鋼筋混凝土連續箱梁調坡頂升改造關鍵技術探討

劉 廣

(山西晉通公路工程監理有限公司，山西 晉城 048000)

1 工程概況

1.1 橋梁概況

清水河橋跨越大石西路交叉路口和清水河，主跨為獨塔自錨式懸索橋，南北兩側引橋均為3×25 m 單箱三室預應力混凝土連續箱梁。橋梁單幅全寬14.75 m，橋面組成為2×1.0 m(花池)+2×0.5 m(防撞墻)+11.75 m(車道寬)，橋梁橫坡原設計為1.5%，橋面混凝土為C50，厚度為12 cm，每一聯的混凝土方量為767.5 m3。下部結構為Y 型雙肢薄壁墩、鉆孔灌注樁。

1.2 調坡頂升概況

新二環高架橋的修建使得清水河引橋不能滿足新型交通規劃的發展需要，橋梁整體頂升技術實施起來比較方便快捷，工藝簡單，工期短，對周邊地區的影響也小，與拆除原有舊橋重新建新橋相比較而言，整體頂升方法省去了大量的人員、機械和材料，這就節省了大量的開支，同時既可以保證城市新規劃的發展要求，也延長既有橋梁的使用壽命，體現了節約資金、綠色環保的理念，更能體現項目的社會效益、經濟效益和環境效益。南北引橋頂升詳細數據見表1，表2。

表1 各橋墩(臺)頂升高度表

表2 總體頂升概況表

1.3 本工程的特點和難點

1)該橋為連續箱梁結構，充分有效的利用該橋的基礎及下部結構，在不改變原有橋梁整體受力的情況，根據現場的實際情況，對頂升支撐結構要進行合理選擇和布置，支撐要具備足夠的強度、剛度和穩定性，嚴格控制各墩臺間的差異變形。2)由于頂升調坡不是等高提升，各支撐點的升高距離需根據設計坡度進行調整，從而能保證調坡后線形順直，坡度統一，運行舒適美觀，這就對調坡控制系統提出了更高的要求，不僅要保證橋梁同一個橫斷面上橫向位移同步，又要保證縱向角位移一致，頂升過程中始終保證原有箱梁的線形。3)由于頂升后橋梁的原有坡度發生了變化，這就導致每一跨支座中心點的距離發生變化，從而影響到原來梁的長度，雖然影響的數值很小，但在頂升過程中要特別注意此變化，保證頂升后橋梁的運行安全。4)頂升過程中把原來梁的坡度改變了，千斤頂與梁底接觸面的角度也發生了變化，從而使千斤頂的受力面發生了變化，千斤頂的中心軸線與接觸面不再垂直，千斤頂可能發生縱向位移，存在一定的質量和安全隱患，如何解決此問題是本工程的關鍵。

2 頂升方案

本項目中采用直接頂升法，利用改造后的承臺作為頂升反力基礎。在承臺上放置鋼支撐，箱梁底部設置鋼分配梁，鋼支撐和鋼分配梁作為支撐的受力面，把千斤頂安裝在鋼支撐與鋼分配梁之間，千斤頂與PLC 電腦控制系統進行連接，由電腦操作整個控制系統的運行，保證整個頂升過程的角速度一致，從而實現整體頂升箱梁的方法來抬高橋梁標高，頂升到位后，切斷墩柱，單獨頂升墩柱，然后對墩柱進行連接恢復，對橋臺進行拆除和改造，改造完成后安裝支座并澆筑墊石，滿足強度要求后拆除支撐下方墊層，將上部荷載從頂升支撐轉移到墩柱上。

2.1 鋼支撐托架體系

托架體系由φ609 鋼支撐、臨時墊塊以及連系桿等組成。用φ609×16 mm 鋼管組裝成整體的支撐桿件作為支撐的主要構件，桿件間的連接要牢固可靠，受力合理，保證有足夠的支撐完成頂升任務，在加固好的承臺上植入足夠的錨栓用來連接支撐桿件。上下兩節鋼管支撐間通過法蘭螺栓連接，用型鋼作為水平連系桿及剪刀撐將整個支撐桿件連成一個格狀構柱，保證整個體系的穩定。支撐體系布置圖見圖1，圖2。

