半橋同步頂升工藝在橋梁支座更換中的應用

董 艷 彪

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300000)

1 概述

市府大道橋梁分為南、北兩橋，地處市政府正前方，為三孔不等跨預應力混凝土連續變截面箱梁橋。橋梁的跨徑組合為22.4 m(邊)+32 m(中)+22.4 m(邊)=76.8 m，橋梁兩端分別為寬13.2 m的框架涵，總長103.46 m。南、北橋橫向均由三幅橋組成，均為直橋，建成于1994年。

由于全橋支座使用時間較長，現已嚴重銹蝕，需對全橋支座進行更換，每幅橋需更換8個盆式橡膠支座，南、北橋共需更換48個支座。經方案比選決定，采用PLC控制液壓同步頂升系統進行頂升施工，在不損壞橋梁結構的同時，使梁體與橋墩(臺)之間產生足夠的空間來達到更換支座的目的[1]。市府大道為該市重要城市道路，車流量巨大，外加施工周期較長，為不影響城市交通，最終選擇在不中斷交通的情況下進行橋梁支座更換施工，這極大地增加了施工難度。

橋面通行的車輛及其他外部環境都會對梁體產生縱向和橫向的干擾力，如采用橋梁整體同步頂升方案，使梁體成為漂浮體系，則橋梁的整體穩定性將會大大減弱，任何的縱、橫向干擾都有很大可能導致梁體整體失穩而發生傾覆[2]。為避免上述安全隱患的發生，經研究決定，采用半橋同步頂升方案進行施工。即對于每幅連續梁而言，先進行左半幅頂升施工，更換左半幅橋墩、橋臺支座，待支座更換完畢后進行落梁施工，此時已完成左半幅橋梁支座更換工序；之后采用同樣的方法完成右半幅橋梁支座更換。此方案的優點在于：在頂升施工的整個過程中，未頂升的半幅橋梁的支座對橋梁整體起到縱向及橫向的限位作用，相對于整體頂升而言，既無需增設縱、橫向限位裝置，節省材料，又有效的防止了梁體的失穩。

本文以南橋西幅為例，介紹該橋半橋同步頂升施工技術。

2 頂升施工工藝技術難點及關鍵步驟

半橋同步頂升施工過程中，梁體會產生變形。為防止頂升位移過大導致梁體開裂，事先通過大型有限元分析軟件MIDAS進行頂升施工過程仿真分析[3]，確定出安全的頂升位移。對于與橋臺固接、與橋梁翼緣板通過托架剛性連接的高壓水管，在頂升施工中會受到向上的強迫位移，使高壓水管與橋臺連接處產生附加彎矩，嚴重時會導致高壓水管自身及高壓水管與橋臺連接處的混凝土破壞。為解決這一難題，運用有限元軟件ANSYS對頂升過程中高壓水管及高壓水管與橋臺連接處橋臺混凝土的受力進行精確分析[3]，計算出高壓水管剛性約束換托的合理范圍，解除這一范圍內高壓水管與橋梁翼緣板的剛性連接，同時搭設碗扣式支架作為這一部分高壓水管的彈性支撐結構，支座更換完成后立即恢復原支撐體系。頂升過程中，伸縮縫處梁體與路面會產生相對高差，需事先鋪設鋼板，防止跳車現象發生。頂升全過程中，對頂升位移、梁體應變、高壓水管應變及高壓水管與橋臺連接處橋臺混凝土應變進行實時監控，及時調整頂升偏差，保證結構的受力安全。

該橋半橋同步頂升關鍵施工步驟為：頂升前對高壓水管進行支撐托換，并且在托換前需對支架進行預壓，消除非彈性變形；伸縮縫處路面鋪設鋼板；監控測點及監控設備布置；對梁體進行試頂升；對梁體進行正式頂升，根據該橋需要頂升的高度設計頂升步驟及每步頂升高度，頂升過程采用同步頂升；落梁施工。

