，延長頂升工期。基于上述兩點原因，在規模較大，頂升高度較高的頂升工程中，不宜采用隨動頂升技術。

圖6 交替頂升千斤頂

將跟隨千斤頂更換成另一組主動千斤頂，兩組千斤頂交替作為主動千斤頂，此即為交替頂升裝置。頂升過程中，先由第一組千斤頂進行梁體頂升的一個行程，另一組千斤頂為替補。當達到行程后，在替補千斤頂活塞下墊實鋼支撐墊塊，進行主動托換，開始下一個行程頂升。重復以上步驟，直至完成整個頂升過程。

采用交替頂升技術，首先，改隨動裝置的被動托換為PLC系統控制下的主動托換，消除了隨動裝置壓縮量不均現象。其次，交替頂升由于液壓千斤頂的收缸速度快，每頂升兩個行程墊實一次墊塊，工作效率提高一倍，可以大幅縮短頂升工期。交替頂升的主動千斤頂數量是隨動頂升的兩倍，此外為增加頂升過程的安全性，需要對每個千斤頂配置液壓平衡閥，防止泵站和管路的突然失壓。交替頂升千斤頂見(圖6)。

3 結語

結合仙岳路與成功大道立交改造提升工程L3聯鋼箱梁和L4聯混凝土箱梁的頂升案例，介紹了連續梁橋頂升改造五個方面的技術要點。連續梁橋頂升控制的核心問題是控制各墩的實際位移量與理論位移量誤差在一定范圍內，連續梁產生近似剛體位移。此外，應結合比例調坡頂升工程特點，處理梁體投影長度變化、千斤頂垂直度、以及水平力引起的橋梁縱橫向移位等諸多難點。在本工程中，使用交替頂升技術，顯示了該頂升技術具有安全系數高、頂升速度快、工期短等優勢。本文所述技術要點可以為同類工程提供借鑒。

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