圖1 清水河橋鋼支撐立面圖（單位：mm）

2.2 對于千斤頂的選擇

千斤頂的選用非常關鍵，選擇的千斤頂必須滿足頂升的實用需要。本項目選擇帶球頭可轉動的液壓千斤頂，頂部球頭轉角最大可達5°。當頂升過程中坡度發生變化時，千斤頂的球頭可以隨著坡度變化而轉動，保證千斤頂與接觸面緊密相接，受力均勻，不產生相對位移，從而保證整個頂升系統勻速達到要求高度。

圖2 清水河橋鋼支撐平面圖（單位：mm）

用一個足夠強度的保壓環安裝在千斤頂上面，有效保障千斤頂的機械承載連接。

3 結構驗算

3.1 主梁縱向驗算

頂升時支點位于原支點左右側，因相對整聯橋梁長度，兩支座間距較近，同時頂升時不存在左右脫空的情況，故在計算模型中仍可看作一個支點計。頂升施工時箱梁正截面無拉應力，滿足規范允許值0.7f 'tk=1.855 MPa;正截面壓應力最大為6.7 MPa，小于規范允許值0.7f 'ck=22.68 MPa，故此項計算是安全的。

表3 標準組合支座反力 kN

由表3 得知中墩最大豎向荷載為9 315.8 kN，代入下部頂升系統計算。

3.2 支撐反力驗算

用橋梁博士對整個支撐力進行驗算，通過驗算確定各個支撐系統的受力情況，梁的反作用力通過橫梁構造均勻落到鋼梁上，如圖3 所示，q=835.5 kN/m。在驗算過程中，假設主梁剛度為無窮大，支撐構件剛度，按每一根鋼管的理論支撐剛度K0=1.54×106kN/m 考慮。靠梁內、外支撐剛度分別為2K0和3K0，計算模型及反力計算如下。

圖3 支撐反力計算

液壓千斤頂最大反力為:N=3 119.8/3=1 040.0 kN，實際液壓千斤頂額定頂力3 000 kN，最大反力小于千斤頂的額定頂力，安全系數較高，可以正常使用。

3.3 整個支撐構件的驗算

施工過程中，當千斤頂慢慢升起時，橋梁縱向的坡度發生變化，產生縱向的附加水平分力，同時橋梁的橫向由于支撐柱與地平面有一定的夾角，產生了橫向的附加水平力，經過驗算，縱向分力為豎向荷載的2%，橫向分力為豎向荷載的1%。

通過結構驗算，構件產生的最大應力為80.4 MPa，而材料的極限應力為210 MPa，產生的最大應力小于材料極限應力，確定整個頂升結構的承載能力滿足設計要求，結構是安全的。管頂最大豎向位移為1 040/K0=0.7 mm，最小豎向位移為775/K0=0.5 mm，最大位移差僅為0.2 mm。結構剛度滿足要求。

在最不利情況下，支撐的穩定系數η=37.5。穩定性滿足要求。

3.4 局部承壓計算

對于混凝土箱梁，它的強度是固定的，在施工過程中，就要計算箱梁局部承壓部位是否能經得住千斤頂的頂升，必須保證在整個頂升過程中不對原有箱梁結構本身造成影響。根據頂升的承壓面積可以計算是否滿足頂升要求，見圖4。

圖4 液壓千斤頂順橋向布置示意圖（單位：mm）

根據承載要求，依據下列公式關系，通過計算求出結論:

其中，Fld為承壓接觸面部位的設計壓力值;fcd為頂升結構軸心方向設計抗壓強度值;ηs為頂升混凝土結構的修正系數，根據要求本工程取1.0;β 為混凝土結構承壓強度提高系數;A1n，Al均為混凝土結構支撐面的面積。

經計算，得β=4。1.3ηsβfcdA1n=1.3×1.0×4×23.1×750×750×3.14/4=53 067 kN ＞1 040 kN。局部承壓滿足要求。

4 結語

本文以清水河引橋調坡頂升工程為例，從支撐系統的強度、剛度、穩定性及主梁局部承壓等方面的驗算入手，從理論上確保了整體頂升施工過程結構的安全性和穩定性，為頂升施工的順利進行提供了強有力的理論保障，為同類橋梁調坡頂升施工奠定了堅實的基礎。

［1］尹天軍.高速公路上跨橋整體頂升技術［J］.世界橋梁，2009(1):61-67.

［2］林耿雄，姜海波.橋梁頂升技術的探討［J］.廣東建材，2008(10):65-68.