3 頂升施工主要技術

3.1 半橋同步頂升施工

在不中斷交通的情況下，橋面通行的車輛及其他外部環境都會對梁體產生縱向和橫向的干擾力。在無任何梁體限位措施的條件下，如將橋梁進行整體頂升，會使得梁體成為漂浮體系，極大地減弱了橋梁的整體穩定性，增加了梁體整體失穩而發生傾覆的風險。為避免上述安全隱患的發生，經研究分析，最終采用半橋同步頂升方案進行施工。即同時頂升1號臺、2號墩位置處梁體，更換1號臺、2號墩支座，將3號墩、4號臺支座作為梁體限位裝置，支座更換完畢后進行落梁施工。之后進行3號墩、4號臺位置支座更換施工，此時，1號臺、2號墩支座作為梁體的限位裝置。

3.1.1最大頂升位移的確定

采用此方案對橋梁進行頂升施工的過程中梁體會發生變形，如頂升位移過大，則會導致梁體的開裂。因此，確定合理的最大頂升位移，既能夠保證橋梁受力安全，又能夠有足夠的空間取出舊支座、達到更換支座的目的成為此方案的關鍵所在。

采用大型通用有限元軟件MIDAS對頂升過程進行仿真模擬分析，通過研究頂升位移與梁體混凝土最大拉應力增量之間的關系，確定容許的最大頂升位移。有限元模型如圖1所示。

結合實際，采取以下5種工況進行分析：

工況一：N1號、N2號墩處梁體同步頂升5 mm；

工況二：N1號、N2號墩處梁體同步頂升8 mm；

工況三：N1號、N2號墩處梁體同步頂升10 mm；

工況四：N1號、N2號墩處梁體同步頂升15 mm；

工況五：N1號、N2號墩處梁體同步頂升20 mm。

5種工況分析結果如表1所示。

表1 頂升位移與梁體混凝土最大拉應力增量關系分析結果

經上述分析，在頂升過程中，當橋梁1號臺、2號墩同時頂升最大位移為15 mm時，混凝土拉應力增量滿足規范所規定的混凝土容許拉應力；當最大位移為20 mm時，混凝土拉應力增量超過規范所規定的混凝土容許拉應力。由此，15 mm即為合理容許頂升位移。由以往施工經驗可知，15 mm的空間高度能夠保證取出舊支座，達到更換支座的目的。故最終將15 mm作為合理的最大頂升位移。

3.1.2梁體試頂升

為了考核整個頂升系統的工作狀態，對最大頂升位移計算結果進行驗證，對頂升力、橋梁應力、整體姿態、結構位移[4]、高壓水管與橋臺連接處橋臺混凝土應力等情況進行資料收集，為正式頂升提供依據，在每一半橋梁頂升施工前都需進行試頂升。試頂升也需采用同步頂升的方式，試頂升高度為5 mm，試頂升到位后進行持荷觀察，持荷時間不少于30 min。

3.1.3梁體正式頂升

試頂升符合要求后即可進行正式頂升，半橋同步頂升施工的整個頂升過程分8個階段進行。每個階段均為等步長同步頂升(每個頂升點在同一階段的頂升過程中頂升高度相同)。前7個階段中，每個階段頂升位移為2 mm，第8階段頂升位移為1 mm。每個頂升階段完成后，需立即停止頂升，進行持荷觀察。對頂升力、橋梁應力、整體姿態、結構位移[4]、高壓水管與橋臺連接處橋臺混凝土應力進行檢查，對不同步誤差進行及時調整。每兩個階段之間間歇時間不得少于20 min。

結合實際情況，如某一頂升階段完成后舊支座能夠被順利取出，為最大限度保證梁體受力安全，則其之后的頂升階段不再進行。

3.1.4落梁施工

待支座更換完畢后，控制各千斤頂同步回縮，使梁體同步下降，使梁體回落到位。落梁結束后，需及時檢查梁體是否回落到位，支座有無脫空現象。

3.2 高壓水管支撐換托施工

對于與橋臺固接、與橋梁翼緣板通過托架剛性連接的高壓水管，在頂升施工中會受到向上的強迫位移，使高壓水管與橋臺連接處產生附加彎矩，嚴重時會導致高壓水管及高壓水管與橋臺連接處的混凝土破壞。為解決這一難題，需解除部分高壓水管與橋梁翼緣板的剛性連接，同時搭設碗扣式支架作為這一部分高壓水管的彈性支撐結構，支座更換完成立即恢復原支撐體系。

