大坡度橋梁頂升計算與頂升措施*

王守強，閆興非，程 燁

(1.上海隧道工程股份有限公司，上海 200032； 2.上海城市基礎設施更新工程技術研究中心，上海 200032；3.上海市城市建設設計研究總院(集團)有限公司，上海 200125)

0 引言

現階段越來越多的橋梁凈空高度難以滿足交通需要，橋梁拆除重建將拉長建造周期、浪費大量資源并增加建造成本，橋梁頂升施工技術符合橋梁可持續發展的理念，可在有效利用原有橋梁的基礎上解決這一問題[1-2]。

隨著橋梁改造的需要，橋梁頂升方面研究越來越多。李方韜[3]研究了鋼橋頂升方法，吳毅彬等[4]、李藝等[5]、袁鑫等[6]對整體頂升進行了系統性研究，王海等[7]、潘躍順等[8]對橋梁調坡進行了闡述，然而他們沒有提出針對橋梁調坡頂升位移計算公式。

本文對大坡度橋梁頂升過程中水平位移和千斤頂垂直度偏差進行了公式推導，并結合上海某匝道橋頂升為新建高架橋主線道路工程，對每個墩臺處水平位移及千斤頂垂直度偏轉情況進行了計算，提出了大坡度橋梁頂升時需采取的措施。

1 大坡度橋梁頂升計算

1.1 工程概況

頂升段橋梁為現澆單箱5室預應力混凝土箱梁，頂升段橋面寬16.5m，頂升段全長220.51m，共計3 638.4m2，橋梁標準斷面如圖1所示。頂升段橋梁分2聯布置，每聯5跨：第1聯長110.51m，跨徑組合為(19.51+24×3+19)m；第2聯長110m，跨徑組合為(19+24×3+19)m，橋梁現狀如圖2所示。橋梁共有11個橋墩(臺)，編號分別為NS1～NS11，其中NS1為橋臺位置，NS2～NS11為雙柱式橋墩，頂升高度為0～7 916mm，每個墩臺頂升高度為：NS1號為7 916mm，NS2號為7 216mm，NS3號為6 354mm，NS4號為5 492mm，NS5號為4 631mm，NS6號為3 949mm，NS7號為3 267mm，NS8號為2 405mm，NS9號為1 544mm，NS10號為682mm，NS11號為0。單聯橋梁體積1 260m3，用C40混凝土澆筑，加上橋面鋪裝及附屬結構，可估算單聯箱梁重約4 120t。

圖1 橋梁標準斷面

圖2 頂升橋梁現狀

NS11號橋墩頂升高度為0，NS1號橋臺頂升高度達7.916m，這勢必會引起箱梁在水平方向角度的變化，箱梁投影長度變大，每個墩臺處存在水平位移，頂升施工過程中千斤頂垂直度也會發生變化，應嚴格控制行程大小。頂升過程中各墩頂升高度互不相同，為保證梁體線形不變，頂升控制系統需同時具有多點同步控制能力和角速度等比例調坡頂升功能。

1.2 橋梁頂升計算

大坡度橋梁調坡頂升時，隨著橋梁坡度的不斷變化，箱梁的水平位移不斷發生變化，千斤頂隨著梁體的轉動垂直度也在不斷發生變化，為了防止下部支撐偏心失穩而發生事故，需嚴格控制千斤頂行程。假設橋梁長度在頂升過程中伸縮量不會發生變化，現將頂升過程中牽扯到的水平位移及千斤頂偏轉角度進行計算：橋梁頂升前總長度為S，水平投影長度為L1，豎直高度為H1，橋梁與水平面夾角為α1；頂升高度ΔH后，由前面假設可知頂升長度不變(為S)，水平投影長度為L2，豎直高度為H2，橋梁與水平面夾角為α2；頂升后水平位移變化量為ΔL，千斤頂高HJ，千斤頂偏轉角為b，計算過程如圖3所示。已知L1，α1，可得S，H1如下：

(1)

圖3 頂升前后計算

頂升高度ΔH后，可得S，H2，L2，ΔL如下：

(2)

將式(1)帶入式(2)并化簡可得ΔL如下：

(3)

千斤頂偏轉角b如下：

(4)

以上給出的橋梁計算公式適用于橋梁單跨、整聯橋梁墩頂水平位移、千斤頂垂直度變化計算；計算公式適用于橋梁兩端存在頂升高度差的情況，特別是當橋梁頂升高度差ΔH=0時，橋梁墩頂水平位移、千斤頂垂直度變化均為0，這與橋梁整體頂升結果一致。