3.2.1合理換托范圍的確定

由于高壓水管容許一定量的彈性變形，高壓水管與橋臺連接處的混凝土容許一定量的拉應力存在，故無需將高壓水管所有長度范圍內進行支撐換托，只需將其合理范圍內與梁體剛性連接的角鋼托架換為彈性支架即可。采用大型有限元通用軟件ANSYS進行仿真分析[5]，分析在頂升過程中高壓水管的最大應力增量以及高壓水管與橋臺連接處的橋臺混凝土的最大應力增量，來確定合理的支撐換托范圍。在鋼管兩端建立橋臺混凝土，橋臺混凝土與高壓水管固結。

有限元模型如圖2所示。

考慮從橋臺開始12 m范圍內解除梁體對高壓水管的約束，托換到臨時支撐上，從橋臺開始12 m內高壓水管與梁體同步頂升，共分2個工況：

工況一：從橋臺12 m位置處對高壓水管施加5 mm豎向強迫位移；

工況二：從橋臺12 m位置處對高壓水管施加8 mm豎向強迫位移。

以上2種工況分析結果如表2所示。

表2 豎向強迫位移對高壓水管

考慮從橋臺開始22 m范圍內解除梁體對高壓水管的約束，托換到臨時支撐上，從橋臺開始22 m內高壓水管與梁體同步頂升(即解除邊跨范圍高壓水管與梁體的剛性約束)，共分4個工況：

工況一：從橋臺22 m位置處對高壓水管施加5 mm豎向強迫位移；

工況二：從橋臺22 m位置處對高壓水管施加8 mm豎向強迫位移；

工況三：從橋臺22 m位置處對高壓水管施加10 mm豎向強迫位移；

工況四：從橋臺22 m位置處對高壓水管施加15 mm豎向強迫位移；

以上4種工況分析結果如表3所示。

表3 豎向強迫位移對高壓水管

由以上工況分析可以得出：當從橋臺開始22 m范圍內解除對高壓水管的約束，頂升22 m位置(即2號或3號橋墩位置)時，可明顯降低高壓水管及高壓水管與橋臺混凝土連接處橋臺混凝土最大拉應力增量，且豎向頂升15 mm時應力增量也在規范規定的安全范圍之內[6]。建議頂升前解除從橋臺開始22 m范圍內梁體對高壓水管的剛性約束，進行彈性支撐托換，并降低高壓水管中的水壓力，確保頂升安全。

3.2.2彈性支撐托換

將兩根立桿與一根橫桿通過碗扣和限位銷連接，再將此組合結構通過碗扣和限位銷與已搭建的施工支架平臺連接，形成新的高壓水管彈性支撐。此彈性支架應有足夠的工作寬度，以便梁體與高壓水管間的連接釋放后，能對全部管線進行支撐，高壓水管彈性支撐整體示意圖如圖3所示，局部示意圖如圖4所示。為避免臨時支架平臺下沉，對現有碗扣式支架進行了加密。彈性支架搭設完成后，用沙袋模擬高壓水管重量，對彈性支架進行預壓，消除其非彈性變形，在此過程中需對變形量進行實時監測，對安全性進行分析評估。預壓完成后即可解除此范圍內高壓水管與梁體的剛性連接，將高壓水管重量托換至彈性支架上。

3.2.3剛性約束解除

高壓水管與梁體翼緣板通過U型角鋼進行剛性連接。施工過程中通過采用火焰切割技術將U型角鋼切除來達到解除剛性約束的目的。待頂升施工完成后，需及時恢復此剛性約束。高壓水管剛性約束解除前如圖5所示，約束解除后如圖6所示。