對于第1聯橋梁NS6號墩，已知L1為110m，α1為2.862°，ΔH=3.948 8m，由式(3)可求得NS6號墩水平位移為：

ΔL=0.126 5m=126.5mm

考慮兩聯橋梁之間存在伸縮縫，第1聯橋梁伸長不會傳遞到第2聯，從而可求得每個墩臺處水平位移為：NS1號為127.1mm，NS2號為104.7mm，NS3號為77.1mm，NS4號為49.5mm，NS5號為21.9mm，NS6號為126.5mm，NS7號為104.7mm，NS8號為77.1mm，NS9號為49.5mm，NS10號為21.9mm，NS11號為0。第1聯橋梁頂升前后計算結果如圖4所示。由圖4可知，隨著箱梁沿NS11號墩轉動，橋梁坡度不斷變小，水平位移不斷增加，最大增長為NS1號橋臺，達127.1mm。

圖4 第1聯頂升計算(單位：m)

本工程均采用200t液壓千斤頂，液壓千斤頂參數：高366mm、底徑244mm、行程最大230mm。根據經驗和理論分析，千斤頂垂直度偏轉控制在1%以內安全，剛開始頂升時橋梁抬高相同高度情況下，水平位移大。經試算，頂升行程控制在200mm，則NS1號相對于NS6號的頂升高度ΔH=100.2mm，則由式(3)、式(4)可得第1次頂升千斤頂垂直度b變化為：

ΔL=0.005m=5.0mm

這符合千斤頂垂直度偏轉控制在1%以內，頂升過程中其他支撐點處計算結果如表1所示。本工程兩聯箱梁整體同步頂升，同步頂升的支撐點共有10處，各處頂升高度不等，高度之比為200∶182.3∶160.5∶138.8∶117.0∶99.8∶82.5∶60.8∶39.0∶17.2，必須按這一比例精確控制同步頂升，避免頂升過程中出現千斤頂脫空現象。

2 大坡度橋梁頂升措施

2.1 抵消千斤頂偏轉措施

頂升時隨著坡度的變化，液壓千斤頂與箱梁夾角由垂直變成不垂直，最大偏轉為0.88%(約0.504°)，為了防止千斤頂頂升時對橋梁產生局部應力，選用帶球頭可轉動的液壓千斤頂，頂部球頭轉角最大可達5°，可轉動千斤頂球形頭部隨著上部結構坡度的變化而自動調整。

考慮頂升時安裝墊塊方便，千斤頂倒置安裝，如圖5所示。

圖5 球頭千斤頂及安裝示意

2.2 確保千斤頂垂直度和水平位移措施

橋梁調坡頂升達7.916m，換算可得橋梁與水平面夾角變化累計達2.054°，千斤頂與箱梁的夾角不斷發生變化；隨著箱梁沿NS11號墩轉動，橋梁坡度不斷減小，水平長度不斷增加，千斤頂水平位移不斷變化。頂升過程中，需不斷調整千斤頂垂直度和位置，防止產生結構附加應力。

千斤頂垂直度調整通過楔形鋼板來實現，每頂升1/6=0.27°時，用楔形鋼板調整1次千斤頂與箱梁底部垂直度，這一措施可使頂升時產生的水平力大大減小。千斤頂水平位移調整通過滑動鋼板實現，滑動鋼板可對千斤頂的位置進行調整，使千斤頂中心與支撐中心重合，可確保頂升安全。

2.3 頂升過程中限位裝置

橋梁調坡頂升過程中，隨著梁體水平投影長度的不斷變化，會造成相鄰聯梁體的夾角發生變化，進而影響梁體間距，所以應在伸縮縫位置處安裝適當的限位裝置。第1聯伸長127.1mm，第2聯伸長126.5mm，預留8～9mm的自由活動空間，故兩聯間縱向限位裝置預留135mm的空隙。

縱向限位裝置通過固定在墩柱側立面的2根鋼結構柱實現，如圖6所示。在墩柱上植筋時為了避開普通鋼筋與預應力鋼筋，需采用鋼筋探測儀進行探測；鋼結構柱通過焊接連接，焊接時需保證各構件垂直平整。

圖6 橋墩限位設計示意

3 結語

1)橋梁調坡頂升高度達7.916m，引起箱梁墩臺處產生水平位移，其中第1聯伸長127.1mm，第2聯伸長126.5mm；頂升施工過程中頂升行程控制在200mm時，千斤頂垂直度最大偏差為0.88%(約0.504°)。

2)本工程兩聯箱梁整體同步頂升，同步頂升的支撐點共有10處，各處頂升高度不等，高度之比為200∶182.3∶160.5∶138.8∶117.0∶99.8∶82.5∶60.8∶39.0∶17.2，必須按這一比例精確控制同步頂升，避免頂升過程中出現千斤頂脫空現象。

3)橋梁頂升施工時，需采取一系列措施：選用帶球頭可轉動的液壓千斤頂可防止千斤頂頂升時對橋梁產生局部應力，楔形鋼板用來調整千斤頂與箱梁底部垂直度，滑動鋼板調整千斤頂水平位移，在兩聯間設置縱向限位裝置可防止相鄰聯梁體的夾角產生變化。