3.3 伸縮縫處路面交通保障措施

在頂升過程中，伸縮縫處梁體與路面會產生相對高差，由此可能導致跳車現象發生。為此，頂升施工之前，在伸縮縫處鋪設鋼板來使得路面相對平順，避免了跳車的可能。現場實施如圖7所示。

3.4 頂升施工監控

3.4.1頂升施工監控目的

為保證在頂升施工過程中梁體的變形及應力、高壓水管與橋臺連接處橋臺混凝土應力滿足規范要求，同時對頂升位移不同步誤差做出及時調整，確保頂升施工安全順利進行，對施工過程進行了全程實時監控。

3.4.2現場監測與控制手段

頂升過程中對箱梁控制截面應變(應力)變化、千斤頂頂點附近的頂升高度及高壓水管與橋臺連接處橋臺混凝土應變(應力)變化進行實時監測。梁體應變(應力)值的監測通過在控制截面梁底布置高靈敏度應變(應力)計實現，如圖8，圖9所示。頂升位移值的監測通過在梁底千斤頂附近位置布置光柵尺實現[7]，如圖8，圖10所示。高壓水管與橋臺連接處橋臺混凝土應變(應力)通過布置在高壓水管下側橋臺位置的電阻應變片實現，如圖11所示。

施工過程中實時監控梁體及橋臺混凝土應力增量變化，使之不得超過1.83(設計值)/1.2=1.52 MPa[6]。一旦梁體與橋臺混凝土應力增量超過1 MPa(應變值為28 με)，應及時示警。同時需監控梁體頂升位移值的變化，使之不得超過15 mm，一旦梁體頂升位移值超過12 mm，應及時示警。如頂升過程中出現不同步誤差，則及時對頂升高度進行調整。

3.4.3監控結果

1)應力監控結果顯示，在橋梁頂升過程中，梁體各應力測點處應力值增量變化趨勢基本一致，且均滿足規范要求。高壓水管與橋臺連接處橋臺混凝土應力值未超出規范規定的限值。總之，梁體與橋臺混凝土受力安全。

2)位移監控結果顯示，在橋梁頂升過程中，梁體各位移測點位移值變化基本一致，且頂升最大位移在規定的最大位移限值15 mm之內。總之，梁體頂升達到了同步頂升的效果，其梁體變形受力安全。

4 結語

該橋通過采用科學、先進的施工工藝，克服了不中斷交通、無縱橫向限位裝置等情況給施工帶來的巨大困難，成功地完成了頂升施工任務，為今后不中斷交通的城市橋梁維修改造奠定了堅實的基礎，并提供了如下技術經驗可供參考。

1)該橋采用半橋同步頂升技術，避免了梁體在無任何限位裝置的情況下發生失穩而傾覆的風險，在不中斷交通的條件下，安全、順利地完成了橋梁支座更換任務。

2)通過大型通用有限元軟件MIDAS對梁體頂升過程進行仿真分析，精確地計算出梁體容許的最大頂升高度，確保了整個頂升過程中梁體的變形受力安全。

3)運用有限元軟件ANSYS對頂升過程中高壓水管及高壓水管與橋臺連接處橋臺混凝土的受力進行精確分析，計算出高壓水管剛性約束換托的合理范圍。通過將這一范圍內的高壓水管與梁體的剛性連接解除，同時將高壓水管托換至彈性支架上的方法，保證了頂升施工過程中高壓水管及高壓水管與橋臺連接處橋臺混凝土的受力安全。

4)在伸縮縫處路面鋪設鋼板，成功的避免了因梁體與路面產生相對高差而導致的跳車現象。

5)利用監控設備對施工全過程進行實時監控，保證了在頂升施工過程中梁體的變形及應力、高壓水管與橋臺連接處橋臺混凝土應力滿足規范要求，同時能夠對頂升位移不同步誤差做出及時調整，確保了頂升施工安全順利進行。